Physik für das Ingenieurstudium

Die Physik, vom griechischen „physis \(=\) Natur“ stammend, beschäftigt sich mit der Erforschung und dem Verstehen der unbelebten Natur. Sie bildet ein unentbehrliches Fundament für andere Naturwissenschaften, wie die Chemie und die Biologie sowie die Technik. Es ist ein Ziel der Physik, die Vielfalt der Erscheinungen einheitlich durch Naturgesetze zu beschreiben. Die Naturvorgänge werden gezielt durch Experimente studiert und nach einer gedanklichen Durchdringung in der Sprache der Mathematik formuliert. Die Aussagen und Ergebnisse einer physikalischen Beschreibung sollen in messbaren, zahlenmäßig erfassbaren Werten gemacht werden.

Die Kinematik beschreibt den Ablauf von Bewegungen, ohne auf deren Ursachen einzugehen. Zur Beschreibung einer Bewegung werden die Begriffe der Geschwindigkeit v un der Beschleunigung a eingeführt. Drehbewegungen werden durch die Winkelgeschwindigkeit ω und die Winkelbeschleunigung α beschrieben. In der Dynamik werden die Ursachen der Bewegung untersucht. Die wichtigsten Begriffe sind Masse m, Kraft F, Impuls p, Energie W, Leistung P, Drehmoment M und Drehimpuls L. Es werden die Erhaltungssätze und wichtige praktische Anwendungen in Naturwissenschaft und Technik beschrieben. Zahlreiche Übungsaufgaben und Fragen dienen zum Verstehen, Wiederholen und Vertiefen des Lernstoffes.

Festkörper bestehen aus Atomen und Molekülen, die durch Ionen-, kovalente oder andere Bindungen zusammengehalten werden. Unter dem Einfluss von äußeren Kräften werden Festkörper deformiert. Die Verformung ist reversibel oder elastisch, wenn sie nach Beendigung der Kraftwirkung wieder vollständig zurückgeht. Bleibende Formänderungen nennt man irreversibel oder plastisch. Es werden das Hooke’sche Gesetz und verwandte Gleichungen der elastischen Deformation mit dem Begriff E-Modul beschrieben. Flüssigkeiten und Gase ändern leicht ihre Form. Die Dichte der Flüssigkeiten ist wie bei Festkörpern nahezu konstant, während Gase gut komprimierbar sind. In der Statik der Flüssigkeiten und Gase wird der Druck \(p\) sowie der Auftrieb behandelt. Strömungen werden in der Dynamik beschrieben. Dabei werden der statische, dynamische und gesamte Druck erläutert. Bei realen Strömungen wird die Zähigkeit oder Viskosität eingeführt. In der Praxis tritt häufig turbulente Strömung mit Wirbelbildung auf. Es wird auf Anwendungen in der Messtechnik, im Umweltschutz und der Industrie eingegangen.

Fragt man nach dem Ursprung der Kräfte in der klassischen Mechanik, so kommt man zu zwei Arten der Wechselwirkung: der Gravitation und den elektromagnetischen Kräften. In diesem Kapitel wird die Gravitation beschrieben. Obwohl deren Ursachen noch weitgehend unbekannt sind, kann man ihre Wirkungen relativ einfach formelmäßig erfassen. Im ersten Abschnitt geht es um die klassischen Aspekte der Gravitation und der Astrophysik. Dabei werden das Gravitationsgesetz und dessen Anwendungen auf die Bewegung von Satelliten, Monden und Planeten beschrieben. Im zweiten Abschnitt werden die Vorstellungen der Relativitätstheorie erläutert. Es zeigt sich, dass die Größen wie Länge, Geschwindigkeit oder Zeit in verschieden bewegten Bezugssystemen unterschiedlich, d. h. relativ, sind.

