| Präsentationen |
Inhalt und Anmerkungen |
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| Willkommen_u_Gliederung.pps |
Allgemeine Information |
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Klausur
Termine |
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Gliederung der Vorlesung |
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Links zu Informationen zur
Vorlesung |
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Tabelle der
Größenordnungen mit Beispielen |
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| Ladung_Coulombgesetz_10.pps |
Kräfte zwischen Ladungen |
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Gleichnamig: anziehend |
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Ungleichnamig: abstoßend |
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Kraftgesetz: Coulombgesetz, |
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F
= Q1·Q2 / (40·r^2) [N]
Kraft zwischen zwei Ladungen |
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Q1,Q2 [C] im Abstand r [m] , |
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0 = 8,85·10^-12 [C2 N-1m-2] elektrische Feldkonstante |
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Es gibt eine
kleinste Ladung: Die Elementarladung |
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Jede Ladung ist mit Masse
verbunden |
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Nicht jede Masse trägt eine
Ladung |
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| Feld_E_Ladung_09.pps |
An
einem Ort mit elektrischer Feldstärke wirkt auf eine Ladung eine Kraft |
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Die Feldstärke ist ein Quotient |
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Zähler:
Coulomb-Kraft F [N] auf einen Probekörper der Ladung q |
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Nenner:
Eigenschaft des Probekörpers, an der die Kraft angreift, die Ladung q
[C] |
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E =
F/q [N/C] |
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Die
elektrische Feldstärke ist eine vektorielle Größe mit der Richtung des
Kraft-Vektors |
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Ursachen elektrischer
Feldstärke: |
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Materiell:
Statisch im Raum angeordnete Ladungen |
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Ohne
Materie: Sich zeitlich ändernde magnetische Felder |
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| Feld_E_Fluss_09.pps |
Der
elektrische Fluss verbindet die Feldstärke mit der - von der Feldstärke durchfluteten
-Fläche |
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=
E dA [Nm^2/C], elektrischer Fluss |
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E
dA [Nm^2/C], Element des elektrischen
Flusses, Skalarprodukt aus Feldstärke E an einem Punkt und einem Flächenelement dA an diesem Punkt |
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| Feld_E_SvGauss.pps |
Alle
Ladungsverteilungen und die von ihnen erzeugten Feldlinien erfüllen den
Gaußschen Satz: |
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E dA = Q/0 [Nm^2/C] |
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E·dA
[Nm^2/C] elektrischer Fluss, Skalarprodukt aus Feldstärke E an einem Punkt
und einem Flächenelement dA an diesem
Punkt |
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Summiert
werden die Flüsse über eine beliebige, geschlossene Fläche, d. h. die
Feldstärke wird über eine beliebige geschlossene Fläche integriert |
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Q
[C] ist die gesamte, innerhalb des geschlossenen Volumens liegende, beliebig
verteilte Ladung |
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Aussage des Gaußschen Satzes: |
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Ladungen sind
die Quellen des elektrischen Feldes |
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Mit statischen Ladungen
können keine geschlossenen elektrische Feldlinien erzeugt werden |
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| Feld_E_calc_Gauss.pps |
Für
Ladungsverteilungen mit hoher Symmetrie liefert der Satz von Gauß die
Feldstärke als Funktion der Ladung bzw. der Ladungsdichte und dem Abstand r
[m] : |
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Punktladung
Q [C] : E= Q / (4o·r^2)
[N/C] |
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Geladener
langer Draht, Ladung pro Länge [C/m] :
E= / (4o·r)
[N/C] |
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Geladene
unendlich große Platte, Ladung pro Fläche [C/m^2] : E= /
(2o) [N/C] |
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Zwischen
den Platten eines Plattenkondensators mit Ladung pro Fläche [C/m^2] :
E= / o [N/C] |
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| Ue_1_20100413_p.pdf |
Übung zur Energie-Gewinnung
aus Wasserkraft |
| Loesung_Ue_1_20100413.xls |
Lösung dazu |
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| Feld_konservativ_Potential_Spannung_10.pps |
In
konservativen Feldern ist die Arbeit zur Verschiebung eines Körpers zwischen
zwei Punkten unabhängig vom Weg |
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Bei
Verschiebung auf geschlossenen Wegen ist daher die Arbeit Null |
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Nur
deshalb ist es sinnvoll, jedem Punkt ein Potential zuzuordnen: = W /
q [V] |
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Der
Potentialunterschied zwischen zwei Punkten ist die elektrische Spannung: U =
2 1 [V] |
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Die
elektrische Spannung zwischen zwei Punkten ist ein Quotient, U = W / q [V] |
