Pohls Einführung in die Physik: Band 2: Elektrizitätslehre und Optik

635 Pages·2018·13.03 MB·German

by  Klaus Lüders

Klaus Lüders
Robert O. Pohl Hrsg.
Pohls Einführung
in die Physik
Band 2: Elektrizitätslehre und Optik
24. Aufl age
mit Videos:
Schauversuche
und Pohl-
Biographie
Pohls Einführung in die Physik
Klaus Lüders (cid:2) Robert Otto Pohl
(Hrsg.)
Pohls Einführung
in die Physik
Band 2: Elektrizitätslehre und Optik
24., gründlich überarbeitete Auflage
Mit 626 Abbildungen, 97 Aufgaben und 41 Videofilmen
Herausgeber
KlausLüders RobertOttoPohl
FachbereichPhysik DepartmentofPhysics
FreieUniversitätBerlin CornellUniversity
Berlin,Deutschland Ithaca,NY,USA
ErgänzendesMaterialzudiesemBuchfindenSieauf
http://extras.springer.com.
ISBN978-3-662-54854-7 ISBN978-3-662-54855-4(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-54855-4
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Vorwort zur vierundzwanzigsten Auflage
Entsprechend Bd. 1 erscheint nun auch der zweite Band des „Pohl“ in neuem Format und mit
der heute üblichen Nummerierung der Kapitel, Gleichungen und Abbildungen sowie mit Auf-
gaben jeweils am Ende der entsprechenden Kapitel. Auch hier nutzten wir die Gelegenheit, den
gesamtenTextinhaltlichnocheinmalkritischzusichten.NebenetlichensachlichenKlarstellungen
undUmformulierungenwurdendieschematischenAbbildungenweitgehendderheuteverwende-
tenNomenklaturangepasst,umdieNacharbeitundVergleichemitweitererLiteraturzuerleichtern.
Auch in diesem Band sinddie Videofilmeim Rahmendes E-Books nunleichter zugänglich und
direkt an der zugehörigen Textstelle abrufbar. Dazu gehört auch der historische Dokumentarfilm
„EinfachheitistdasZeichendesWahren“vonEkkehardSieker(s.Vorwortzur22.Aufl.).Weitere
Einzelheiten zu Leben und Werk von Robert Wichard Pohl finden sich auf der Webseite http://
rwpohl.mpiwg-berlin.mpg.de des Max-Planck-Instituts für Wissenschaftsgeschichte (MPIWG).
Hier findetman auch Hinweiseaufweitere Literatur, aufwissenschaftlicheInstitutionenundauf
andere Webseiten, die Informationen und Dokumente zur Lehre und Forschung des Göttinger
Physikersbereitstellen.AufderWebseitedesMPIWGwerdennebendemhistorischenDokumen-
tarfilm auch alle Videofilme der beiden Bände und anderes audiovisuelles Material jeweils als
VideostreamzumAnschauenoderalsVideo-Downloadangeboten.
Wieder ist es uns ein besonderes Anliegen, für die großzügige Unterstützung des 1. Physikali-
schenInstitutsderUniversitätGöttingenunddesFachbereichsPhysikderFreienUniversitätBerlin
ausdrücklich zu danken. Besonderer Dank gilt den Herren Prof. Dr. K. Samwer, Prof. Dr. G.
Beuermann, J. Feist und C. Mahn aus Göttingen sowie Herrn Dr. J. Kirstein aus Berlin, ohne
deren vielfältige Hilfestellungen die Bearbeitung dieser Neuauflage nicht möglich gewesen wä-
re. Schließlich dankenwir dem Springer-Verlag, insbesondereFrau M. Maly undFrau B. Saglio
fürdiewiederumsehrhilfreicheundguteZusammenarbeit.
Berlin,Göttingen,November2016 K.Lüders
R.O.Pohl
V
Aus dem Vorwort zur dreiundzwanzigsten
Auflage
NachdemBd.1der POHL’schenEinführungindiePhysikmitdenBereichen Mechanik,Akustik
undWärmelehreinneuerAuflageerschienenist,folgtjetztauchBd.2mitdenBereichenElektri-
zitätslehreundOptikineinerweiteren Auflage.WiedernutztenwirdieGelegenheit,unswichtig
erscheinendeErgänzungeneinzufügen.NebenzusätzlichenoderüberarbeitetenKommentarenund
etlichensachlichenKlarstellungenimTextsinddiesvorallemwiederweitereVideofilmeundeine
Aufgabensammlung.InderElektrizitätslehrewurdedasKapitelüberFerromagnetismusausfrühe-
renAuflagenwiederaufgenommen.
