Ekbert Hering I Rolf Martin I Martin Stohrer · Physik für Ingenieure

Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Ekbert Hering · Rolf Martin · Martin Stohrer

Physik für Ingenieure ?.Auflage mit 775 Abbildungen und 102 Tabellen

Springer

Prof. Dr. rer. nat. Dr. rer. pol. Ekbert Hering Fachhochschule Aalen

Prof. Dr. rer. nat. Rolf Martin Fachhochschule Esslingen

Prof. Dr. rer. nat. Martin Stohrer Fachhochschule für Technik Stuttgart

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ISBN 978-3-662-09317-7

Die Deutsche Bibliothek- CIP-Einheitsaufnahme

Hering, Ekbert: Physik für Ingenieure I Ekbert Hering ; Rolf Martin ; Martin Stohrer. - 7. Aufl.

(Springer-Lehrbuch) ISBN 978-3-662-09317-7 ISBN 978-3-662-09316-0 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-09316-0

NE: Martin, Rolf:; Stohrer, Martin:

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©Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1999 Softcover reprint of the hardcover 7th edition 1999 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.

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Zum Geleit

Physikalische Grundlagen sind für den Ingenieur unerläßlich, weil sie sowohl prinzipielle Grenzen aufzeigen als auch eine klare Orientierung im schneller werdenden technischen Wandel bieten. Quantentheorie und Festkörperphysik sind derzeit die Schrittmacher des technischen Fortschritts; deshalb wird ihnen in diesem Buch der gebührende Platz eingeräumt. Mein Wunsch ist, daß die Erkenntnisse aus der physikalischen Grundlagenforschung einen erkennbaren praktischen Nutzen zeigen. So wie der Quanten-Hall-Effekt nicht nur die physikalischen Grundlagen gefördert hat, sondern auch in der Präzisionsmeßtechnik als Widerstandsnormal von Bedeutung ist, sollte die Ver­bindung zwischen physikalischen Grundlagen und ingenieurmäßiger Umsetzung enger und effektiver werden. Möge dieses Buch einen Beitrag dazu leisten. Prof Dr. Klaus von Klitzing

Nobelpreisträger der Physik /985

Vorwort zur siebenten überarbeiteten Auflage

In der siebenten Auflage wurden das bewährte strukturierte Konzept und der praxisorientierte Inhalt dieses Lehrwerkes beibehalten. Alle Bilder und Tabellen wurden aktualisiert, die neuesten CODATA-Werte für die Naturkonstanten angegeben und in manchen Teilen auf klarere Formu­lierungen geachtet. Die Strömungslehre wurde praxisnah ergänzt. Neu überarbeitet wurde der Abschnitt des Quanten-Hall-Effektes. Hier wurden die neuesten Erkenntnisse gebrochener Quantenzahlen eingearbeitet. Ebenfalls aktualisiert wurde der Abschnitt über Supraleiter. Dank sagen möchten wir hier vor allem Herrn Dr. H v. Riedesel und Herrn T. Lehnert vom Springer­Verlag für die kompetente Betreuung des Werkes und Frau R. Peters der Firma ProduServ für die professionelle Grafik-Gestaltung der komplizierten Bilder. Wir legen großen Wert darauf, Anre­gungen, Neuerungen und Verbesserungen in fast allen Abschnitten einzuarbeiten. Besonders gefreut haben wir uns über die sehr positive Resonanz zu diesem Buch und die vielen ermun­ternden Zuschriften und Verbesserungsvorschläge von Studenten, Kollegen und Mitarbeitern aus den Unternehmen. Stellvertretend für alle, die dieses Werk verbessern halfen, möchten wir nen­nen: Herrn Magister K. Motz für das Durchrechnen der Übungsaufgaben, Hern H D. Rüter von der Universität Harnburg fiir die kritische Durchsicht der Quantenmechanik, sowie Herrn Prof. Dr. J. de Boer, Herrn Prof. Dr. K. E. G. Löbner und Herrn Prof. Dr. K. -H Speidei von der Techni­schen Universität München fiir ihre intensive Mitarbeit. Dank sagen wir den Herren Prof. Dr. P. Paufler (Technische Universität Dresden), Prof. Dr. 0. Krisch (Fachhochschule Gießen-Fried­berg) und Herrn Dr. G. Wittek (Fachhochschule Kiel) für ihre Anregungen und unseren Kollegen Prof. Dr. J. Massig und Herrn Prof. Dr. D. Weber von der Fachhochschule Aalen fiir die ständige, kritische Begleitung.

Sehr gerne nehmen wir konstruktive Hinweise aus dem sachkundigen Leserkreis auf.