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Zähler:
Arbeit W, um einen positiv geladenen Probekörper von einem Punkt zum anderen
zu verschieben, |
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Nenner: Ladung q des
Probekörpers |
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Im
Gegensatz dazu: Nicht konservativ sind Wirbelfelder, |
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Sichtbar
z. B. ist die nicht verschwindende Arbeit auf geschlossenem Weg an einem im
Strömungswirbel eines Flusses im Kreis schwimmenden Holzstück |
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| Materialeigenschaften - Startpaket_08.pps |
In
elektrisch leitenden Materialien sind die Ladung praktisch frei
beweglich |
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Sie
verschieben sich solange, bis sie kräftefrei sind |
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In
Leitern können Ladungen über beliebig weite Wege transportiert werden |
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In
Nichtleitern können Ladungen nicht beliebig weit verschoben werden |
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Bei
Polarisation verschieben ich die Ladungsschwerpunkte auf der Skala der
Atomdurchmesser |
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Im
Material entstehen dadurch Dipole: Paare gleichgroßer Ladungen Q [C]
unterschiedlichen Vorzeichens im Abstand von l [m] mit dem Dipolmoment p=Q·l
[Cm] |
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| Feld_B_Strom_Magnetfeld_Lorentz_kurz.pps |
Elektrische
Stromstärke: Quotient, transportierte Ladung Q durch Zeit t : I = Q / t [A] |
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Jeder
Strom ist von kreisförmigen Magnetfeldlinien umgeben |
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An
einem Ort mit magnetischer Feldstärke B wirkt auf eine mit Geschwindigkeit v
bewegte Ladung Q eine Kraft F = v · Q · B
[N] |
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Richtung
der Kraft (Lorentzkraft) für eine positive Ladung: Senkrecht sowohl zu B
als auch zu v (Rechte Hand Regel) |
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Magnetische
Feldstärke: Quotient B = F / (v · Q)
[T] |
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Zähler: Lorentzkraft
auf die bewegte Ladung |
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Nenner:
Für die Kraft im Feld notwendige Eigenschaft des Probekörpers, hier: Ladung
mal Geschwindigkeit |
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| Feld_B_Fluss.pps |
Der
magnetische Fluss verbindet die Feldstärke mit der - von der Feldstärke
durchfluteten - Fläche |
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=
B dA [Nm^2/C], elektrischer Fluss |
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B
dA [Nm^2/C], Element des magnetischen
Flusses, Skalarprodukt aus Feldstärke B an einem Punkt und einem Flächenelement dA an diesem Punkt |
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| Feld_B_SvGauss.pps |
Die
Anwendung des Satzes von Gauß auf den magnetischen Fluss zeigt: |
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Es gibt keine
magnetischen Einzelladungen |
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denn |
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Magnetfeldlinien
sind geschlossene Linien (Wirbelfeld) |
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| Feld_B_AmpDG_09.pps |
Alle
Ströme und die von ihnen erzeugten geschlossenen Feldlinien erfüllen das
Ampèresche Durchflutungsgesetz: |
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B ds = 0· I [Tm] |
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B
ds [Tm] Skalarprodukt aus der magnetischen Feldstärke B an einem Punkt und
einem Wegelement ds |
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Integriert
wird über einen beliebigen, geschlossenen Weg um die durchflossene
Fläche |
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I [A] Strom, der durch die vom geschlossenen
Weg umgebene Fläche fließt, 0 I
[Tm] ist die Durchflutung |
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Aussage des
Ampèreschen Durchflutungsgesetzes : |
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Jeder Strom ist von
einem Magnetfeld umgeben |
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Magnetfeldlinien
sind geschlossene Linien (Wirbelfeld) |
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Es gibt keine magnetischen
Einzel-Ladungen |
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| Feld_B_Biot_Savart_08.pps |
Biot-Savart
Gesetz beschreibt die Kraft, die zwei kurze, von Strömen durchflossene
Leiterstücke durch ihre magnetische Wechselwirkung aufeinander ausüben: |
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F = 0
/ (4) · I1 dl · I2 dl / r^2 [ N
] |
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I1 , I2 [A] Ströme in beiden Leiterstücken |
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dl [m] Länge der (kurzen)
Leiterstücke |
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r
[m] Abstand der Leiterstücke |
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Analog
zum Coulomb Gesetz: Anstelle der Ladungen stehen im Biot Savart Gesetz die
Produkte aus Strömen und Längen der Leiterstücke |
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| Ue_2_20100420_p.pdf |
Übung zu Ladung und
Coulombkraft |
| Loesung_Ue_2_20100420.xls |
Lösung dazu |
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Erinnerung an die Möglichkeiten der
Energie-Erzeugung - Anlass: 24 Jahre "Tschernobyl" |
| Energie_in_Deutschland_10.pps |
Die
in Deutschland erforderliche Leistung von 63 GW entspricht der Leistung von
26 Niagara-Fall Kraftwerken |
