Physik für Ingenieure

Die Physik gehört zu den Naturwissenschaften und erklärt die Gesetzmäßigkeiten der unbelebten Umwelt. Physikalische Größen messen die Eigenschaften der Umwelt in Quantität und Qualität. Die mathematischen Zusammenhänge zwischen den physikalischen Größen stellen dann physikalische Gesetze dar, wenn diese durch Experimente objektiv und reproduzierbar bestätigt werden. Alle physikalischen Erscheinungen lassen sich auf höchstens sieben physikalische Grundgrößen zurückführen (Zeit, Länge, Masse, Stoffmenge, Temperatur, Stromstärke und Lichtstärke). Die wichtigsten Gebiete der Physik sind: Mechanik (Bewegung massebehafteter Körper), Thermodynamik (Wärmelehre), Elektrizität und Magnetismus, Schwingungen und Wellen, Optik, Akustik, Atom- und Kernphysik, Festkörperphysik und Relativitätstheorie.

Die Mechanik befasst sich mit der Bewegung massebehafteter Körper. In der klassischen Mechanik werden die Wirkungen von Kräften als Ursache der Bewegungsvorgänge studiert. Hierbei spielen die Begriffe wie Masse, Kraft, Energie, Arbeit und Impuls eine wichtige Rolle. Die mathematischen Zusammenhänge zwischen diesen Größen werden durch Differenzial- und Integralgleichungen beschrieben. Bewegen sich Objekte mit hoher Geschwindigkeit (annähernd Lichtgeschwindigkeit), so sind relativistische Ansätze erforderlich. Sie berücksichtigen unter anderem, dass die Masse von der Geschwindigkeit abhängig ist. Sind die Objekte mikroskopisch klein (z. B. Atome), so gelten die Gesetze der Quantenmechanik.

Die Thermodynamik ist die Lehre der verschiedenen Energieformen und deren Umwandlung, insbesondere unter Einbeziehung der Wärme. Ein thermodynamisches System wird makroskopisch durch Zustandsgrößen, wie z.B. Druck, Volumen und Temperatur beschrieben, die durch Zustandsgleichungen verknüpft sind. Die wichtigsten Erkenntnisse der Thermodynamik sind in Hauptsätzen zusammengefasst. Der erste Hauptsatz ist der Energie-Erhaltungssatz, der zweite Hauptsatz beschreibt mit dem Entropiebegriff die Richtung von Zustandsänderungen, der dritte Hauptsatz zeigt, dass der absolute Nullpunkt nicht erreicht werden kann. Die Thermodynamik spielt insbesondere bei der Konstruktion und Berechnung von Maschinen und Anlagen eine wichtige Rolle. In der technischen Thermodynamik sind Phasenübergänge von großer Bedeutung sowie die Berechnung von Wärmeleitung durch Bauteile.

Die elektrische Ladung und ihre Wirkung bestimmt dieses Kapitel. Die elektrische Ladung ist materiegebunden, als Elementarladung e quantisiert und hat zwei Ausprägungen: positive und negative Ladungen. Die Elektrostatik beschreibt die Wirkung von ruhenden Ladungen. Bewegt sich die Ladung mit konstanter Geschwindigkeit, dann wird ein konstantes Magnetfeld erzeugt. Dieses Gebiet ist die Magnetostatik. Bei einer beschleunigten Ladungsbewegung ändert sich sowohl das elektrische, als auch das magnetische Feld. Ein zeitlich sich änderndes magnetisches Feld induziert ein elektrisches Feld, das zur Beschleunigung von Ladungen führen kann (Induktionsgesetz). Elektrische und magnetische Felder führen mit dem Induktionsgesetz zu elektromagnetischen Wellen. Diese Zusammenhänge werden durch die Maxwell´schen Gleichungen beschrieben.

