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Über dieses Buch

Der zweite Band der beliebten vierbändigen Lehrbuchreihe von Professor Demtröder deckt den kompletten Stoff zur Vorlesung „Elektrizität und Optik“ für das Bachelorstudium ab. Das Buch behandelt die Themen:

Elektrostatik und -Dynamik

Elektrischer Strom

Statische und zeitlich veränderliche Magnetfelder

Elektromagnetische Schwingungen und die Entstehung elektromagnetischer Wellen

Elektromagnetische Wellen im Vakuum und Materie

Geometrische Optik

Wellenoptik: Interferenz, Beugung und Streuung

Optische Instrumente und neue Techniken in der Optik

Diese Lerninhalte des zweiten Semesters des Physikstudiums werden nach dem Konzept der Lehrbuchreihe verständlich, aber möglichst quantitativ präsentiert. Um dem Leser die Orientierung zu erleichtern, ist das Wesentliche hervorgehoben: wichtige Definitionen und Formeln sowie alle Abbildungen und Tabellen sind zweifarbig gestaltet. Studierende werden anhand durchgerechneter Beispiele, hilfreicher Kapitelzusammenfassungen sowie zahlreicher Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen durch den Vorlesungsstoff geführt und dazu motiviert, durch eigene Mitarbeit ein fundiertes Verständnis zu entwickeln. In der vorliegenden Neuauflage sind Druckfehler korrigiert, manche Formulierungen optimiert und einige neue Entwicklungen der modernen Optik eingefügt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Elektrostatik

Die Elektrostatik behandelt Phänomene, die durch ruhende elektrische Ladungen verursacht werden. Die ersten, allerdings noch wenig quantitativen Erfahrungen mit elektrostatischen Effekten wurden schon vor mehr als 2000 Jahren in Griechenland mit Bernstein (griechisch: „elektron“) gemacht, der sich beim Reiben elektrisch auflädt. Heute gibt es neben detailliertem Grundlagenwissen eine große Zahl technischer Anwendungen der Elektrostatik, von denen eine kleine Auswahl vorgestellt wird. Trotzdem sind noch eine Reihe fundamentaler Fragen offen, von denen einige in Band 3 und 4 dieses Lehrbuchs diskutiert werden.
Wolfgang Demtröder

2. Der elektrische Strom

In diesem Kapitel werden die Grundlagen stationärer elektrischer Ströme und ihrer verschiedenen Wirkungen behandelt sowie die daraus resultierenden Verfahren zu ihrer Messung. Insbesondere werden die Mechanismen elektrischer Stromleitung in fester, gasförmiger und flüssiger Materie diskutiert und einige Möglichkeiten vorgestellt, elektrische Stromquellen zu realisieren.
Wolfgang Demtröder

3. Statische Magnetfelder

Schon im Altertum wurde beobachtet, dass bestimmte Mineralien, die in der Nähe der Stadt Magnesia in Kleinasien gefunden wurden, Eisen anzogen. Man nannte sie Magnete und nutzte sie in Form von Kompassnadeln zur Navigation, da man festgestellt hatte, dass solche Magnetnadeln immer nach Norden zeigten. Die Chinesen kannten Magnete bereits früher. Die genauere Erklärung der physikalischen Grundlagen dieser Permanentmagnete gelang allerdings erst im 20. Jahrhundert nach der Entwicklung der Quantentheorie und der modernen Festkörperphysik, und auch heute sind noch nicht alle Fragen der magnetischen Erscheinungen in Materie restlos geklärt.
Wolfgang Demtröder

4. Zeitlich veränderliche Felder

Bisher haben wir nur zeitlich konstante elektrische und magnetische Felder behandelt. Alle Eigenschaften dieser statischen Felder, die durch ruhende Ladungen bzw. stationäre Ströme erzeugt werden, lassen sich aus wenigen Grundgleichungen herleiten (siehe Kap. 1–3).
Wolfgang Demtröder

5. Elektrotechnische Anwendungen

Die Grundlagenforschung über elektrische und magnetische Felder und ihre zeitlichen Änderungen hat bereits im vorigen Jahrhundert zu vielen Anwendungen geführt, welche entscheidend zur technischen Revolution beigetragen haben. Beispiele sind die Erzeugung und der Transport von elektrischer Energie und ihr Einsatz in Industrie, Verkehr und in Haushalten. Wir wollen hier nur die wichtigsten Anwendungen behandeln, die auch heute noch von großer Bedeutung sind.
Wolfgang Demtröder

6. Elektromagnetische Schwingungen und die Entstehung elektromagnetischer Wellen

Die beiden nächsten Kapitel sind von großer Wichtigkeit, nicht nur für die Hochfrequenztechnik, sondern vor allem für ein grundlegendes Verständnis der Entstehung, der Eigenschaften und Ausbreitung elektromagnetischerWellen. Die mathematische Behandlung ist in weiten Teilen analog zur Beschreibung mechanischer Schwingungen und Wellen, die ausführlich in Bd. 1, Kap. 11, dargestellt wurde.
Wolfgang Demtröder