Aalen, Esslingen und Stuttgart Juli 1999

Ekbert H_ering RolfMartin

Martin Stohrer

VI Vorwort

Vorwort zur ersten Auflage

Das vorliegende Lehrbuch gibt eine Einführung in die physikalischen Grundlagen der Inge­nieurwissenschaften. Es ist das Anliegen des Buches, eine Brücke zu schlagen zwischen grundle­genden physikalischen Effekten und den Anwendungsfeldern der Ingenieurpraxis. Es ist deshalb selbstverständlich, daß ausschließlich SI-Maßeinheiten verwendet werden und in den entspre­chenden Abschnitten auf DIN- bzw. ISO-Normen hingewiesen wird. Bei der Stoffauswahl sind besonders die modernen Teilgebiete berücksichtigt, wie beispielsweise Festkörperphysik (ein­schließlich Halbleiterphysik und Optoelektronik), technische Akustik, Lasertechnik, Hologra­phie, Klimatechnik und Wärmeübertragung sowie in der Atom- und Kernphysik der quantisier­te Hall-Effekt. Ein Sonderabschnitt Strahlenschutz informiert über die Strahlenbelastung aus Kernkraftwerken, über die physikalische und biologische Wirksamkeit radioaktiver Stoffe, die Strahlenmeßtechnik sowie über die neuen gesetzlichen Vorschriften zum Strahlenschutz. Zum mathematischen Verständnis sind die Verfahren der Differential-, Integral- und Vektor­rechnung notwendig; allerdings sind die entsprechenden Herleitungen so ausführlich, daß auch der Leser mit geringen Vorkenntnissen zu folgen vermag. Das Buch ist so konzipiert, daß es sich nicht nur an Studenten wendet, sondern auch praktizierenden Ingenieuren die physikalischen Grundlagen zur Einarbeitung in neue Fachgebiete und zur Weiterbildung liefert. Somit ist es auch eine Basis für eine Aexible berufliche Entwicklung. Im ersten Abschnitt sind die Methode physikalischen Erkennens und der Aufbau der Physik er­läutert. Die Physik soll in ihren Zusammenhängen begriffen und nicht als bloße Aneinanderrei­hung spezieller physikalischer Gesetze mißdeutet werden. Der Stoff ist in die Abschnitte Mech­anik, Thermodynamik, Elektrizität und Magnetismus, Schwingungen und Wellen, Optik, Aku­stik, Atom- und Kernphysik, Festkörperphysik sowie Relativitätstheorie eingeteilt. Jedem Ab­schnitt ist ein Strukturbild vorangestellt, das die jeweiligen Teilbereiche und ihre gesetzmäßigen Zusammenhänge aufzeigt. Damit soll das Denken in Zusammenhängen gefördert und den De­tails ihren Platz im Gesamtgefüge zugewiesen werden. Übergreifende Darstellungen (z. B. beim Feldbegriff in der Mechanik, Thermodynamik und Elektrizitätslehre) sollen dem Leser darüber hinaus das universelle Denkkonzept der Physik vor Augen führen. Komplizierte Zusammenhän­ge sind in zweifarbigen Skizzen oder durch Rechnerausdrucke veranschaulicht; zahlreiche Bil­der aus der Technik vermitteln einen aktuellen Praxisbezug. Um zu zeigen, wie sich die physikalische Erkenntnis durch die Genialität einzelner Physiker sprunghaft entwickelt hat, sind in den entsprechenden Abschnitten die Meilensteine der Physik und ihre Wegbereiter genannt und im Anhang die Physik-Nobelpreisträger aufgeführt. Zur Vertiefung des Verständnisses enthalten viele Unterabschnitte aus der Ingenieurpraxis stam­mende Berechnungsbeispiele. Aufgaben (mit Lösungen im Anhang) ermöglichen es dem Leser, selbst den Stoff zu üben und sein physikalisches Wissen zu vertiefen. Um alternative Fragestel­lungen zu untersuchen und physikalische Sachverhalte graphisch zu veranschaulichen, wurden programmierbare Rechner verwendet. Den Firmen Casio und Sharp, insbesondere den Herren Newerkla und Wachter, möchten wir für die Bereitstellung programmierbarer Taschenrechner danken. Wir danken unseren akademischen Lehrern und Vorbildern, die uns zur physikalischen Erkennt­nis geführt haben, vor allem den Professoren V. Dehlinger, H. Haken, M. Pi/kulm, A. Seeger und C. F. von Weizsäcker. Für konstruktive Kritik bedanken wir uns bei unseren Kollegen H. Bauer, M. Käß, P. Kleinheins, G. Kneer, J. Linser und R. Schempp. Frau G. Folz und den Herren K. Schmid und A. Plath danken wir für ihre tatkräftige Mithilfe. Der Unterstützung vieler Firmen ist es zu verdanken, daß aktuelles Anschauungsmaterial bereitgestellt werden konnte. Hierbei sind besonders folgende Firmenmitarbeiter zu erwähnen: B. 1mb (BBC), P. Gradischnig (BMW), D. Stöcke! und P. Tautzenberger (Rau), M. Mayer (Osram), F. Schreiber (Siemens), H. Garreis

Vorwort VII

(Varta) und H. Schweikart (Voith). Ganz besonderer Dank gebührt dem VDI-Verlag, speziell Herrn Dipl.-Ing. H. Kurt, der das Lektorieren übernahm und für die reibungslose Abwicklung in erfreulicher Atmosphäre sorgte. Dabei wurde er in den Abschnitten 2, 3 und 6 von Professor F. Hell in besonders sachkundiger Weise unterstützt. Zuletzt möchten wir unseren Familien für ih­re Geduld, ihre moralische Unterstützung und ihr großes Verständnis danken. Wir hoffen, daß dieses Buch den Ingenieurstudenten eine gute Hilfe beim Erarbeiten physikali­scher Zusammenhänge und den Ingenieuren in der Praxis ein brauchbares Nachschlagewerk ist. Gern nehmen wir Kritik und Verbesserungsvorschläge entgegen.

Aalen, Esslingen und Stuttgart, Januar 1988

Ekbert Hering Rolf Martin Martin Stohrer

Inhalt

Verwendete physikalische Symbole

1. Einführung

1.1. Physikalischer Erkenntnisprozeß

1.2. Bereiche der physikalischen Erkenntnis

1.3. Physikalische Größen . . . . . 1.3.1. Definition und Maßeinheit 1.3.2. Meßgenauigkeit 1.3.3. Fehlerfortpflanzung 1.3.4. Kurvenanpassung 1.3.5. Ausgleichsgeradenkonstruktion 1.3.6. Korrelationsanalyse

2. Mechanik .

2.1. Einführung 2.2. Kinematik des Punktes

2.2.1. Eindimensionale Kinematik 2.2.1.1. Geschwindigkeit . . 2.2.1.2. Beschleunigung . . . . . 2.2.1.3. Einfache Spezialfälle 2.2.2. Dreidimensionale Kinematik 2.2.2.1. Ortsvektor und Bahnkurve 2.2.2.2. Geschwindigkeitsvektor 2.2.2.3. Beschleunigungsvektor 2.2.3. Kreisbewegungen

2.3. Grundgesetze der klassischen Mechanik 2.3.1. Konzept der klassischen Dynamik 2.3.2. Die Newtonsehen Axiome 2.3.3. Masse 2.3.4. Kraft . . . . . . . . .

2.4. Dynamik in bewegten Bezugssystemen 2.4.1. Relativ zueinander geradlinig bewegte Bezugssysteme 2.4.2. Gleichförmig rotierende Bezugssysteme

2.5. Impuls 2.5.1. 2.5.2. 2.5.2.1. 2.5.2.2. 2.5.2.3. 2.5.3.

Impuls eines materiellen Punktes Impuls eines Systems materieller Punkte Impulssatz . . . . . . . . . . . . Massenmittelpunkt und Schwerpunktsatz Impulserhaltungssatz Raketengleichung . . . . . . . . .

