E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 11. Vorlesung – 24.05.2018

Prof. Dr. Jan Lipfert Jan.Lipfert@lmu.de

24.5.2018

https://xkcd.com/123/

Heute: -  1. Klausur – Ergebnisse & Tips -  Diffusion & Stofftransport -  Thermodynamische Potentiale -  Einführung & Motivation:

Elektromagnetismus!

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Ergebnisse der 1. Klausur auf der Vorlesungswebseite!

24.5.2018

Datum Vorlesung Übungen 14.5. Mo Wärmetransport + TD Potentiale*) Abgabe 5. Übungsblatt**)

15.5. Di Zentralübung: 5. Übungsblatt 12:00-14:00, Großer Physik-HS

16.5. Mi Keine Übungen (kein Vorrechnen für 5. Blatt) 17.5. Do 1. Klausur: Thermodynamik

18.5. Fr

21.5. Mo Feiertag (Pfingsten)

22.5. Di

23.5. Mi Normale Übungstermine Besprechung der Klausur 24.5. Do 1. Vorlesung Elektromagnetismus

25.5. Fr

28.5. Mo 2. Vorlesung Elektromagnetismus Ausgabe 6. Übungsblatt

29.5. Di

30.5. Mi Keine Übungen

31.5. Do Feiertag (Fronleichnam)

1.6. Fr

*)Optional für E2p **)Einige Aufgaben optional für E2p

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Tips zum Lernen

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•  Grundlage zum Nacharbeiten & zur Klausurvorbereitung: Vorlesungfolien und eigene Vorlesungsmitschrift

•  Ergänzend, für verpasste Vorlesungen, für eine andere Perspektive, für

Hintergründe oder weiterführende Themen: Lehrbücher (siehe konkrete Angaben auf der Webseite)

•  (Insbesondere) in der Physik reicht Zuhören / Nachlesen nicht aus,

Anwendung & aktives Verwenden des Stoffes in Aufgaben ist wichtig! Grundlage dafür sind die Übungsblätter & Tutorien.

•  Ergänzend und zur gezielten Klausurvorbereitung: Übungsaufgaben aus den verschiedenen Lehrbüchern (viele Bücher bieten zumindest für einen Teil der Aufgaben Lösungen an)

Lernen Sie im Team, zusammen mit Gleichgesinnten aus dem Semester!

Wiederholung: Wärmeleitung

24.5.2018

•  Fouriersches Gesetz: https://de.wikipedia.org/wiki/Joseph_Fourier

Jean Baptiste Joseph Fourier (1768 - 1830) Warmes

Reservoir Kaltes

Reservoir

x

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�Q

�t

= �� ·A · �T

�x

Substanz Wärmeleit-fähigkeit

[ W/(m·K) ] Kupfer ≈ 400

Aluminium ≈ 230

Eisen ≈ 80

Blei ≈ 35

Wasser ≈ 0,6

Luft ≈ 0,03

•  Fouriersches Gesetz, allgemein:

•  Allgemeine Wärmeleitungsgleichung

~j = ~q = �� · ~rT

@T

@t=

�

⇢ · c~r · (~rT )

Wiederholung: Wärmestrahlung

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Alle Körper mit einer Temperatur T strahlen elektromagnetische Strahlung mit einer bestimmten Intensität und einem bestimmten Spektrum ab.

•  Kirchhoffsches Strahlungsgesetz (1859) (ε = Emissionskoeffizient; α = Absorptionskoeffizient)

https://en.wikipedia.org/wiki/Gustav_Kirchhoff

Gustav Kirchhoff (1824-1887) •  Stefan-Boltzmann Gesetz (1879, 1884)

https://de.wikipedia.org/wiki/Josef_Stefan

Josef Stefan (1835 - 1893)

https://de.wikipedia.org/wiki/Ludwig_Boltzmann

Ludwig Boltzmann

(1844 - 1906)

Thermisch abgestrahlte (Gesamt-) Leistung:

Stefan-Boltzmann Konstante: σ = 5,67·10−8 W/(m2· K4)

Stefan-Boltzmann und die Temperatur der Sonne

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https://de.wikipedia.org/wiki/Josef_Stefan