Bei Schwingungen und Wellen finden periodische Zustandsänderungen statt, die mechanische Systeme (im festen, flüssigen und gasförmigen Zustand) und elektromagnetische Systeme erfassen können. Im allgemeinen Fall wird Energie zwischen Energiereservoirs periodisch hin- und herbewegt. Systeme, die zu einem solchen periodischen Energieaustausch fähig sind, werden Oszillatoren genannt. Bei mechanischen Schwingungen eines Feder-Masse-Systems (Federpendel oder mechanischer Oszillator) betrifft dies die potenzielle Energie der Feder und die kinetische Energie der Masse und beim elektromagnetischen Schwingkreis die elektrische Energie des Kondensators und die magnetische Energie der Spule. Die Periodizität des Energieaustausches wird beschrieben durch die Schwingungsdauer T für einen Energieaustauschzyklus bzw. durch die Frequenz f, d.h. die Anzahl der Zyklen je Zeiteinheit. Bei Wellen werden laufende und stehende Wellen unterschieden. Behandelt werden die Phänomene des Doppler-Effekts und der Interferenz.

Die Optik ist die Lehre vom Licht und befasst sich mit den Erscheinungen, die durch unser Sinnesorgan Auge wahrgenommen werden. Die Gliederung der Optik in ihre historisch gewachsenen Teilgebiete ist in Abb. 6.1 schematisch dargestellt.

Die Auffassung über das Wesen des Lichtes änderte sich mehrmals im Lauf der Zeit. Von Newton wurde 1672 eine Korpuskulartheorie entwickelt. Ihr zufolge sendet eine Lichtquelle kleine Korpuskeln aus, die sich mit großer Geschwindigkeit geradlinig fortbewegen, bis sie entweder direkt oder nach der Reflexion an Gegenständen ins Auge gelangen und dort Sinnesreize auslösen. Mit seiner Korpuskulartheorie war Newton in der Lage, die Reflexion und Brechung von Licht zu erklären.

Die Phänomene der Beugung und Interferenz des Lichtes konnten nur mit der zuerst von Huygens (1678) entwickelten Wellentheorie des Lichtes erklärt werden, die später durch die Arbeiten von Young (1802) erhärtet wurde. War man zunächst noch der Meinung, dass es sich um elastische Longitudinalwellen in einem das Weltall erfüllenden „Äther“ handelte, so wurde nach der Entdeckung der Polarisation des Lichtes durch Malus (1808) von Fresnel (1815) der Schluss gezogen, dass das Licht eine transversale Welle darstellt.

Die Akustik befasst sich mit der Ausbreitung von mechanischen Wellen in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern. Der entstehende Schall wird je nach Frequenzverlauf des Schalldrucks als Ton, Geräusch oder Knall wahrgenommen. Bei der Schallausbreitung sind Schallabsorption, Schallreflexion und Schalldämmung zu unterscheiden. Je nach Schalldruck, Schallfrequenz und Wirkungsgrad werden elektroakustische Wandler eingesetzt. Sie basieren auf elektrostatischen, elektrodynamischen, elektromagnetischen, piezoelektrischen oder piezoresistiven Prinzipien, um Schall zu erzeugen bzw. nachzuweisen. In der physiologischen Akustik spielt die Schallempfindung eine wichtige Rolle. Die technische Akustik befasst sich mit der Raumakustik und der Schalldämmung.

Die Quantentheorie beschreibt die Eigenschaften der kleinsten Teile der Materie von den Quarks über die Elementarteilchen und Atome bis hin zu Molekülen und Festkörpern. Das Bohr´sche Atommodell und die Quantenbedingungen nach Bohr/Sommerfeld sind die Grundlage dazu. Insbesondere die Spektroskopie gibt Informationen über den Aufbau von Molekülen, Atomen und subatomaren Bausteinen und zeigt die Systematik des Atomaufbaus im Periodensystem der Elemente. Spezielle Anwendungen der Quantentheorie sind der Quanten-Hall-Effekt und der Josephson-Effekt zur Definition der Maßeinheiten des elektrischen Widerstands und der Spannung sowie der Tunneleffekt, der die atomare Struktur von Oberflächen sichtbar macht. Elektronen- und Kernspinresonanz sowie die Computertomografie spielen in der Medizin eine wichtige Rolle. Die Kernspaltung und die Kernfusion dienen zur Energiegewinnung.