XIX

2

5 5 9

13 13 15 16

19

19 19 19 19 22 24 25 25 25 26 28

31 31 31 32 33

37 37 39

42 42 43 44 44 45 45

X Inhalt

2.6. Arbeit und Energie . . . . . . 2.6.1. Arbeit . . . . . . 2.6.2. Leistung, Wirkungsgrad 2.6.3. Energie . . . . . . 2.6.4. Energieerhaltungssatz

2.7. Stoßprozesse . . . . . . . 2.7.1. Übersicht und Grundbegriffe 2. 7.2. Gerader, zentraler, elastischer Stoß 2. 7.3. Gerader, zentraler, in elastischer Stoß 2.7.4. Schiefe, zentrale Stöße 2.7.4.1. Elastische Stöße 2.7.4.2. Inelastische Stöße

2.8. Drehbewegungen 2.8.1. Drehmoment 2.8.2. Newtonsches Aktionsgesetz der Drehbewegung 2.8.2.1. Drehimpuls eines materiellen Punktes . . . . 2.8.2.2. Dynamisches Grundgesetz der Rotation . . . 2.8.3. Arbeit, Leistung und Energie bei der Drehbewegung 2.8.4. Drehbewegungen von Systemen materieller Punkte 2.8.4.1. Drehimpulssatz 2.8.4.2. Drehimpulserhaltungssatz . . . . 2.8.4.3. Energieerhaltungssatz . . . . . 2.8.5. Analogie Translation und Rotation

2.9. Mechanik starrer Körper . . . . . . 2.9.1. Freiheitsgrade und Kinematik 2.9.2. Kräfte am starren Körper 2.9.3. Schwerpunkte und potentielle Energie eines starren Körpers 2.9.4. Kinetische Energie eines starren Körpers 2.9.5. Massenträgheitsmomente starrer Körper 2.9.6. Kreisel

2.10. Gravitation 2.10.1. Beobachtungen 2.1 0.2. N ewtonsches Gravitationsgesetz 2.1 0.3. Hubarbeit und potentielle Energie

47 47 50 51 51

52 52 53 55 56 56 57

58 58 59 59 59 60 61 61 61 63 63

63 64 65 67 68 70 74

79 79 81 83

2.11. Mechanik deformierbarer Körper 84

2.11.1. Deformierbarer fester Körper 84

2.11.1.1. Elastische Verformung 85

2.11.1.2. Plastische Verformung 92

2.11.1.3. Härte fester Körper 94

2.11.2. Ruhende Flüssigkeiten (Hydrostatik) und Gase (Aerostatik) 96

2.11.2.1. Druck . . . . . . . . . . 96

2.11.2.2. Kompressibilität . . . . . . 98

2.11.2.3. Raumausdehnungskoeffizient 99

2.11.2.4. Schweredruck . . . I 00

2.11.2.5. Auftrieb . . . . . . . . . 102

2.11.2.6. Grenzflächeneffekte I 04

2.11.3. Fluide- Strömende Flüssigkeiten (Hydrodynamik) und Gase (Aerodynamik). I 07

2.11.3.1. Strömungsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

2011.3020 Grundgleichungen idealer (reibungsfreier) Strömungen 2011.3.30 Strömungen realer Flüssigkeiten und Gase 2011.3.40 Anwendungen 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

3. Thermodynamik

301. Grundlagen 0 0 301.1. Einführung 301020 Thermodynamische Grundbegriffe 301.30 Temperatur 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 301.40 Thermische Ausdehnung 301050 Allgemeine Zustandsgleichung idealer Gase

3020 Kinetische Gastheorie 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 30201. Gasdruck 0 0 . 0 0 0 0 0 0 0 0 302020 Thermische Energie und Temperatur 302.30 Geschwindigkeitsverteilung der Gasmoleküle

3o3o Hauptsätze der Thermodynamik 0 0 0 0 0 0 3o3o1o Wärme 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 303020 Erster Hauptsatz der Thermodynamik 303.30 Berechnung der Wärmekapazitäten 0 3.3.40 Spezielle Zustandsänderungen idealer Gase 303.401. Isotherme Zustandsänderung 3.3.4020 Isochore Zustandsänderung 3.3.4030 Isobare Zustandsänderung 0 303.4.40 lsentrope Zustandsänderung 3o3.4o5o Polytrope Zustandsänderung 303.50 Kreisprozesse 0 0 0 0 0 30305010 Camotscher Kreisprozeß 3.305020 Technische Kreisprozesse 3.3060 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik 30306010 Reversible und irreversible Prozesse 3.306020 Formulierungen des zweiten Hauptsatzes 30306030 Entropie 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3.306.40 Statistische Deutung der Entropie 3.3070 Thermodynamische Potentiale 0 303080 Dritter Hauptsatz der Thermodynamik

3.40 Zustandsänderungen realer Gase 0 0 0 0 0 0 0 30401. Van-der-Waalssche Zustandsgleichung 3.4020 Gasverflüssigung (Joule-Thomson-Effekt) 3.4.30 Phasenumwandlungen 0 0 0 0 0 0 0 0 3.4.3010 Thermodynamisches Gleichgewicht 3.403020 Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase 3.4.3030 Gleichgewicht zwischen fester und flüssiger Phase 30403040 Koexistenz dreier Phasen 3.4.40 Dämpfe und Luftfeuchtigkeit

3050 Wärmeübertragung 305010 Wärmeleitung 305020 Konvektion 0

Inhalt XI

109 120 133

140

140 140 140 143 147 149

151 151 153 154

156 156 159 162 165 165 166 167 167 169 171 172 176 180 180 181 182 185 187 188

189 190 192 193 195 196 198 198 199

203 204 208

XII Inhalt

4.

4.1.

4.2.

4.3.

3.5.3. 3.5.4.

Wärmestrahlung . Wärmedurchgang

Elektrizität und Magnetismus

Physikalische Gesetze und Definitionen 4.1.1. Ladung . . 4.1.2. Stromstärke . . . . . . 4. 1.3. Spannung . . . . . . . 4.1.4. Widerstand und Leitwert 4.1.5. Ohmsches Gesetz 4.1.6. Kirchhoffsche Regeln im verzweigten Stromkreis 4.1.7. Schaltung von Widerständen . 4.1.8. Meßbereichserweiterung . . . . . . . . 4.1.9. Ausgewählte Meßanordnungen . . . . . 4.1.1 0. Klemmenspannung und innerer Widerstand 4.1.11. Schaltung von Spannungsquellen . . . . 4.1.12. Elektrische Leistung und elektrische Arbeit

Ladungstransport in Flüssigkeiten und Gasen 4.2.1. Ladungstransport in Flüssigkeiten 4.2.1.1. Dissoziation und Elektrolyse . . . 4.2.1.2. Faradaysche Gesetze ..... . 4.2.1.3. Elektrochemische Spannungsquellen 4.2.1.4. Elektrokinetische Vorgänge 4.2.2. Ladungstransport im Vakuum und in Gasen 4.2.2.1. Ladungstransport im Vakuum 4.2.2.2. Ladungstransport in Gasen 4.2.3. Plasmaströme