Josef Stefan (1835 - 1893)

https://de.wikipedia.org/wiki/Ludwig_Boltzmann

Ludwig Boltzmann (1844 - 1906)

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Wiederholung: Wiensches und Plancksches Strahlungsgesetz

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Max Planck (1858 - 1947)

https://en.wikipedia.org/wiki/Max_Planck

•  Planksches Strahlungsgesetz (1900): Die spektrale Energiedichte (abgestrahlte Leistung pro Fläche und pro Wellenlängeninterval) des Schwarzkörpers:

•  Wiensches Verschiebungsgesetz (1893): Maximum der Strahlungsintensität des Schwarzkörpers liegt bei

Wilhelm Wien (1864 – 1928)

https://de.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_Wien

PINGO: Schwarzkörperstrahlung

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Die Oberfläche der Sonne hat eine Temperatur von ca. 6000 K und emittiert ein Schwarzkörper-Spektrum, das sein Maximum bei etwa 500 nm hat. Für einen Körper mit einer Temperatur von 300 K, wo würden Sie das Maximum der thermischen Emission erwarten?

A)  10 µm B)  100 µm C) 10 mm D) 100 mm E)  10 m

Stofftransport und Diffusion

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https://de.wikipedia.org/wiki/Diffusion

https://en.wikipedia.org/wiki/Adolf_Eugen_Fick

Adolf Fick (1829 - 1901)

CuSO4 - Diffusion

= Teilchenzahldichte

= Teilchenstromdichte n~j

Konzentrationsunterschiede führen zu einem Teilchenstrom:

Allgemeine Diffusionsgleichung

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https://en.wikipedia.org/wiki/Adolf_Eugen_Fick

Adolf Fick (1829 - 1901)

Brownsche Bewegung

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Brownsche Bewegung

Robert Brown (1773-1858)

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Robert_brown_botaniker.j

pg

Brownsche Bewegung (1827): thermische Zufallsbewegung mikroskopischer Teilchen in Flüssigkeiten und Gasen •  Quantitativ vermessen durch Wiener (1863)

und Perrin (Nobelpreis 1926) •  Theoretische Beschreibung durch Einstein (1905),

Smoluchowski (1906) & Langevin (1908)

Thermodynamische Potentiale

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Innere Energie: dU = TdS � pdV + µdN

Schroeder, „Thermal Physics“

Enthalpie:

Thermodynamische Potentiale

24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 13

https://en.wikipedia.org/wiki/Hermann_von_Helmholtz

Hermann von Helmholtz

(1821-1894)

https://en.wikipedia.org/wiki/Josiah_Willard_Gibbs

Josiah Willard Gibbs

(1839-1903)

Freie Energie (= Helmholtz Potential):

Freie Enthalpie (= Gibbs Potential):

Wärmestrahlung und „Röntgenblick“

24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 14

James Bond mit „Röntgenbrille“:

„The World Is Not Enough“, 1999 https://www.youtube.com/watch?v=Y5G5aCHDDZM

MOTIVATION

Elektromagnetismus in Alltag und Forschung

24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 15

24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 16

Elektrodynamik im Alltag

https://de.wikipedia.org/wiki/Windpark

https://en.wikipedia.org/wiki/Incandescent_light_bulb

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ commons/b/b4/Chef_Pepin_Toaster.jpg

https://de.wikipedia.org /wiki/Notebook

https://en.wikipedia.org/wiki/

Laptop_cooler

https://de.wikipedia.org/wiki/Fahrzeugbeleuchtung

https://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode https://de.wikipedia.org/wiki/Smartphone

•  Was haben dieses Strahlen/Wellen gemeinsam? •  Was unterscheidet sie?