Die Festkörperphysik beschreibt die Struktur und die Eigenschaften fester Körper und ist maßgebend für Anwendungen in den Materialwissenschaften. Dabei spielen vor allem die Bindungskräfte zwischen den Atomen und Molekülen eine wichtige Rolle. Kristalline Strukturen besitzen in allen drei Raumrichtungen eine regelmäßige Atomstruktur, die bestimmte Kristallsysteme ausbildet (z. B. Metall). Festkörper ohne regelmäßige Atomanordnung sind amorphe Festkörper (z. B. Glas, Kunststoff). Um gewünschte Eigenschaften zu erzielen, können Werkstoffe entsprechend hergestellt werden. Bei Verbundwerkstoffen werden die Eigenschaften verschiedener Werkstoffe kombiniert (z. B. Leitfähigkeit durch Kupfer und Zähigkeit durch Wolfram). Bei Memory-Werkstoffen werden bestimmte Formen immer wieder eingenommen. Die Halbleiter haben eine große Bedeutung in der Elektronik erlangt. Optoelektronische Bauelemente wie z.B. LEDs und Flüssigkristalle spielen eine große Rolle in der Kommunikationstechnik und sind aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken.

Die spezielle Relativitätstheorie befasst sich mit Raum und Zeit bei Systemen, die sich mit hoher Geschwindigkeit gegeneinander bewegen. Relativistische Effekte treten erst bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit auf, sind aber wegen der schnellen Abläufe in der Elementarteilchenphysik relevant. Folgendes Postulat ist allgemein gültig: Die Lichtgeschwindigkeit ist überall und in allen Richtungen konstant. Die spezielle Relativitätstheorie liefert unter anderem folgende Erkenntnisse: Längenkontraktion (ein relativ zu einem Beobachter sich bewegender Körper erscheint verkürzt), Zeitdilatation (die Zeit verläuft in einem System, das relativ zu einem Beobachter bewegt wird, langsamer), Massenzunahme (die Masse eines Körpers nimmt mit seiner Geschwindigkeit zu) und Äquivalenz von Masse und Energie (ein Körper der Ruhemasse m besitzt die Energie E = mc²).

Kosmologie ist die Wissenschaft vom ganzen Universum, von seinem Ursprung und seiner Entwicklung. Als Grundvoraussetzung für eine physikalische Untersuchung des gesamten Kosmos gehört die universelle Gültigkeit der auf der Erde entdeckten Naturgesetze. Zu ihnen gehören die Quantenfeldtheorien und die Allgemeine Relativitätstheorie, mit deren Hilfe der physikalisch zugängliche Anfang des Universums erklärt werden kann. Diese beiden Eckpfeiler des physikalischen Weltbildes beschreiben die Wechselwirkung von Materie in Raum und Zeit, die Struktur der Materie, ihrer Elementarteilchen und auch die Wechselwirkung der Materie mit elektromagnetischer Strahlung. Sie bilden die wichtigsten Voraussetzungen für die erfolgreiche Interpretation der Daten, die man vom Universum und seinen Objekten erhält. Aus all diesen Theorien lassen sich grundlegende Aussagen über den Anfang von Allem formulieren, allerdings immer nur als „Innenarchitektur“ des Kosmos. Wir können nur von innen die Bedingungen für den Anfang von Allem, dem „Tag ohne Gestern“, beschreiben.

Folgende Indizien liegen als Beobachtungen vor: Das Universum expandiert. Es ist erfüllt von einer sehr homogenen, sehr gleichmäßig verteilten Hintergrundstrahlung; die leuchtende Materie besteht fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium. Erklärbar werden diese Indizien durch einen Anfang, der in der Kosmologie unter dem Titel Urknall bekannt geworden ist.