Elektrisches Feld . . . 4.3.1. Allgemeiner Feldbegriff 4.3.2. Beschreibung des elektrischen Feldes 4.3.3. Elektrische Feldstärke und Kraft 4.3.4. Elektrische F eidstärke und elektrostatisches Potential 4.3.5. Bewegung geladener Teilchen im elektrischen Feld 4.3.5.1. Grundlegende Betrachtungen . . . . . . . . . . 4.3.5.2. Bewegung eines geladenen Teilchens quer zum elektrischen Feld 4.3.5.3. Bewegung eines geladenen Teilchens parallel zum elektrischen Feld 4.3.5.4. Elektronenstrahl-Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5.5. Bewegung elektrisch geladener Körper in einer Flüssigkeit und im

elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.6. Leiter im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.6.1. Elektrische Influenz, elektrische Verschiebungsdichte und elektrische

4.3.6.2. 4.3.7.

4.3.8.

Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensator und Kapazität . . . . . . . . . . . . . . Nichtleiter im elektrischen Feld, elektrische Polarisation und Permittivitätszahl . . . . . . . . Energieinhalt des elektrischen Feldes

4.4. Magnetisches Feld . . . . . . . . . . . . 4.4.1. Beschreibung des magnetischen Feldes

214 217

220

221 221 223 224 225 228 228 230 232 234 235 236' 238

240 240 240 241 243 248 250 250 251 256

257 257 258 259 260 264 264 266 267 267

268 269

269 272

276 285

286 286

4.4.2. 4.4.3. 4.4.3.1. 4.4.3.2. 4.4.4. 4.4.4.1. 4.4.4.2. 4.4.4.3.

Magnetische Feldstärke und Durchflutungsgesetz . . . . . Magnetische Flußdichte und Kraftwirkungen im Magnetfeld Magnetischer Fluß, magnetische Flußdichte Kraftwirkungen im Magnetfeld Materie im Magnetfeld Grundbegriffe . . . . Stoffmagnetismus Magnetische Werkstoffe

4.5. Instationäre Felder . . . . . . 4.5.1. Elektromagnetische Induktion 4.5.1.1. Induktionsgesetz . . . . . . 4.5.1.2. Induktionsvorgänge 4.5.1.3. Selbstinduktion . . . . . . 4.5.1.4. Energie des magnetischen Feldes 4.5.2. Periodische Felder (Wechselstromkreis) 4.5.2.1. Grundlagen des Wechselstromkreises . 4.5.2.2. Bauelemente im Wechselstromkreis . . 4.5.2.3. Reihenschaltung von Bauelementen im Wechselstromkreis 4.5.2.4. Parallelschaltung von Bauelementen im Wechselstromkreis 4.5.2.5. Leistung im Wechselstromkreis 4.5.2.6. Drehstrom . . . . . . . . . . . 4.5.2.7. Transformation von Wechselströmen 4.5.2.8. Elektrische Maschinen . . . . . . 4.5.3. Ein- und Ausschaltvorgänge in Stromkreisen 4.5.3.1. Ein- und Ausschalten mit einem Kondensator 4.5.3.2. Ein- und Ausschalten mit einer Induktivität 4.5.4. Meßgeräte . . . . . . . . . . . . . . 4.5.5. Zusammenhang elektrischer und magnetischer Größen 4.5.5.1. Vergleich elektrischer und magnetischer Größen 4.5.5.2. Maxwellsehe Gleichungen . . . . . . . . . . . .

Inhalt XIII

287 292 292 293 300 300 301 306

312 312 312 313 316 317 318 319 320 320 323 323 326 327 328 331 331 332 334 338 338 340

5. Schwingungen und Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

5.1. Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 5.1.1. Physikalische Grundlagen schwingungsfähiger Systeme 343 5.1.2. Freie Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 5.1.2.1. Differentialgleichung des ungedämpften Feder-Masse-Systems 347 5.1.2.2. Allgemeine Differentialgleichung der freien, ungedämpften harmonischen

Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 5.1.2.3. Differentialgleichungen und Lösungen spezieller mechanischer

Schwingungssysteme . . . . . . . . . . . . . . 350 5.1.2.4. Gesamtenergie der freien, ungedämpften Schwingung 354 5.1.2.5. Elektromagnetische Schwingung . . . . . 355 5.1.2.6. Freie gedämpfte Schwingung . . . . . . 358 5.1.2.7. Gedämpfte elektromagnetische Schwingung 363 5.1.3. Erzwungene Schwingung . . . . . . . . 365 5.1.3.1. Differentialgleichung der erzwungenen Schwingung 365 5.1.3.2. Lösung der Differentialgleichung der erzwungenen gedämpften

Schwingung . . . . . . . 365 5.1.3.3. Amplitudenresonanzfunktion 367 5.1.3.4. Phasenresonanzfunktion 369

XIV Inhalt

5.1.4. 5.1.4.1.

5.1.4.2.

5.1.4.3.

5.1.4.4.

5.1.5.

5.1.6. 5.1.7.

5.2. Wellen 5.2.1. 5.2.2. 5.2.2.1. 5.2.2.2. 5.2.2.3. 5.2.3. 5.2.4. 5.2.4.1. 5.2.4.2. 5.2.4.3. 5.2.4.4.

Überlagerung von Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . Überlagerung harmonischer Schwingungen gleicher Raumrichtung und ~~eicher Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uberlagerung harmonischer Schwingungen gleicher Raumrichtung mit ~~ringen Frequenzunterschieden (Schwebung) . . . . . . . . . . Oberlagerung harmonischer Schwingungen gleicher Raumrichtung mit ganzzahligen Frequenzverhältnissen (Fourier-Analyse) . . . . . . Überlagerung harmonischer Schwingungen mit ganzzahligem Frequenzverhältnis, die senkrecht zueinander schwingen (Lissajous-Figuren) Schwingungen mit mehreren Freiheitsgraden (gekoppeltes Schwingungssystem) . . . . . . . Nichtlineare Schwinger . . . . . Parametrisch erregte Schwingungen

Physikalische Grundlagen der Wellenausbreitung Harmonische Weilen . . . . . . . . . . . . Mathematische Beschreibung harmonischer Wellen Energietransport . . . Phasengeschwindigkeit Doppler-Effekt Interferenz . . . . . Überlagerung von Wellen gleicher Frequenz Stehende Wellen . . . . . . . . . . . . Beugung ................. . Überlagerung von Wellen unterschiedlicher Frequenz

