H. Niedrig · M. Sternberg Das Ingenieurwissen Physik Das Ingenieurwissen: Physik ⋅ Heinz Niedrig Martin Sternberg Das Ingenieurwissen: Physik HeinzNiedrig MartinSternberg TechnischeUniversitätBerlin HochschuleBochum Berlin,Deutschland Bochum,Deutschland ISBN978-3-642-41127-4 ISBN978-3-642-41128-1(eBook) DOI10.1007/978-3-642-41128-1 DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;de- tailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. DasvorliegendeBuchistTeildesursprünglicherschienenenWerks„HÜTTE-DasIngenieurwissen“,34. Auflage. ©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2014 DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtaus- drücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgilt insbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspei- cherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkbe- rechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinneder Warenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann benutztwerdendürften. GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier. Springer ViewegisteineMarkevon SpringerDE.Springer DEistTeilderFachverlagsgruppeSpringer Science+BusinessMedia www.springer-vieweg.de Vorwort Die HÜTTE Das Ingenieurwissen ist ein Kompendium und Nachschlagewerk für unter- schiedliche Aufgabenstellungen und Verwendungen. Sie enthält in einem Band mit 17 Kapiteln alle Grundlagen des Ingenieurwissens: – Mathematisch-naturwissenschaftliche Grundlagen – Technologische Grundlagen – Grundlagen für Produkte und Dienstleistungen – Ökonomisch-rechtliche Grundlagen Je nach ihrer Spezialisierung benötigen Ingenieure im Studium und für ihre beruflichen Aufgaben nicht alle Fachgebiete zur gleichen Zeit und in gleicher Tiefe. Beispielsweise werden Studierende der Eingangssemester, Wirtschaftsingenieure oder Mechatroniker in einer jeweils eigenen Auswahl von Kapiteln nachschlagen. Die elektronische Version der Hütte lässt das Herunterladen einzelner Kapitel bereits seit einiger Zeit zu und es wird davon in beträchtlichem Umfang Gebrauch gemacht. Als Herausgeber begrüßen wir die Initiative des Verlages, nunmehr Einzelkapitel in Buchform anzubieten und so auf den Bedarf einzugehen. Das klassische Angebot der Gesamt-Hütte wird davon nicht betroffen sein und weiterhin bestehen bleiben. Wir wün- schen uns, dass die Einzelbände als individuell wählbare Bestandteile des Ingenieurwis- sens ein eigenständiges, nützliches Angebot werden. Unser herzlicher Dank gilt allen Kolleginnen und Kollegen für ihre Beiträge und den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Springer-Verlages für die sachkundige redaktionel- le Betreuung sowie dem Verlag für die vorzügliche Ausstattung der Bände. Berlin, August 2013 H. Czichos, M. Hennecke VI Vorwort Das vorliegende Buch ist dem Standardwerk HÜTTE Das Ingenieurwissen 34. Auflage entnommen. Es will einen erweiterten Leserkreis von Ingenieuren und Naturwissenschaft- lern ansprechen, der nur einen Teil des gesamten Werkes für seine tägliche Arbeit braucht. Das Gesamtwerk ist im sog. Wissenskreis dargestellt. Inhaltsverzeichnis Physik H. Niedrig, M. Sternberg 0 Übersicht ....................................................................1 1 Physikalische Größen und Einheiten .............................................2 1.1 Physikalische Größen ...............................................................2 1.2 Basisgrößen und -einheiten ...........................................................2 1.3 Das Internationale Einheitensystem, Konstanten und Einheiten ..............................2 I. Teilchen und Teilchensysteme 2 Kinematik ...................................................................7 2.1 Geradlinige Bewegung ..............................................................7 2.2 Kreisbewegung ....................................................................9 2.3 Gleichförmig translatorische Relativbewegung ..........................................10 2.3.1 Galilei-Transformation – 2.3.2 Lorentz-Transformation – 2.3.3 Relativistische Kinematik 2.4 Geradlinig beschleunigte Relativbewegung .............................................14 2.5 Rotatorische Relativbewegung .......................................................14 3 Kraft und Impuls ............................................................15 3.1 Trägheitsgesetz ...................................................................16 3.2 Kraftgesetz ......................................................................16 3.2.1 Gewichtskraft – 3.2.2 Federkraft – 3.2.3 Reibungskräfte 3.3 Reaktionsgesetz ...................................................................18 3.3.1 Kräfte bei elastischen Verformungen – 3.3.2 Kräfte zwischen freien Körpern („innere Kräfte“) 3.4 Äquivalenzprinzip: Schwer- und Trägheitskräfte .........................................20 3.5 Trägheitskräfte bei Rotation .........................................................20 3.5.1 Zentripetal- und Zentrifugalkraft – 3.5.2 Coriolis-Kraft 3.6 Drehmoment und Gleichgewicht .....................................................21 3.7 Drehimpuls (Drall) ................................................................22 3.8 Drehimpulserhaltung ...............................................................23 4 Arbeit und Energie ..........................................................23 4.1 Beschleunigungsarbeit, kinetische Energie ..............................................24 4.2 Potenzielle Energie, Hub- und Spannungsarbeit ..........................................24 4.3 Energieerhaltung bei konservativen Kräften .............................................26 4.4 Energiesatz bei nichtkonservativen Kräften .............................................26 4.5 Relativistische Dynamik ............................................................27 5 Schwingungen ...............................................................29 5.1 Kinematik der harmonischen Bewegung ...............................................29 5.2 Der ungedämpfte, harmonische Oszillator ..............................................30 5.2.1 Mechanische harmonische Oszillatoren – 5.2.2 Schwingungsgleichung und Schwingungsenergie des harmonischen Oszillators 5.3 Freie gedämpfte Schwingungen ....................................................... 34 5.3.1 Periodischer Fall (Schwingfall) – 5.3.2 Aperiodischer Grenzfall – 5.3.3 Aperiodischer Fall (Kriechfall) – 5.3.4 Abklingzeit 5.4 Erzwungene Schwingungen, Resonanz ................................................37 5.4.1 Resonanz – 5.4.2 Leistungsaufnahme des Oszillators VIII Inhaltsverzeichnis 5.5 Überlagerung von harmonischen Schwingungen .........................................40 5.5.1 Schwingungen gleicher Frequenz – 5.5.2 Schwingungen verschiedener Frequenz 5.6 Gekoppelte Oszillatoren ............................................................43 5.6.1 Gekoppelte Pendel – 5.6.2 Mehrere gekoppelte Oszillatoren 5.7 Nichtlineare Oszillatoren. Chaotisches Schwingungsverhalten ..............................46 6 Teilchensysteme .............................................................48 6.1 Schwerpunkt (Massenzentrum), Impuls und Drehimpuls von Teilchensystemen ..............................................................49 6.1.1 Schwerpunktbewegung ohne äußere Kräfte – 6.1.2 Schwerpunktbewegung bei Einwirkung äußerer Kräfte – 6.1.3 Drehimpuls eines Teilchensystems 6.2 Energieinhalt von Teilchensystemen ...................................................52 6.2.1 Energieerhaltungssatz in Teilchensystemen – 6.2.2 Bindungsenergie eines Teilchensystems 6.3 Stöße ...........................................................................54 6.3.1 Zentraler elastischer Stoß – 6.3.2 Nichtzentraler elastischer Stoß – 6.3.3 Unelastischer Stoß 7 Dynamik starrer Körper ......................................................59 7.1 Translation und Rotation eines starren Körpers ..........................................59 7.2 Rotationsenergie, Trägheitsmoment ...................................................61 7.3 Drehimpuls eines starren Körpers .....................................................63 7.4 Kreisel ..........................................................................64 