Die Thermodynamik stellt die Lehre von der Wärme und Energie dar. Der thermische Zustand eines Systems, z. B. eines Gases, wird makroskopisch durch eine Anzahl von Zustandsgrößen, wie Temperatur \(T\), Druck \(p\), Volumen \(V\) u. a. festgelegt. Der Zusammenhang zwischen diesen Größen wird durch die Zustandsgleichung gegeben. Dabei wird der Begriff ideales Gas erläutert. Es erweist sich als günstig dabei auch molare Größen zu benutzen. Im Zusammenhang mit realen Gasen wird auf Schmelzen und Verdampfen sowie die Verflüssigung von Gasen eingegangen. Besondere Bedeutung haben die Hauptsätze der Thermodynamik, welche die Erhaltung der Energie und die Umwandlung von Wärmeenergie in andere Energieformen beschreiben. In der Technik haben thermische Maschinen Bedeutung. Wärmetransport kann durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung erfolgen. Es wird auf die wichtigsten Fakten über den Wärmetransport durch Strahlung und deren Auswirkungen in der Solartechnik und beim Treibhauseffekt eingegangen. Die mikroskopische Beschreibung der Thermodynamik erfolgt durch die kinetische Gastheorie, die auf statistischen Methoden der klassischen Mechanik basiert.

Systeme, deren Gleichgewichtszustand gestört wird, können durch Hin- und Herschwingen in ihre ursprüngliche Lage zurückkehren. Man bezeichnet Vorgänge, bei denen sich eine Messgröße zeitlich periodisch ändert, als Schwingungen. Die Größe kann beispielsweise die Auslenkung eines mechanischen Systems aus der Ruhelage, die Druckschwankung in einer Schallwelle oder die elektrische Feldstärke sein. Schwingungen spielen in vielen Bereichen des Lebens und der Technik eine wichtige Rolle, z. B. beim Pendel, bei Federungen, beim Schall und in der Elektronik. Sind mehrere schwingungsfähige Systeme miteinander gekoppelt, z. B. die Atome eines Festkörpers, kann sich die Schwingung räumlich ausbreiten. Das Phänomen der Ausbreitung von Schwingungen, bei denen ein Energietransport stattfindet, nennt man Welle. Wellen treten unter anderem in der Mechanik, Akustik, Optik und Elektronik auf. Es wird auf die Wellengleichung, die Faurier-Analyse sowie praktische Anwendungen von Schwingungen und Wellen eingegangen.

Als Schall bezeichnet man mechanische Wellen in Luft und anderen Medien im Frequenzbereich des menschlichen Hörens zwischen 16 Hz und 20 kHz. Frequenzen unter 16 Hz ordnet man dem Infraschall und über 20 kHz dem Ultraschall zu. Ab 1 GHz spricht man von Hyperschall. In Gasen und Flüssigkeiten können sich nur longitudinale Schallwellen als Druckschwankungen ausbreiten. In festen Körper dagegen treten daneben auch transversale Schallwellen auf. Von besonderer Bedeutung ist die Schallausbreitung in Luft und die damit verbundenen menschlichen Empfindungen, die als Sprache, Musik oder Lärm wahrgenommen werden. Besondere Bedeutung hat die Schallmesstechnik mit den Begriffen bewerteter Schallpegel in dB(A) und Lautstärke in phon.

Während die Gravitationskraft die Bewegung im Sonnensystem und im Weltall bestimmt, wird die Welt der Atome, Moleküle und der daraus zusammengesetzten Materialien durch elektrische Kräfte beherrscht. Die Elektrizitätslehre liefert die Grundlagen zum Aufbau der Materie und zum Verständnis elektrischer und elektronischer Bauteile, Geräte und Maschinen. Ausgehend vom Coulomb´schen Gesetz werden die elektrische Ladung Q, der Strom I, die elektrische Feldstärke E, das elektrische Potenzial φ, die elektrische Spannung U und andere elektrischen Größen abgeleitet. In Materie treten Influenz und elektrische Polarisation auf. Durch Ströme wird das magnetische Feld erzeugt. Wichtige magnetische Begriffe sind magnetische Feldstärke H, Flussdichte B, die Lorentz-Kraft, das Durchflutungsgesetz, u. a. Im Abschnitt elektromagnetische Wechselfelder wird gezeigt, dass veränderliche Magnetfelder elektrische Felder erzeugen und umgekehrt. Dies führt zum Induktionsgesetz und zu elektromagnetischen Wellen mit wichtigen technischen Anwendungen. Die Maxwell-Gleichungen werden kurz beschrieben. Es wird auf Gleich- und Wechselstromkreise und deren Einsatz in der Elektronik eingegangen, wobei komplexe Widerstände eingesetzt werden.