6. Optik

6.1. Einführung

6.2. Geometrische Optik 6.2.1. Lichtstrahlen 6.2.2. Reflexion des Lichtes 6.2.2.1. Reflexion an ebenen Flächen 6.2.2.2. Reflexion an gekrümmten Flächen 6.2.3. Brechung des Lichtes . . . . . . 6.2.3.1. Brechung an ebenen Grenzflächen 6.2.3.2. Brechung an einem Prisma 6.2.3.3. Brechung an Kugelflächen 6.2.4. Abbildung durch Linsen 6.2.4.1. Dünne Linsen 6.2.4.2. Dicke Linsen 6.2.4.3. Linsensysteme 6.2.5. Blenden im Strahlengang 6.2.6. Abbildungsfehler 6.2.7. Optische Instrumente . 6.2.7.1. Das menschliche Auge 6.2.7.2. Lupe ... 6.2.7.3. Mikroskop 6.2.7.4. Fernrohr 6.2.7.5. Photoapparat

370

370

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376

378 381 382

382 382 386 386 386 387 390 392 392 394 397 399

402

402

403 403 404 404 405 409 409 413 416 418 418 422 424 425 426 426 426 429 430 431 434

6.3. Photometrie . . . . . . . . . . . . . 6.3.1. Einführung . . . . . . . . . 6.3.2. Strahlungsphysikalische Größen 6.3.3. Lichttechnische Größen

6.4. Wellenoptik . . . . . . . . . 6.4.1. Interferenz und Beugung 6.4.1.1. Kohärenz . . . . . . 6.4.1.2. Interferenzen an dünnen Schichten 6.4.1.3. Interferometer . . . . . . . . . 6.4.1.4. Beugung am Spalt . . . . . . . 6.4.1.5. Auflösungsvermögen optischer Instrumente 6.4.1.6. Beugung am Gitter . . . . . . . 6.4.1. 7. Spektralapparate . . . . . . . 6.4.1.8. Röntgenbeugung an Kristallgittern 6.4.1.9. Holographie 6.4.2. Polarisation des Lichtes . . . . . 6.4.2.1. Einführung . . . . . . . . . . 6.4.2.2. Erzeugung von polarisiertem Licht 6.4.2.3. Technische Anwendungen der Doppelbrechung 6.4.2.4. Optische Aktivität

6.5. Quantenoptik . . . . . . 6.5.1. Lichtquanten 6.5.1.1. Lichtelektrischer Effekt 6.5.1.2. Compton-Effekt 6.5.2. Dualismus Teilchen-Welle 6.5.3. Wärmestrahlung . . 6.5.4. Laser . . . . . . 6.5.5. Materiewellen . . . 6.5.5.1. De-Broglie-Beziehung 6.5.5.2. Heisenbergsche Unschärferelation

7. Akustik ..

7.1. Einführung

7.2. Schallwellen 7.2.1. Schallausbreitung 7.2.2. Schallwandler . . 7.2.3. Schallwellen an Grenzflächen

7.3. Schallempfindung . . . . . . 7.3.1. Physiologische Akustik 7.3.2. Musikalische Akustik

7.4. Technische Akustik 7.4.1. Raumakustik 7.4.2. Luftschalldämmung 7.4.3. Körperschalldämmung 7 .4.4. Strömungsgeräusche 7.45. Ultraschall . . . . .

Inhalt XV

435 435 436 441

444 444 444 446 450 452 455 456 459 462 465 468 468 470 473 475

477 477 477 479 481 482 483 486 486 488

490

490

490 490 495 499

504 504 507

510 510 512 513 516 517

XVI Inhalt

8. Atom- und Kernphysik

8.1. Bohrsches Atommodell 8.1.1. Optisches Spektrum des Wasserstoffatoms 8.1.2. Bohrsehe Postulate . . . . . . . . . . 8. 1.3. Quantenbedingungen nach Bohr/Sommerfeld

8.2. Quantentheorie . . . . . . . 8.2.1. Hamilton-Operator 8.2.2. Schrödinger-Gleichung 8.2.3. Unschärferelation 8.2.4. Quantenmechanik des Wasserstoffatoms 8.2.5. Quanten-Hall-Effekt . . . . . . . . 8.2.5.1. Freies Elektron im Magnetfeld ( quantenmechanisch) 8.2.5.2. Quanten-Hall-Effekt 8.2.6. Tunnelmikroskop

8.3. Bahn- und Spinmagnetismus 8.3.1. Zeeman- und Stark-Effekt 8.3.2. Elektronen- und Kernspinresonanz

8.4. Systematik des Atombaus . . . . . 8.4.1. Periodensystem der Elemente 8.4.2. Aufbau der Elektronenhülle

8.5. Röntgenstrahlung . . . . . . . . 8.5.1. Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung 8.5.2. Absorption von Röntgenstrahlung, Computertomographie

8.6. Molekülspektren . . . . . . . . . . . 8.6.1. Potentialkurve . . . . . . . . 8.6.2. Rotations-Schwingungs-Spektrum 8.6.3. Raman-Effekt

8.7. Aufbau der Atomkerne 8.7.1. Größe und Ladungsverteilung 8.7.2. Kernmodelle 8.7.2. I. Tröpfchenmodell 8. 7.2.2. Schalenmodell

8.8. Kernumwandlung 8.8.1. Radioaktiver Zerfall 8.8.1.1. Strahlenarten 8.8.1.2. Zerfallsreaktionen 8.8.1.3. Radioaktives Zerfallsgesetz 8.8.1.4. Messung ionisierender Strahlung 8.8.1.5. Anwendung radioaktiver Stoffe 8.8.2. Kernreaktionen 8.8.2. I. Energetik . . . . . . . . . 8.8.2.2. Wirkungsquerschnitt 8.8.3. Kernspaltung und Kernreaktoren 8.8.3.1. Kernspaltung 8.8.3.2. Kernreaktoren . . . . . . . .

519

520 520 522 524

525 525 528 533 537 541 541 543 546

548 549 549

553 553 553

555 555 556

558 558 560 562

563 563 565 567 570

573 573 573 573 576 578 581 586 587 588 590 590 592

8.8.3.3. 8.8.4. 8.8.4.1. 8.8.4.2.