7.5 Vergleich Translation —Rotation .....................................................65 8 Statistische Mechanik —Thermodynamik ..............................................65 8.1 Kinetische Theorie der Gase .........................................................66 8.2 Temperaturskalen, Gasgesetze .......................................................69 8.3 Freiheitsgrade, Gleichverteilungssatz ..................................................72 8.4 Reale Gase, tiefe Temperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 8.5 Energieaustausch bei Vielteilchensystemen .............................................78 8.5.1 Volumenarbeit – 8.5.2 Wärme – 8.5.3 Energieerhaltungssatz für Vielteilchensysteme 8.6 Wärmemengen bei thermodynamischen Prozessen .......................................81 (cid:27)(cid:17)(cid:25)(cid:17)(cid:20)(cid:3)(cid:54)(cid:83)(cid:72)(cid:93)(cid:76)(cid:191)(cid:86)(cid:70)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:88)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:80)(cid:82)(cid:79)(cid:68)(cid:85)(cid:72)(cid:3)(cid:58)(cid:108)(cid:85)(cid:80)(cid:72)(cid:78)(cid:68)(cid:83)(cid:68)(cid:93)(cid:76)(cid:87)(cid:108)(cid:87)(cid:72)(cid:81)(cid:3)(cid:177)(cid:3)(cid:27)(cid:17)(cid:25)(cid:17)(cid:21)(cid:3)(cid:51)(cid:75)(cid:68)(cid:86)(cid:72)(cid:81)(cid:88)(cid:80)(cid:90)(cid:68)(cid:81)(cid:71)(cid:79)(cid:88)(cid:81)(cid:74)(cid:86)(cid:72)(cid:81)(cid:87)(cid:75)(cid:68)(cid:79)(cid:83)(cid:76)(cid:72)(cid:81) 8.7 Zustandsänderungen bei idealen Gasen ................................................85 8.8 Kreisprozesse ....................................................................88 8.8.1 Wärmekraftmaschine – 8.8.2 Kältemaschine und Wärmepumpe 8.9 Ablaufrichtung physikalischer Prozesse (Entropie) .......................................91 9 Transporterscheinungen ......................................................95 9.1 Stoßquerschnitt, mittlere freie Weglänge ...............................................95 9.2 Molekulardiffusion ................................................................96 9.3 Wärmeleitung ....................................................................97 9.4 Innere Reibung: Viskosität ..........................................................99 10 Hydro- und Aerodynamik ....................................................103 10.1 Strömungen idealer Flüssigkeiten ....................................................104 10.2 Strömungen realer Flüssigkeiten .....................................................108 II. Wechselwirkungen und Felder 11 Gravitationswechselwirkung ................................................. 111 11.1 Der Feldbegriff .................................................................. 111 11.2 Planetenbewegung: Kepler-Gesetze .................................................. 111 11.3 Newton’sches Gravitationsgesetz .................................................... 112 11.4 Das Gravitationsfeld .............................................................. 113 11.5 Satellitenbahnen im Zentralfeld ..................................................... 115 12 ElektrischeWechselwirkung ..................................................118 12.1 Elektrische Ladung, Coulomb’sches Gesetz ............................................ 118 12.2 Das elektrostatische Feld ........................................................... 119 12.3 Elektrisches Potenzial, elektrische Spannung ...........................................124 12.4 Quantisierung der elektrischen Ladung ...............................................126 Inhaltsverzeichnis IX 12.5 Energieaufnahme im elektrischen Feld ................................................127 12.6 Elektrischer Strom ................................................................129 (cid:20)(cid:21)(cid:17)(cid:26)(cid:3) (cid:40)(cid:79)(cid:72)(cid:78)(cid:87)(cid:85)(cid:76)(cid:86)(cid:70)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:47)(cid:72)(cid:76)(cid:87)(cid:72)(cid:85)(cid:3)(cid:76)(cid:80)(cid:3)(cid:72)(cid:79)(cid:72)(cid:78)(cid:87)(cid:85)(cid:82)(cid:86)(cid:87)(cid:68)(cid:87)(cid:76)(cid:86)(cid:70)(cid:75)(cid:72)(cid:81)(cid:3)(cid:41)(cid:72)(cid:79)(cid:71)(cid:15)(cid:3)(cid:44)(cid:81)(cid:192)(cid:88)(cid:72)(cid:81)(cid:93)(cid:3) ....................................130 12.8 Kapazität leitender Körper .........................................................132 12.9 Nichtleitende Materie im elektrischen Feld, elektrische Polarisation .........................134 13 Magnetische Wechselwirkung .................................................140 13.1 Das magnetostatische Feld, stationäre Magnetfelder .....................................140 13.2 Die magnetische Kraft auf bewegte Ladungen ..........................................143 (cid:20)(cid:22)(cid:17)(cid:22)(cid:3) (cid:39)(cid:76)(cid:72)(cid:3)(cid:80)(cid:68)(cid:74)(cid:81)(cid:72)(cid:87)(cid:76)(cid:86)(cid:70)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:46)(cid:85)(cid:68)(cid:73)(cid:87)(cid:3)(cid:68)(cid:88)(cid:73)(cid:3)(cid:86)(cid:87)(cid:85)(cid:82)(cid:80)(cid:71)(cid:88)(cid:85)(cid:70)(cid:75)(cid:192)(cid:82)(cid:86)(cid:86)(cid:72)(cid:81)(cid:72)(cid:3)(cid:47)(cid:72)(cid:76)(cid:87)(cid:72)(cid:85)(cid:3) ....................................147 13.4 Materie im magnetischen Feld, magnetische Polarisation .................................149 14 Zeitveränderliche elektromagnetische Felder ....................................156 14.1 Zeitveränderliche magnetische Felder: Induktion ........................................156 14.2 Selbstinduktion ..................................................................160 14.3 Energieinhalt des Magnetfeldes .....................................................161 14.4 Wirkung zeitveränderlicher elektrischer Felder .........................................161 14.5 Maxwell’sche Gleichungen .........................................................162 15 Elektrische Stromkreise .....................................................163 15.1 Ohm’sches Gesetz ................................................................164 15.2 Gleichstromkreise, Kirchhoff’sche Sätze ..............................................165 15.3 Wechselstromkreise ...............................................................166 15.3.1 Wechselstromarbeit – 15.3.2 Transformator – 15.3.3 Scheinwiderstand von R, L und C 15.4 Elektromagnetische Schwingungen ..................................................170 15.4.1 Freie, gedämpfte elektromagnetische Schwingungen – 15.4.2 Erzwungene elektromagnetische Schwingungen, Resonanzkreise – 15.4.3 Selbsterregung elektromagnetischer Schwingungen durch Rückkopplung 16 Transport elektrischer Ladung: Leitungsmechanismen ...........................175 16.1 Elektrische Struktur der Materie .....................................................175 16.1.1 Atomstruktur – 16.1.2 Elektronen in Festkörpern 16.2 Metallische Leitung ...............................................................184 16.3 Supraleitung ....................................................................187 16.4 Halbleiter .......................................................................191 16.4.1 Eigenleitung – 16.4.2 Störstellenleitung – 16.4.3 Hall-Effekt in Halbleitern – 16.4.4 PN-Übergänge 16.5 Elektrolytische Leitung ............................................................197 16.6 Stromleitung in Gasen .............................................................198 16.6.1 Unselbstständige Gasentladung – 16.6.2 Selbstständige Gasentladung – 16.6.3 Der Plasmazustand 16.7 Elektrische Leitung im Hochvakuum .................................................202 16.7.1 Elektronenemission – 16.7.2 Bewegung freier Ladungsträger im Vakuum 17 Starke und schwache Wechselwirkung: Atomkerne und Elementarteilchen ..........................................................208 17.1 Atomkerne ......................................................................208 17.2 Massendefekt, Kernbindungsenergie .................................................210 17.3 Radioaktiver Zerfall .............................................................. 