Lehrbuch zur Experimentalphysik. Band 3: Elektrizität und Magnetismus

Teil I Elektrizität und Magnetismus
1 Elektrische Kräfte und elektrische Felder .......................... 3
1.1 Elektrische Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Die Coulombkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Das elektrische Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Die Grundgleichungen der Elektrostatik im Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 Elektrische Felder im Vakuum bei vorgegebener Ladungsverteilung . . . . . . . 21
2.1 Feldberechnung mit dem Coulombschen Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2 Feldberechnung mit dem Gaußschen Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Elektrische Dipole, Quadrupole und Multipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 Leiter im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Das elektrische Feld geladener Leiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Leiter im äußeren elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4 Isolatoren im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1 Makroskopische Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Mikroskopische Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3 Spezielle Dielektrika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4 Die elektrische Verschiebung D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5 Energie und Kräfte im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.1 Elektrische Feldenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2 Kräfte im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.3 Beschleunigung und Fokussierung von geladenen Teilchen . . . . . . . . . . . 69
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6 Der elektrische Strom: Die Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.1 Das Ohmsche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.2 Joulesche Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.3 Die Kirchhoffschen Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.4 Strom- und Spannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7 Elektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.1 Elektrolytische Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.2 Elektrolyse und elektrolytische Abscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.3 Elektrolytische Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7.4 Galvanische Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
XIV Inhaltsverzeichnis
8 Elektrizitätsleitung im Vakuum und in Gasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.1 Elektrizitätsleitung im Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.2 Elektrizitätsleitung in Gasen: die Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.3 Unselbständige Gasentladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.4 Selbständige Gasentladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.5 Atmosphärische Elektrizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
9 Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
9.1 Das freie Elektronengas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
9.2 Die Elektrische Leitfähigkeit der Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
9.3 Supraleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
9.4 Ablösung von Elektronen aus Metallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.5 Zwei Metalle im Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
10 Halbleiter und Isolatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.1 Energiebänder in Festkörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.2 Eigen- und Fremdleitung in Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
10.3 Halbleiterdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
10.4 Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
11 Magnetische Kräfte und magnetische Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
11.1 Magnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
11.2 Das Magnetfeld B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
11.3 Das Magnetfeld von Strömen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
11.4 Maßsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
11.5 Eigenschaften des statischen Magnetfelds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
12 Lorentz-Transformation der Feldgrößen und das elektromagnetische Feld . . . 199
12.1 Invarianz der elektrischen Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
12.2 Lorentz-Transformation der Feldgrößen E und B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
12.3 Das elektromagnetische Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
13 Berechnung und Anwendung stationärer Magnetfelder . . . . . . . . . . . . . . . . 209
13.1 Das Biot–Savartsche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
13.2 Stromschleife und magnetischer Dipol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
13.3 Das Vektorpotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
13.4 Magnetfelder in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
14 Materie im Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
14.1 Phänomenologie und makroskopische Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . 230
14.2 Gegenüberstellung der Felder E und D, B und H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
14.3 Mikroskopische Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
14.4 Ferromagnetische Materialien in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
14.5 Supraleiter im Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
15 Zeitlich veränderliche Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
15.1 Elektromagnetische Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
15.2 Selbstinduktion und gegenseitige Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
15.3 Anwendungen des Induktionsgesetzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
15.4 Die Maxwellschen Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
15.5 Magnetohydrodynamik und das Magnetfeld der Erde . . . . . . . . . . . . . . . 274
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Inhaltsverzeichnis XV
16 Schaltvorgänge und elektromagnetische Feldenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
16.1 Schaltvorgänge im induktiven Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
16.2 Schaltvorgänge im kapazitiven Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
16.3 Elektrische und magnetische Feldenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
16.4 Magnetische Feldenergie in der Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
17 Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
17.1 Stromkreise mit Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
17.2 Elektrische Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
17.3 Wechselstrom sehr hoher Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
18 Wechselstromtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
18.1 Technischer Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
18.2 Erzeugung von Wechselstrom: Die Synchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . 320
18.3 Wechselstrommotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
18.4 Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
18.5 Gleichrichter, Wechselrichter und Thyristoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
Teil II Anhang
19 Lösungen der Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
Zahlenwerte einiger Naturkonstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Abbildungsnachweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
Personen- und Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367