Reaktortypen Kernfusion Fusionsreaktion Experimente zur kontrollierten Kernfusion

8.9. Elementarteilchen 8.9.1. Einteilung 8.9.2. Erhaltungssätze 8.9.3. Fundamentale Wechselwirkungen

8.10. Strahlenschutz . . . . . . . . . . . . 8.10.1. Wechselwirkung der Strahlung mit Materie 8.1 0.2. Dosisgrößen . . . . . . . . . 8.10.3. Biologische Wirkung der Strahlung 8.1 0.4. Dosismessung . . . . . . 8.1 0.5. Strahlenschutzmaßnahmen

9. Festkörperphysik . .

9.1. Struktur fester Körper 9.1.1. Kristallbindungsarten 9.1.1.1. Van-der-Waalssche Bindung 9.1.1.2. Kavalente (homöopolare) Bindung 9.1.1.3. Ionenbindung 9.1.1.4. Metallische Bindung 9.1.2. Kristalline Strukturen 9.1.2.1. Kristallsysteme 9.1.2.2. Dichteste Kugelpackungen 9.1.2.3. Richtungen und Ebenen im Kristallgitter 9.1.3. Gitterfehler 9.1.3.1. Punktfehler . 9.1.3.2. Linienfehler . 9.1.3.3. Flächenfehler 9.1.4. Amorphe Werkstoffe 9.1.5. Makromolekulare Festkörper 9.1.5.1. Struktur und Eigenschaften der Polymerwerkstoffe 9.1.5.2. Spezielle Eigenschaften der Polymerwerkstoffe 9.1.6. Ausgewählte Werkstoffe 9.1.6.1. Verbundwerkstoffe . . . . . 9.1.6.2. Formgedächtnis-Legierungen 9.1.7. Flüssigkristalle 9.1.7.1. Aufbau und Struktur 9.1.7.2. Eigenschaften 9.1.7.3. Anwendungsbereiche

9.2. Elektronen in Festkörpern . . 9.2.1. Energiebänder-Modell 9.2.2. Metalle . . 9.2.3. Halbleiter 9.2.3.1. Eigenleitung 9.2.3.2. Störstellenleitung 9.2.3.3. pn-Übergang

Inhalt XVII

594 596 596 599

601 603 607 608

610 610 618 622 625 627

633

633 633 633 634 634 635 636 636 637 638 639 639 639 641 641 642 643 644 646 646 650 652 652 653 653

654 654 657 662 663 665 667

XVIII Inhalt

9.2.3.4. 9.2.4.

Transistor Supraleitung

671 674

9.3. Thermodynamik fester Körper 678 9.3.1. Gitterschwingungen 678 9.3.1.1. Schwingende Gitterbausteine und Phononen 678 9.3.1.2. Molare und spezifische Wärmekapazität . . 681 9.3.1.3. Wärmeleitfahigkeit . . . . . . . . . . 683 9.3.2. Effekte im Zusammenhang mit Wärmefluß und elektrischem Strom 685 9.3.2.1. Galvanomagnetische und thermomagnetische Effekte 685 9.3.2.2. Thermoelektrische Effekte 686 9.3.3. Piezoelektrizität . . . . . . . 688

9.4. Optoelektronische Halbleiter-Bauelemente 690 9.4.1. Strahlungsquellen 690 9.4.1.1. Lumineszenzdioden 690 9.4.1.2. Halbleiterlaser 691 9.4.2. Ernpfauger 693 9.4.2.1. Absorption elektromagnetischer Strahlung 693 9.4.2.2. Photowiderstand 694 9.4.2.3. Photodioden 695 9.4.2.4. Phototransistor 698

10. Spezielle Relativitätstheorie 699

1 0.1. Relativität des Bezugssystems

I 0.2. Lorentz-Transformation

10.3. Relativistische Effekte I 0.3.1. Längenkontraktion 10.3.2. Zeitdilatation 10.3.3. Relativistische Addition der Geschwindigkeiten

10.4. Relativistische Dynamik

10.5. Spezielle Relativitätstheorie in der Elektrodynamik 10.5.1. Elektrodynamische Kraft 10.5.2. Doppler-Effekt des Lichtes . . . . . .

11. Anhang ......... .

11.1. Lösungen der Übungsaufgaben

11.2. Nobelpreisträger der Physik

699

701

703 703 703 705

705

708 708 709

712

712

717

12. Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724

13. Periodensystem der Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745

Verwendete physikalische Symbole (Symbole, die in nachfolgenden Abschnitten die gleiche Bedeutung haben, sind nur einmal angegeben.)

2. Mechanik

A Fläche a Beschleunigung c Federkonstante; Lichtgeschwindigkeit;

Schallgeschwindigkeit CA Auftriebsbeiwert co Druckwiderstandsbeiwert CM Momentenbei wert cw Widerstandsbeiwert c* Riebtmoment d Abstand; Dickenänderung E Energie; Elastizitätsmodul e Einheitsvektor F Kraft Fr Froudezahl G Schubmodul G Gravitationsfeldstärke g Fallbeschleunigung H Fallhöhe; Förderhöhe h Höhe I Flächenträgheitsmoment J Massenträgheitsmoment j Transportflußdichte; Massenstromdichte K Kompressionsmodul k Rauhigkeit L Drehimpuls I Länge M Drehmoment Ma Machsehe Zahl m Masse rn Massenstrom n Drehzahl p Leistung p Impuls p Druck; Anteil Q Förderstrom (Pumpen);

Volumenstrom (Turbinen) R Gaskonstante; Krümmungsradius

3. Thermodynamik

Temperaturleitfähigkeit Wärmekapazität, molare bzw. spezifische Wärmekapazität isobare molare bzw. isobare spezifische Wärmekapazität isochore molare bzw. isochore spezifische Wärmekapazität Strahlungsaustauschkoeffizient Schallgeschwindigkeit

r Re s s T t V v V

w w

(1.