DieneuenFilmeentstandenwiederineigenerRegieimneuenGöttingerHörsaalbzw.inZusam-
menarbeit mit der Physik-Didaktik der Freien Universität Berlin. Der Grundstock der Aufgaben
zurElektrizitätslehrestammtauseinerbereits1930erschienenenenglischsprachigenAuflage.Wir
fanden es aber wiederum sinnvoll, dieser Sammlung weitere Aufgaben, nicht nur zur Elektrizi-
tätslehre, sondernauchzurOptikhinzuzufügen.Siesindvorallem anFragestellungenorientiert,
diesichausdemText, ausAbbildungenoderauchFilmenergebenundstellendamitergänzende
Informationenbzw.Hilfestellungendar,diedasNacharbeitendesStoffeserleichternsollen.
Berlin,Göttingen,Juni2009 K.Lüders
R.O.Pohl
VI
Aus dem Vorwort zur zweiundzwanzigsten
Auflage
ROBERTWICHARDPOHLhattemitder1940erschienenenerstenAuflageder„Optik“seinedrei-
bändige„Einführungin die Physik“vervollständigt.Nachdem der erste Band mitden Bereichen
Mechanik, Akustik und Wärmelehre in neuer Auflage erschienen war, entschieden wir uns, im
zweiten Band die Grundlagen-Kapitel der Elektrizitätslehre und Optik zusammenzufassen. Wie
schonbeimerstenBandgaltes,ausderVielzahlderverschiedenenAuflageneinerichtigeAuswahl
zutreffen.DervorliegendezweiteBandbasiertaufder20.Auflageder„Elektrizitätslehre“undder
12.Auflageder „OptikundAtomphysik“,beide1967erschienen. Auchfür diesenBand wurden
vomIWFWissenundMedien inGöttingenwieder kurzeVideofilmezu einzelnenExperimenten
gedreht.SiesinddemBuchaufeinerDVDbeigefügt.
Zusätzlich enthält die DVD den historischen Dokumentarfilm1„Einfachheit ist das Zeichen des
Wahren“,dervondemWissenschaftsjournalistenEkkehardSiekergeplant,gestaltetundgemein-
sammitderDüsseldorferProduktionsfirmaKiosquehergestelltwurde.DerFilm beschäftigtsich
ausführlich mit dem Leben und Wirken Robert Wichard Pohls in Göttingen. Er beschreibt, wie
R.W. Pohl gemeinsam mit seinen bekannten Kollegen Max Born und James Franck durch ih-
re Forschung und Lehre die Physik im Deutschland der zwanziger Jahre wesentlich mitgestaltet
hat.DiePhysikalischenInstitutederUniversitätGöttingenentwickeltensichdamalszueinemder
wichtigsten internationalen Zentren der Physik. Max Born beschäftigte sich früh mit der Relati-
vitätstheorieEinsteinsundtrugmaßgeblichdazubei,dietheoretischenGrundlagendermodernen
Quantentheoriezuentwickeln.JamesFrancksForschungsschwerpunktelagenebenfallsimBereich
derQuantentheorieunddortvorallemimBereichderAtom-undMolekülphysik.R.W.Pohlbe-
einflusstealsPionierderFestkörperphysikundalsgenialerLehrerGenerationenvonPhysikernaus
aller Welt. Diese herausragendeStellung der GöttingerPhysikwurdemit derpolitischen Macht-
1Videofilm1:
„EinfachheitistdasZeichendesWahren“
–DasLebenundWerkdesRobertWichardPohl–
http://tiny.cc/xucxny
DerFilmtitelistdieÜbersetzungdesWahlspruchs„SimplexSigillumVeri“,unterdemR.W.PohljahrzehntelangseineVorle-
sungenhielt.ErstandanderStirnwanddesGöttingerHörsaals,vonSpötternzuweilenmit„SiegellackistdaseinzigWahre“
missgedeutet.PohlsNachfolger,R.Hilsch,fanddenSpruchnichtmehrzeitgemäßundließihnspäterbeieinerHörsaalreno-
vierungentfernen.
Zusatzfilme:
„SommerfestimaltenPhysik-Institut“
http://tiny.cc/1ucxny
„Farbzentren“
http://tiny.cc/tucxny
„PohlsAbschiedsvorlesung“(nurAudio)
http://tiny.cc/4ucxny
„EhrendoktorfürErnestRutherford“(nurAudio)
http://tiny.cc/gucxny
VII
VIII AusdemVorwortzurzweiundzwanzigstenAuflage
ergreifung durch die Nationalsozialisten Ende Januar 1933 jäh beendet. Max Born und James
FranckwurdenzurEmigrationausDeutschlandgezwungen.R.W.PohlbliebalseinzigerinGöt-
tingen.Erwar keininderÖffentlickeit politischagierenderMensch.Er war einWissenschaftler,
dersichimRahmenseinesInstitutsengagierte.