211 17.3.1 Alphazerfall – 17.3.2 Betazerfall 17.4 Künstliche Kernumwandlungen, Kernenergiegewinnung .................................214 17.5 Elementarteilchen ................................................................219 III. Wellen und Quanten 18 Wellenausbreitung ..........................................................224 18.1 Beschreibung von Wellenbewegungen, Wellengleichung .................................224 18.2 Elastische Wellen, Schallwellen .....................................................229 18.3 Doppler-Effekt, Kopfwellen ........................................................232 19 ElektromagnetischeWellen ...................................................234 19.1 Erzeugung und Ausbreitung elektromagnetischer Wellen .................................235 19.2 Elektromagnetisches Spektrum ......................................................240 X Inhaltsverzeichnis 20 Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie ......................242 20.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Materie, Dispersion . ...........................242 20.2 Emission und Absorption des schwarzen Körpers, Planck’sches Strahlungsgesetz ......................................................245 20.3 Quantisierung des Lichtes, Photonen .................................................249 20.4 Stationäre Energiezustände, Spektroskopie ............................................252 20.5 Induzierte Emission, Laser .........................................................255 (cid:21)(cid:20)(cid:3) (cid:53)(cid:72)(cid:192)(cid:72)(cid:91)(cid:76)(cid:82)(cid:81)(cid:3)(cid:88)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:37)(cid:85)(cid:72)(cid:70)(cid:75)(cid:88)(cid:81)(cid:74)(cid:15)(cid:3)(cid:51)(cid:82)(cid:79)(cid:68)(cid:85)(cid:76)(cid:86)(cid:68)(cid:87)(cid:76)(cid:82)(cid:81)(cid:3) ..........................................258 (cid:21)(cid:20)(cid:17)(cid:20)(cid:3) (cid:53)(cid:72)(cid:192)(cid:72)(cid:91)(cid:76)(cid:82)(cid:81)(cid:15)(cid:3)(cid:37)(cid:85)(cid:72)(cid:70)(cid:75)(cid:88)(cid:81)(cid:74)(cid:15)(cid:3)(cid:55)(cid:82)(cid:87)(cid:68)(cid:79)(cid:85)(cid:72)(cid:192)(cid:72)(cid:91)(cid:76)(cid:82)(cid:81)(cid:3) ..................................................258 21.2 Optische Polarisation .............................................................262 22 Geometrische Optik .........................................................264 22.1 Optische Abbildung ...............................................................264 22.2 Abbildungsfehler .................................................................268 (cid:21)(cid:22)(cid:3) (cid:44)(cid:81)(cid:87)(cid:72)(cid:85)(cid:73)(cid:72)(cid:85)(cid:72)(cid:81)(cid:93)(cid:3)(cid:88)(cid:81)(cid:71)(cid:3)(cid:37)(cid:72)(cid:88)(cid:74)(cid:88)(cid:81)(cid:74)(cid:3). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 23.1 Huygens’sches Prinzip ............................................................270 23.2 Fraunhofer-Beugung an Spalt und Gitter ..............................................273 24 Wellenaspekte bei der optischen Abbildung .....................................277 24.1 Abbe’sche Mikroskoptheorie .......................................................277 (cid:21)(cid:23)(cid:17)(cid:21)(cid:3) (cid:43)(cid:82)(cid:79)(cid:82)(cid:74)(cid:85)(cid:68)(cid:191)(cid:72)(cid:3) ......................................................................278 25 Materiewellen ..............................................................280 25.1 Teilchen, Wellen, Unschärferelation ..................................................280 25.2 Die De-Broglie-Beziehung .........................................................281 25.3 Die Schrödinger-Gleichung .........................................................283 25.4 Elektronenbeugung, Elektroneninterferenzen ...........................................284 25.5 Elektronenoptik ..................................................................286 Literatur ........................................................................289