ß r y

Yo L1 e

" 9 X

A. J1 V

Q (J

r r!J rp

'Po (JJ

f

Ortsvektor Reynoldszahl Ortskoordinate Weg; Bogenlänge Kelvin-Temperatur; Periodendauer Zeit Volumen Volumenstrom Geschwindigkeit Arbeit spezifische (massebezogene) Arbeit

Durchflußzahl; Kontraktionszahl; Winkelbeschleunigung Winkel Zirkulation Schiebung; Scherwinkel; Raumausdehnungskoeffizient Gravitationskonstante Differenz Neigungswinkel; Dehnung; Expansions-zahl; Gleitzahl dynamische Viskosität; Wirkungsgrad Celsius-Temperatur Kompressibilität Rohrreibungszahl Reibungszahl; Ausflußzahl; Poissonzahl kinematische Viskosität; Querdehnungszahl Dichte Spannung; Normalspannung Schubspannung Transportgröße. Drehwinkel; Potentialfunktion; Geschwindigkeitsziffer; Fluidität Gravitationspotential Winkelgeschwindigkeit

Aktivierungsenergie mittlere kinetische Energie eines Moleküls freie Energie, freie molare bzw. freie spezifische Energie Anzahl der Freiheitsgrade; Wärme­quellendichte freie Enthalpie, freie molare bzw. freie spezifische Enthalpie statistisches Gewicht des Zustandes i

XX Verwendete physikalische Symbole

H,Hm,h Enthalpie, molare bzw. l'm, f, l'w mittlere, durchschnittliche bzw. wahr-spezifische Enthalpie scheinlichste Geschwindigkeit von

)q Wärmestromdichte Gasmolekülen k Boltzmann-Konstante; Wärmedurch- w thermodynamisches Wahrscheinlich-

gangskoeffizient keitsverhältnis M Molmasse X Feuchtegrad Me spezifische Ausstrahlung z Realgasfaktor mM Masse eines Moleküls N Teilchenanzahl eines Systems 'l. Längenausdehnungskoeffizient; n Polytropenexponent, Teilchenzahldichte Absorptionsgrad NA Avogadro-Konstante ·'l.* Wärmeübergangskoeffizient Pi Wahrscheinlichkeit der Besetzung y Raumausdehnungskoeffizient

des Zustands i c Emissionsgrad; Korn pressionsverhältnis p Druck I:K, Ew Leistungszahl einer Kältemaschine Q, Qm,q Wärme, molare bzw. spezifische Wärme bzw. einer Wärmepumpe Q Wärmestrom IIth thermischer Wirkungsgrad Ri,Rm individuelle bzw. allgemeine (molare) X Isentropen-(Adiabaten-) Exponent

Gaskonstante A. Wärmeleitfähigkeit S, Sm,S Entropie, molare bzw. spezifische V Stoffmenge (Teilchenmenge)

Entropie e Dichte; Reflexionsgrad T thermodynamische Temperatur '[ Transmissionsgrad U,Um,U innere Energie, molare bzw. spezifische (/Je Strahlungsleistung

innere Energie rp relative Luftfeuchte V, Vm, V Volumen, molares bzw. spezifisches 'Pa absolute Luftfeuchte

Volumen 'P12 Einstrahlzahl

4. Elektrizität und Magnetismus

Ar relative Atommasse p elektrisches Dipolmoment A elektrochemisches Äquivalent Q elektrische Ladung; Blindleistung B magnetische Induktion, Flußdichte R elektrischer Widerstand B Blindleitwert, Suszeptanz RH Hall-Koeffizient BR Remanenzinduktion Rm magnetischer Widerstand Bs Sättigungsinduktion s Scheinleistung c Kapazität Tc Curie-Temperatur D elektrische Verschiebungsdichte TN Neel-Temperatur E elektrische F eidstärke U, u elektrische Spannung EH Hall-F eidstärke (i Amplitude der elektrischen Spannung e Elementarladung U, Ueff Effektivwert der elektrischen Spannung FL Lorentz-Kraft UH Hall-Spannung F Faraday-Konstante Uind induzierte Spannung f Spulenformfaktor WA Austrittsarbeit G Leitwert, Konduktanz wel elektrische Arbeit und Feldenergie H magnetische Feldstärke Wel elektrische Energiedichte He Koerzitivfeldstärke Wmagn magnetische Arbeit und Feldenergie I, i elektrische Stromstärke Wmagn magnetische Energiedichte ; Amplitude der elektrischen Stromstärke X Blindwiderstand, Reaktanz I, i eff Effektivwert der Wechselstromstärke z Scheinwiderstand, Impedanz J magnetische Polarisation ;; Wertigkeit j elektrische Stromdichte L Induktivität M Magnetisierung 'l. Temperaturkoeffizient mA Amperesches magnetisches Moment des elektrischen Widerstandes mc Coulombsches magnetisches Moment y Spannungsfaktor N Windungszahl 1: Permittivität p elektrische Polarisation co elektrische F eidkonstante P,p Leistung [ r Permitti vitätszahl

Verwendete physikalische Symbole XXI

0 elektrische Durchflutung (J Streufaktor; elektrische Flächenladungs-X elektrische Leitfahigkeit, Konduktivität dichte

f1 Permeabilität r Zeitkonstante

flo magnetische Feldkonstante <P magnetischer Fluß

flr Permeabilitätszahl rp elektrisches Potential; Ver! ustwinkel

Q spezifischer elektrischer Widerstand, Xe elektrische Suszeptibilität Resistivität Xm magnetische Suszeptibilität

Q Raumladungsdichte lfl elektrischer Fluß

5. Schwingungen und Weilen

b Dämpfungskoeffizient y Auslenkung c Federkonstante; Phasengeschwindigkeit y Amplitude c* Winkelrichtgröße Cgr Gruppengeschwindigkeit ß_ Auslenkungswinkel D Dämpfungsgrad ß Amplitude des Auslenkungswinkels d Ver! ustf aktor y Phasenverschiebung zwischen Erreger

f Frequenz und Schwinger fo,fct Eigenfrequenz der freienungedämpften L1 Gangunterschied

bzw. gedämpften Schwingung b Abklingkoeffizient fE Erregerfrequenz ,., Kreisfrequenzverhältnis

fRes Resonanzfrequenz A logarithmisches Dekrement

fs Schwebungsfreq uenz lc Wellenlänge j R rp Phasenwinkel k Dämpfungsverhältnis; Wellenzahl !(Jo Nullphasenwinkel Q Güte Llrp Phasenverschiebung s Intensität zwischen zwei Schwingungen T Periodendauer w Kreisfrequenz To, Td Periodendauer der freienungedämpften Wo, wd Kreisfrequenz der freien ungedämpften

bzw. gedämpften Schwingung bzw. gedämpften Schwingung Ts Periodendauer der Schwebung WE Erregerkreisfrequenz w Energiedichte WRes Resonanzkreisfrequenz

6. Optik Km photometrisches Strahlungsäquivalent

AN numerische Apertur k Blendenzahl a, a' Gegenstands- bzw. Bildweite I Kohärenzlänge A,B Einstein-Koeffizienten Le Strahldichte b Spaltbreite Lv Leuchtdichte D' Brechkraft Me spezifische Ausstrahlung DAp, DEP Durchmesser von Austritts- bzw. Mv spezifische Lichtausstrahlung

