Relativistische Physik - von der Elektrizität zur Optik

Klaus Lüders, Klaus Lüders, Gebhard Oppen

• Publisher: De Gruyter
• Year: 2015
• Print ISBN: 9783110226690
• eBook ISBN: 9783110384833
• Edition: 1
• Topic: Naturwissenschaften
• Subtopic: Elektromagnetismus

Der zweite Band des neu konzipierten dreibändigen Bergmann/Schaefer Kompakt behandelt die Elektrizität, Optik und Relativitätstheorie. Wie schon Band 1 (Mechanik und Wärme) orientiert er sich an den Studienplänen eines modernen Physik-Studiums mit dem Abschluss Bachelor, aber auch an anderen Studiengängen mit Physik als Nebenfach. Er erscheint ebenfalls mit neuem Layout, klarer Struktur und Übungsaufgaben. Band 3 behandelt die Quantenphysik, also Atom- und Molekül-, Kern- und Teilchenphysik sowie die Festkörperphysik.

• Enthält die Grundlagen der Elektrizität, Optik und Relativitätstheorie
• Basierend auf dem Bergmann/Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik
• Vollständig neu konzipiert und aktualisiert
• Ausgerichtet an den Inhalten eines modernen Studiums mit Bachelor-Abschluss
• Auch für Nebenfachstudierende
• Mit Übungsaufgaben

Teil I

Elektrizität und Magnetismus

Michael Faraday (1791 – 1867)

(Photo: Deutsches Museum, München)

dp n="14" folio="4" ? dp n="15" folio="5" ?

1 Ladung und elektrisches Feld

Neben den physikalischen Größen, die zur Beschreibung der mechanischen und thermischen Phänomene verwendet werden (Bd. 1), ist es zweckmäßig, weitere physikalische Größen zu verabreden, um die elektrischen und magnetischen Phänomene beschreiben zu können. Eine der grundlegenden Größen hierzu ist die elektrische Ladung Q. Es handelt sich um eine physikalische Größe mit der Einheit 1 Coulomb (C) = 1 Amperesekunde (As). Ihre Definition werden wir später angeben, da in der Elektrizität als neu hinzukommende Grundgröße der elektrische Strom mit der Einheit 1 Ampere (A) verabredet wurde (Abschn. 1.2). Trotzdem lassen sich zuvor schon viele Eigenschaften der elektrischen Ladung besprechen. Zu den charakteristischen Eigenschaften gehören die Kräfte, die Ladungen aufeinander ausüben. Dabei handelt es sich wie bei der Gravitation (Bd. 1, Abschn. 3.6) um Kräfte, die ohne materielle Berührung über größere Entfernungen durch den leeren Raum wirken können, was zum Begriff des Feldes führt (Gravitationsfeld, elektrisches oder magnetisches Feld).

In diesem Kapitel besprechen wir Ladungen, wobei wir uns zunächst mit Ausnahme des elektrischen Stromes auf ruhende Ladungen und die sie umgebenden elektrischen Felder beschränken (Elektrostatik).

1.1 Elektrostatische Grundversuche

Die Existenz elektrostatischer Aufladungen ist jedem Menschen bekannt durch die unangenehmen, aber harmlosen elektrischen Schläge, die oft damit verbunden sind. Zieht man z. B. ein Hemd oder einen Pullover aus synthetischen Fasern über den Kopf, beobachtet man bei trockener Luft und im Dunkeln Funken und man hört sie knistern. Man sieht ferner, dass die Haare vom Kleidungsstück angezogen werden. Durch innige Berührung (Reiben) hat sich der Zustand der Stoffe derart verändert, dass von ihren Oberflächen Kraftwirkungen ausgehen.

Obwohl sehr hohe elektrische Spannungen (Abschn. 1.3) auftreten können, sind alle hier beschriebenen Experimente ungefährlich, solange zur Erzeugung der Aufladungen nur Reibungselektrizität und Elektrisiermaschinen verwendet werden. Bei Einsatz eines Hochspannungs-Netzgeräts ist darauf zu achten, dass eine Strombegrenzung auf 10 Milliampere (oder weniger) eingebaut ist. Für die meisten Demonstrationsexperimente genügen Gleichspannungen bis 25 Kilovolt (die Strom- und Spannungseinheiten werden in den nächsten beiden Abschnitten eingeführt).