Doch bei seinen Recherchen stieß E. Sieker auf die bis heute wenig bekannte Tatsache, dass
R.W.PohlVerbindungzumzivilenbürgerlichenWiderstandgegendasNazi-RegimeumCarlFried-
richGoerdelerbesaß.NachdemgescheitertenAttentatvom20.Juli1944wurdeseinFreundund
Kontaktmannzum Goerdeler-Kreis, derStudienratHermann Kaiser, zumTodeverurteiltund am
23. Januar 1945 in Berlin-Plötzensee hingerichtet. Nach der Kapitulation beriefen die britischen
Besatzungstruppen–nebenanderen–R.W.PohlindenEntnazifizierungsausschussderGöttinger
Universität. Pohl sah es auch als eine Verpflichtung der Universität an, den 1933 aus Göttingen
vertriebenen Wissenschaftlern eine umfassende Wiedergutmachungzuteil werden zu lassen. Der
Film enthält zahlreiche Zeitdokumente und Gespräche mit Verwandten, Freunden und anderen
Zeitzeugen,dieungewöhnlicheEinblickeindasLebendesExperimentalphysikersRobertWichard
Pohlgeben.
Berlin,Göttingen,August2005 K.Lüders
R.O.Pohl
Inhaltsverzeichnis
TeilI Elektrizitätslehre
1 MessinstrumentefürStromundSpannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 DerelektrischeStrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 TechnischeAusführungvonStrommessernoderAmperemetern . . 10
1.4 EichungderAmperemeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 DieelektrischeSpannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6 TechnischerAufbaustatischerSpannungsmesseroderVoltmeter . . 13
1.7 EichungderVoltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.8 StromdurchflosseneVoltmeter,Widerstand. . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.9 BeispielefürStrömeundSpannungenverschiedenerGröße . . . . . 17
1.10 StromstößeundihreMessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.11 Ampere-undVoltmeterkleinerEinstellzeit,dieBRAUN’scheRöhre. 21
1.12 ElektrischeMessungderEnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2 DaselektrischeFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Grundbeobachtungen, elektrischeFelderverschiedenerGestalt. . . 27
2.3 ElektrischesFeldimVakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 ElektrischeLadungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5 FeldzerfalldurchMaterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6 InLeiternkönnenLadungenwandern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.7 InfluenzundihreDeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.8 SitzderruhendenLadungenaufderLeiteroberfläche . . . . . . . . . 40
2.9 StromquellenfürsehrhoheSpannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.10 StrombeimFeldzerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
IX
X Inhaltsverzeichnis
2.11 MessungelektrischerLadungendurchStromstöße,Zusammenhang
vonLadungundStrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.12 DaselektrischeFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.13 Proportionalität von Flächendichte der Ladung und elektrischer
Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.14 Das elektrischeFeldder Erde,Raumladung und Feldgefälle,erste
MAXWELL’scheGleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.15 KapazitätvonKondensatorenundihreBerechnung . . . . . . . . . . 55
2.16 AufladungundEntladungeinesKondensators . . . . . . . . . . . . . . 58
2.17 KondensatorenverschiedenerBauart,Dielektrikaundihre
Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3 KräfteundEnergieimelektrischenFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1 DreiVorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2 DerGrundversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3 AllgemeineDefinitiondeselektrischenFeldesE . . . . . . . . . . . . . 70
3.4 ErsteAnwendungenderGleichungFDQE . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.5 Druck auf die Oberfläche geladener Körper, Verkleinerung der
Oberflächenspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.6 GUERICKEs Schwebeversuch (1672), elektrische Elementarladung
eD1,60(cid:2)10(cid:3)19As . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.7 EnergiedeselektrischenFeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.8 ElektrischesPotentialundÄquipotentialflächen . . . . . . . . . . . . . 79
3.9 ElektrischerDipol,elektrischesDipolmoment . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.10 Influenzierte und permanente elektrische Dipolmomente, pyro-
undpiezoelektrischeKristalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4 DasmagnetischeFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.1 HerstellungmagnetischerFelderdurchelektrischeStröme . . . . . . 87
4.2 DasmagnetischeFeldH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3 BewegungelektrischerLadungenerzeugteinMagnetfeld,
ROWLAND’scherVersuch(1878) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4 Auch die Magnetfelder permanenter Magnete entstehen durch
BewegungelektrischerLadungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95