Eintrittspupille m Ordnungszahl bei Interferenzen Ee Bestrahlungsstärke Ni Besetzungszahl des Niveaus i Ev Bel euch tungsstärke n Brechungsindex Eph Energie eines Photons p Gitterstrichzahl e' Abstand zwei er Linsen Qe Strahlungsenergie f;j' gegenstandseitige bzw. bildseitige Qy Lichtmenge

Brennweite r Krümmungsradius g Gitterkonstante s, s' gegenstandseitige bzw. bildseitige H Helligkeit Schnittweite He Bestrahlung u' Durchmesser des Unschärfekreises Hv Beleuchtung V Hellempfindlichkeitsgrad h Plancksche Konstante y,y' Gegenstands- bzw. Bildgröße I Intensität z Dämmerungszahl fe Strahlstärke z, z' Abstand vom Gegenstand bzw. Bild fv Lichtstärke zum jeweiligen Brennpunkt

XXII Verwendete physikalische Symbole

rx brechender Winkel eines Prismas e Glanzwinkel ß' Abbildungsmaßstab (J Winkel zwischen Strahl F' Vergrößerung und optischer Achse fJ Ablenkungswinkel r Lebensdauer e Einfallswinkel <Pe Strahlungsleistung e, Reflexionswinkel <Pv Lichtstrom e' Brechungswinkel (/i Zentriwinkel eP Polarisationswinkel Q Raumwinkel

7. Akustik

Aäq äquivalente Schallabsorptionsfläche r Reflexionsfaktor B Biegesteifigkeit s Lautheit; Trennwandfläche d Absorberdicke T Nachhallzeit fa Qrenzfrequenz der Spuranpassung V Schallschnelle Gpu Ubertragungsmaß elektroakustischer w Schallenergiedichte

Wandler y Elongation I Schallintensität z Schallkennimpedanz L Schallpegel Ls Lautstärke rx Schallausbreitungs-Dämpfungskoeffizient Ln Norm-Trittschallpegel rx, Schallabsorptionsgrad m' flächenbezogene Masse fJ Einfallswinkel p Schalleistung L1 Bewertungsfaktor p Schalldruck l?s Schallreflexionsgrad R Schalldämm-Maß r, Schalltransmissionsgrad

8. Atom- und Kernphysik

A Nukleonenzahl; Aktivität I, I Bahndrehimpuls eines Elektrons, As spezifische Aktivität zugehörige Quantenzahl ao Bohrscher Radius des Wasserstoffatoms mi magnetische Quantenzahl

im Grundzustand des Drehimpulses B Baryonenzahl m, magnetische Quantenzahl des Spins D,iJ Energiedosis, Energiedosisleistung mi magnetische Quantenzahl Dq, Dq Äquivalentdosis, Äquivalentdosisleistung des Gesamtdrehimpulses d Flächenmasse mo Ruhemasse E Energie-Eigenwert N Neutronenzahl Es Bindungsenergie n Hauptquantenzahl Es Schwellenenergie Q Kern-Quadrupolmoment F,F Gesamtdrehimpuls des Atoms R Reichweite

einschließlich Kerndrehimpuls, RH Rydberg-Konstante zugehörige Quantenzahl s Gesamtspinmoment

g Faktor nach Lande s, s Elektronenspin, zugehörige Quantenzahl H Barnilton-Funktion (Spinquantenzahl) Ii Hamilton-Operator ti/2 Halbwertszeit h Plancksches Wirkungsquantum u atomare Masseneinheit

(h = h/(2 n)) X Schichtdicke 1,/ Kemdrehimpuls, zugehörige Quantenzahl z Kernladungszahl J,J Gesamtdrehimpuls der Elektronenhülle, (Ordnungszahl, Protonenzahl)

zugehörige Quantenzahl j,j Gesamtdrehimpuls eines Elektrons,

zugehörige Quantenzahl rx Feinstrukturkonstante L,L Gesamtbahndrehimpuls der Elektronen- y gyromagnetisches Verhältnis

hülle, zugehörige Quantenzahl Je Zerfallskonstante; Wellenlänge L Leptonenzahl /l,f.-l magnetisches Moment

f.1 f.lK

f.lB V

IJ

Absorptionskoeffizient Kern-Magneton Bohrsches Magneton Frequenz Paritätsquantenzahl

9. Festkörperphysik

A

a B

Fläche; Transistor-Stromverstärkung in Basisschaltung Gi Herkonstante Transistor-Stromverstärkung in Emitterschaltung

Be kritische magnetische Flußdichte Cgr Gruppengeschwindigkeit cph Phasengeschwindigkeit D (E) Zustandsdichte D* Detektivität E8 Bindungsenergie Ee Bestrahlungsstärke EF Fermi-Energie Eg Breite der verbotenen Zone f ( E) Fermi-Dirac-Verteilungsfunktion / 8 , fc, /E Basis-, Kollektor- bzw. Emitterstrom IF Flußstrom I ph Photostrom ls Sperrsättigungsstrom /th Schwellstrom je kritische Stromdichte k Wellenzahl kF Fermi-Vektor L Kristall-Länge; Lorenzsche Zahl l mittlere freie Weglänge M Molmasse; Multiplikationsfaktor N L, Nv effektive Zustandsdichte im Leitungs­

band bzw. im Valenzband n Elektronenkonzentration

10. Spezielle Relativitätstheorie

!, l' m,m0

t, t' u V

y

Länge im System S bzw. S' bewegte Masse bzw. Ruhemasse Zeit im System S bzw. S' Geschwindigkeit S ystemgesch windigkei t

relativistischer Faktor

Verwendete physikalische Symbole XXIII

(J

<!> 'P

lfl

ni

nph

n p s Tc To TE TF To Uct UF UK UL uth V(A.) Vct VF

[j

IJ f.l,f.ln,f.lp

makroskopischer W irkungsq uerschni tt W irkungsq uerschni tt Flußdichte zeitabhängige Wellenfunktion Wellenfunktion

Akzeptoren- bzw. Donatoren­konzentration Eigenleitungsdichte Phononendichte Brechungsindex Löcherkonzentration Empfindlichkeit kritische Temperatur Debye-Temperatur Einstein-Temperatur Fermi-Temperatur charakteristische Temperatur Diffusionsspannung Flußspannung Kontaktspannung Leerlaufspannung Thermospannung Hellempfindlichkeitsgrad Driftgeschwindigkeit Fermi-Geschwindigkeit

Absorptionskoeffizient; Madelung­Konstante; thermischer Ausdehnungs­koeffizient mittlere Energie eines Atoms Quantenausbeute Beweglichkeit, Elektronen- bzw. Löcherbeweglichkeit magnetisches Flußquantum