24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 17

Elektromagnetische Wellen – von Radio bis Röntgen

https://de.wikipedia.org/wiki/Transistorradio

https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectrum

https://de.wikipedia.org/wiki/ Wilhelm_Conrad_Röntgen

Farbwahrnehmung

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/98/Aj4zRIbtYavosQ4PtWbWlIMKrel1aKPn4uxm-kqOSkFy.jpg https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/68/47-rg12.jpg

Elektrische Methoden im (Bio-)Physik Labor

Elektrochemie

https://de.wikipedia.org/wiki/Galvanotechnik

Elektrophorese

https://de.wikipedia.org/wiki/Gelelektrophorese

Elektroporation

https://bmeforum.wordpress.com/2010/02/17/electroporation-“knife-for-cancer”/

15.04.2016 Prof. Dr. Jan Lipfert 18

Elektrodynamik in der Physiologie/Biologie

15.04.2016 Prof. Dr. Jan Lipfert 19

Nervenleitung

https://de.wikipedia.org/wiki/Aktionspotential

z.B. Hodgkin-Huxley Model: Neuronen als Schaltkreise (Nobelpreis 1963)

https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrokardiogramm

Elektrokardiogramm (EKG)

Elektrische Messungen ermöglichen Einblicke in die (Patho-)physiologie des Herzens (Nobelpreis für Willem Einthoven 1924)

https://de.wikipedia.org/wiki/Patch-Clamp-Technik

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1991/

z.B. patch-clamp Technik (Nobelpreis 1991)

Ionenkanäle

•  Optische Phänomene •  Geometrische Optik •  Gerade in München: Hochpräzise Laserspektroskopie

24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 20

Elektrodynamik und Optik in Messverfahren

https://de.wikipedia.org/wiki/Regenbogen

https://de.wikipedia.org/wiki/Fluoreszenzmikroskopie

https://de.wikipedia.org/wiki/Laser

https://de.wikipedia.org/wiki/Theodor_H%C3%A4nsch

Prof. Hänsch (LMU) Physik Nobelpreis 2005

Elektrodynamik als erste Feldtheorie

r ~E =⇢

✏0r ~B = 0

r⇥ ~E = �@ ~B

@t

r⇥ ~B = µ0

~j + ✏0

@ ~E

@t

!

Maxwell-Gleichungen für das elektrische Feld E und magnetische Feld B:

James Clerk Maxwell (1831-1879)

https://de.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell

https://de.wikipedia.org/wiki/Feldlinie

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Feld: Physikalischen Größe, die jedem Punkt im Raum und in der Zeit einen Wert (Skalar, Vektor, Tensor, etc.) zuordnet.

NaCl-Kristall

+ -

+ -

H2-Molekül

24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 22

Elektrische Kräfte und der Aufbau von Materie

https://commons.wikimedia.org/wiki/ NaCl#/media/File:Halite_crystal.jpg

https://de.wikipedia.org/wiki/Natriumchlorid

Makromoleküle [Oryza sativa Lipid Transfer Protein 1 bound to Palmitic acid (black). Positive charge in blue, negative charge in red.]

https://en.wikipedia.org/wiki/Plant_lipid_transfer_proteins

Elektrostatik

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https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/67/

Thales-06.jpg

Thales von Milet, Griechenland (550 v.Chr.): Nachdem Bernstein (griechisch ηλεκτρόν) an einem trockenen Fell gerieben wurde übt er eine anziehende Kraft auf Vogelfedern oder Haare aus.

https://de.wikipedia.org/wiki/Charles_du_Fay

Charles du Fay, Frankreich (1698-1739): Zwei Arten von (Reibungs-)Elektrizität („vitreuse“ und „resineuse“, Glas und Harz) können sich gegenseitig neutralisieren.

Experiment: Statische Elektrizität mit Plastikstange

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Es gibt positive und negative Ladungen. Ladungen mit gleichem Vorzeichen stoßen sich ab, Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen ziehen sich an.

Zwei unterschiedliche Ladungen

Benjamin Franklin, U.S.A (1706-1790), sprach von „einer Ladungsart“ (einem Fluid), welche nur ihren Aufenthaltsort verändert und somit (positive oder negative) Aufladung verursacht

https://de.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Franklin

Aufladen

Ladungsverschiebung

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

+ + + +

+ + + +

+ +

+ +

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

- - - -

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- -

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- - - -

-

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

+ + + +

+ + + +

+ +

+ +

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- - -

Experiment: Vorzeichen der Ladung

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Elektrische Kräfte

Experiment: Reibungselektrizität

https://de.wikipedia.org/wiki/Elektroskop