7. Elektromagnetische Wellen im Vakuum

Im vorangegangenen Kapitel wurde gezeigt, dass ein schwingender Dipol Energie in Form von elektromagnetischen Wellen abstrahlt. Wir wollen uns in diesem Kapitel etwas genauer mit der Beschreibung dieser Wellen und mit ihren Eigenschaften befassen. Dem Leser wird empfohlen, die analoge Darstellung mechanischer Wellen in Bd. 1, Kap. 11 zu vergleichen.
Wolfgang Demtröder

8. Elektromagnetische Wellen in Materie

Nachdem wir uns im vorigen Kapitel mit den Eigenschaften elektromagnetischer Wellen im Vakuum befasst haben, wollen wir nun untersuchen, welchen Einfluss Materie auf die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen hat. Wir müssen dazu die vereinfachten Maxwell-Gleichungen (7.1) im Vakuum, aus denen sich die Wellengleichung für Wellen im Vakuum ergab, durch Terme ergänzen, welche den Einfluss des Mediums enthalten.
Wolfgang Demtröder

9. Geometrische Optik

Für viele Anwendungszwecke ist die Wellennatur des Lichtes von untergeordneter Bedeutung, weil es hauptsächlich auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtes und deren Änderung durch abbildende Elemente wie Spiegel oder Linsen ankommt.
Die Ausbreitungsrichtung einerWelle ist in isotropenMedien durch die Normale auf der Phasenfläche bestimmt. Diese Normalen werden in der geometrischen Optik als Lichtstrahlen bezeichnet.
Wolfgang Demtröder

10. Interferenz, Beugung und Streuung

Aus der Linearität der Wellengleichung
$$\Delta\boldsymbol{E}=\frac{1}{c^{2}}\frac{\partial^{2}\boldsymbol{E}}{\partial t^{2}}$$
(10.1)
folgt, dass mit beliebigen Lösungen E 1 und E 2 auch jede Linearkombination \(\boldsymbol{E}=a\boldsymbol{E}_{1}+b\boldsymbol{E}_{2}\) eine Lösung von (10.1) ist.
Um das gesamte Wellenfeld \(\boldsymbol{E}(\boldsymbol{r},t)\) in einem beliebigen Raumpunkt P zur Zeit t zu erhalten, muss man die Amplituden der sich in P überlagernden Teilwellen \(\boldsymbol{E}_{i}(\boldsymbol{r},t)\) addieren (Superpositionsprinzip). Die Gesamtfeldstärke
$$\boldsymbol{E}(\boldsymbol{r},t)=\sum_{m}\boldsymbol{A}_{m}(\boldsymbol{r},t){{\text{e}}}^{{{\text{i}}}\varphi_{m}}$$
(10.2)
des Wellenfeldes hängt sowohl von den Amplituden \(\boldsymbol{A}_{m}(\boldsymbol{r},t)\) als auch von den Phasen \(\varphi_{m}\) der sich überlagernden Teilwellen ab. Sie ist im allgemeinen Fall sowohl orts- als auch zeitabhängig.
Wolfgang Demtröder

11. Optische Instrumente

Unser Sehvermögen ist wohl die wichtigste Verbindung zwischen dem menschlichen Individuum und seiner Außenwelt. Obwohl vomoptischen Standpunkt aus das Auge eine ziemlich schlechte Linse mit vielen Linsenfehlern darstellt, bildet es doch, in Verbindung mit unserem die Linsenfehler korrigierenden Gehirn, ein bewundernswertes optisches Instrument, das sich in weiten Grenzen an die jeweiligen optischen Bedingungen optimal anpassen kann.
Trotzdem benötigt es für viele Situationen zusätzliche Instrumente, die seinen Wahrnehmungsbereich vergrößern können. Diese können das räumliche Auflösungsvermögen erhöhen (Lupe, Mikroskop), die in das Auge gelangende Lichtintensität verstärken (Fernrohr) oder den Spektralbereich erweitern (Bildwandler).
Wir wollen in diesem Kapitel die wichtigsten optischen Instrumente, ihre Vorteile und ihre Begrenzungen kennen lernen. Außerdem sollen die für die Spektroskopie wichtigen Spektrographen vorgestellt und ihr spektrales Auflösungsvermögen diskutiert werden.
Wolfgang Demtröder

12. Neue Techniken in der Optik

In den letzten Jahren sind eine Reihe neuer optischer Techniken entwickelt und zur Anwendungsreife gebracht worden, die zwar zum Teil auf alten Ideen beruhen, aber erst jetzt realisiert werden konnten, weil früher die technischen Voraussetzungen dazu fehlten. Sie beginnen sich aber in vielen Gebieten durchzusetzen und führen oft zu erstaunlich effizienten neuen Möglichkeiten oder erweitern die Grenzen älterer Methoden. Solche Techniken sollen in diesem Kapitel kurz vorgestellt werden, um die Aussage im Vorwort, dass wir am Anfang einer „optischen Revolution“ stehen, zu untermauern.
Die Literaturangaben in den einzelnen Abschnitten geben dem Leser die Möglichkeit, sich detaillierter über die verschiedenen Techniken zu informieren.
Wolfgang Demtröder

13. Lösungen der Übungsaufgaben

Wolfgang Demtröder

Backmatter

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