Historisches. Bereits im Altertum wurden elektrostatische Effekte mit geriebenem Bernstein beobachtet. Der Name einer in Kleinasien (Sardes) gefundenen goldhaltigen Legierung war Elektron. Wegen der ähnlich goldgelben Farbe erhielt der Bernstein den gleichen Namen. Der merkwürdige Zustand, in dem sich ein Stück Bernstein nach Reibung mit Wolle o. ä. befindet, wurde nach dem Bernstein als elektrisch bezeichnet.

Das erste wissenschaftliche Buch über Elektrizität und Magnetismus wurde 1600 von William Gilbert (1544 – 1603) in London veröffentlicht. Gilbert war Leibarzt von Königin Elisabeth und Naturforscher. Die wissenschaftliche Arbeit finanzierte er mit seinem Privatvermögen. Zusammen mit Galileo Galilei (1564 – 1642) hat er die neuzeitliche Experimentalphysik begründet.

Gilbert stellte u. a. fest, dass die Anziehungskräfte von Magneten und Bernstein deutlich verschiedene Phänomene sind und dass die von ihm so benannte elektrische Kraft (vis electrica), zwar schwächer als die magnetische, aber von allgemeinerer Bedeutung ist. Er fand eine große Anzahl von Stoffen, die – wie Bernstein – durch Reiben elektrisch werden, z. B. Diamant, Saphir, Amethyst, Beryll, Opal, Bergkristall, Glas, Schwefel, Flussspat, Steinsalz, Mastix, Gummilack und Kolophonium. Auch den schädlichen Einfluss von Feuchtigkeit auf elektrostatische Experimente beobachtete er.

Es dauerte noch über 100 Jahre, bis klar erkannt war, dass der elektrische Zustand durch einen neuartigen Stoff bewirkt wird: die elektrische Ladung. Ladung kann von einem Körper auf einen anderen durch Oberflächenkontakt übertragen werden. Damit ist keine messbare Material- bzw. Massenübertragung verbunden.

Aufladung und Entladung. Elektrische Aufladungen kann man durch innigen Kontakt zweier verschiedener Stoffe erhalten, z. B. Kunststoff (Plastikstab) und Wolle. Dieser Kontakt lässt sich bei zwei festen Stoffen am leichtesten durch kräftiges Zusammendrücken und Reiben erreichen, weil die Oberflächen immer mikroskopische Rauigkeit besitzen. Durch Kontakt und anschließende Trennung der Stoffe werden beide elektrisch aufgeladen. Sofern verhindert wird, dass die Ladungen abfließen, können fast alle Stoffe, Metalle genauso wie Bernstein und Wolle, elektrisch aufgeladen werden.

Setzt man einen metallischen Gegenstand, z. B. einen leeren Kochtopf auf eine Glasplatte oder Plastikfolie, können Ladungen nicht vom Topf zur Erde abfließen. Von einem durch Reiben aufgeladenen Stab kann man die Ladung am Topfrand „abstreifen“. Die Ladungen verteilen sich dann auf die gesamte Oberfläche des Topfes.

Die Ladungen auf einer Oberfläche lassen sich rasch wieder beseitigen, wenn man mit der Hand oder einem feuchten Lappen über die Oberfläche streicht. Auch durch hoch erhitzte Luft oder Flammengase lassen sich Aufladungen beseitigen, indem man z. B. einen geriebenen Kunststoffstab kurz über eine Bunsenbrenner-Flamme oder in einen sehr heißen Luftstrom bringt. Durch hohe Temperatur, aber auch durch energiereiche Strahlung (hν ≳ 4 eV, Bd. 3), wie ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung oder Elektronenstra...

Table of contents

• Titel
• Impressum
• Vorwort
• Bergmann/Schaefer Physik Online
• Inhaltsverzeichnis
• Einleitung
• Teil I - Elektrizität und Magnetismus
• Teil II - Elektromagnetisches Feld
• Teil III - Strahlen- und Wellenoptik
• Teil IV - Teilchenoptik und Anwendungen
• Teil V - Relativistische Physik
• Lösungen der Aufgaben
• Register
• Wichtige Konstanten und physikalische Größen