Licht hat dualen Charakter: in der Wellenoptik wird Licht als Welle dargestellt, in der Quantenoptik treten die Teilcheneigenschaften hervor. Dieses Kapitel wird mit der geometrischen Optik begonnen, die sich um die Struktur des Lichtes nicht kümmert. Es werden die Abbildungsgleichungen und deren Anwendung in optischen Geräten beschrieben, z. B. Linsensysteme, Mikroskope, Fernrohre, Fotoapparat, Beamer. In der Wellenoptik treten Interferenz und Beugung auf. Interferometer, Beugungsgitter, Holografie und andere optische Bauelemente beruhen auf diesen Effekten. In der Quantenoptik werden die Emission von Licht und der Laser beschrieben. Die messtechnische Bewertung von Licht liefert die Photometrie mit den Begriffen Lichtstrom in lumen und Beleuchtungsstärke in lux.

Das Verhalten und die Struktur der Atome werden durch die Elektronenhülle bestimmt. Die Atome können nur verstanden und berechnet werden, wenn man den Teilchen- und Wellencharakter der Elektronen berücksichtigt. Das Wasserstoffatom kann so relativ einfach berechnet werden und man erhält numerisch die Energien der einzelnen Zustände, sowie die Wellenlängen der Spektrallinien. Jeder Zustand wird durch 4 Quantenzahlen beschrieben, mit denen auch der Aufbau des Periodensystems verstanden werden kann. Es werden wichtige Anwendungen der Atomphysik beschrieben, wie die Röntgenröhre und deren Strahlung, die Spin- und Kernspinresonanz, die Computertomographie (CT und MRT) und die Synchrotronstrahlung. Weiterhin wird auf die Energiezustände von Molekülen und entsprechende Anwendungen hingewiesen.

Atome und Moleküle können sich zu Festkörpern ordnen. Die meisten Werkstoffe weisen eine kristalline Struktur auf. Daher beschäftigt sich der Hauptteil des Kapitels Festkörperphysik mit Kristallen und ihren Eigenschaften. Dabei sind Halbleiter von besonderer Bedeutung, die mithilfe des Bändermodells verstanden werden können. Es wird auf die technischen Anwendungen der Festkörperphysik eingegangen, wie metallische Leitung, Thermoelemente, Supraleitung, Leitungsmechanismen in Halbleitern, Dioden und andere Halbleiterbauelemente, Leuchtdioden und Diodenlaser.

Wesentliche Abläufe des Lebens und der Technik spielen sich in der Atomhülle ab: biologische und chemische Prozesse, elektromagnetische Phänomene oder optische Vorgänge. Reaktionen im Atomkern bestimmen den Aufbau des Weltalls und die Kerntechnik. Sie sind mit der Radioaktivität verbunden. Die auftretenden Energien in einer Kernreaktion liegen im MeV-Bereich; sie übersteigen die entsprechenden Werte in der Hülle von einigen eV (\(= 1{,}6 \cdot 10^{ - 19}\) J). Es werden der Aufbau der Atomkerne, das Zerfallsgesetz und die α-, β- und γ-Strahlung beschrieben. In unserer Umwelt treten die natürliche und künstliche Radioaktivität auf. Die wichtigsten Anwendungen der künstlichen Radioaktivität liegen bei Kernreaktoren, der Kernfusion und der Medizin. Die Dosimetrie beschäftigt sich mit der Messung der Radioaktivität und den entsprechenden Wirkungen auf den Menschen. Die wichtigsten Messgrößen sind die Energiedosis in Gray und die Äquivalentdosis in Sievert.