| Energie_in_Deutschland_10_Massenabschätzung.pps |
Leistung
in dieser Größenordnung ist
unabhängig vom Energieträger nicht auf sanfte Weise zu erhalten |
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Risiken
und Wirkung der Anlagen auf die Lebensqualität sind bei keiner Art des
Energieträgers vernachlässigbar |
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Am
sinnvollsten ist Energieerzeugung aus regional angepassten Quellen |
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| Feld_B_u_E_relativ.pps |
Ein
Magnetfeld im Laborsystem ist äquivalent zu einem elektrischen Feld, das sich im Laborsystem bewegt |
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Umgekehrt
gilt: Ein elektrisches Feld im Laborsystem ist äquivalent zu einem
magnetischen Feld, das sich im Laborsystem bewegt |
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Elektrische
und magnetische Felder haben die gleichen physikalischen Ursachen |
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| Feld_B_Hall_Effekt_10.pps |
In
einem Strom führenden Leiter erscheint im Magnetfeld an den senkrecht zur
Stromrichtung liegenden Rändern die Hall-Spannung |
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UH
= RH · B · b · I / A [V] |
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Hallkoeffizient RH = 1 / ( e·n
) |
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n [1/m3],
Dichte der Ladungsträger vom Betrag e [C] |
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B [T] Feldstärke des
Magnetfeldes |
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b [m] Abstand
der Ränder senkrecht zur Stromrichtung |
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I
[A] Strom |
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A
[m3] Querschnittsfläche des Leiters senkrecht zur Sromrichtung |
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Anwendung des
Hall-Effekts zur Messung: |
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magnetischer Feldstärken B |
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Elektronenzahldichten n |
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Entdeckt
1879 von E. H. Hall, Nobelpreis 1985 an K. v. Klitzing für die Messung des
Quanten-Hall Effekts |
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|
| nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1985/press.html |
Info. zum Quanten-Hall
Effekt |
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| http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1998/press.html |
Info. zum
"fraktionalen Quanten-Hall Effekt" |
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| Feld_B_Ind_10.pps |
Jeder
Strom ist von einem Magnetfeld umgeben: Ampèresches Durchflutungsgesetz |
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Bds
= 0 ·I [Tm] |
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Ein
zeitlich veränderliches elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches
Wirbelfeld |
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Bds =
0 0 · d/dt EdA
[Tm] |
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Die
magnetische Feldstärke ist die Summe beider Anteile |
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Bds
= 0 0 · d/dt EdA +
0 ·I [Tm] |
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| Feld_E_Ind_Farad_09.pps |
Ein
zeitlich veränderliches magnetisches Feld erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld
(Faradaysches Induktionsgesetz) |
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Eds = -d/dt
BdA [ V ] |
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Folge:
In der leitenden Umrandung einer Fläche wird eine Spannung induziert, wenn
sich der magnetische Fluss durch diese Fläche zeitlich ändert |
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Die
Lenzsche Regel besagt, das induzierte elektrische Feld ist dem elektrischen
Feld der Ursache entgegengerichtet |
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| Feld_E_Lenzsche_Regel_u_Beispiele_10.pps |
Die
induzierten Felder sind über ihre zeitlichen Ableitung verknüpft, deshalb
gilt: |
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Folgt
ein Feld der sin- oder cos- Funktion, dann folgen auch alle durch Induktion
verknüpften diesen Funktionen, mit gleicher Frequenz |
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Die
Lenzsche Regel besagt, das induzierte elektrische Feld ist seiner Ursache
entgegengerichtet |
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Ist
die Ursache Feld Aufbau, dann steht das induzierte Feld dem aufbauenden
entgegen |
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Ist
die Ursache Einschalten eines Stroms, dann steht das induzierte Feld dem
ansteigenden Stromfluss entgegen |
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| Ue_3_20100427_p.pdf |
Übung zu Energie-Fragen
(Reichweite usw.) im
"E-Bike" |
| Loesung_Ue_3_20100427.xls |
Lösung dazu |
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| Feld_Maxwell_Gl_10.pps |
Maxwellsche Gleichung
für statische Felder |
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Ladungen sind Quellen
elektrischer Felder |
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Satz von Gauß-Ostrogradski |
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Es gibt keine
magnetischen Einzelladungen |
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Maxwellsche Gleichung für
Magnetfelder |
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Bewegte
Ladungen (Ströme) erzeugen ein magnetisches Wirbelfeld |
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Ampèresches
Durchflutungsgesetz |
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Maxwellsche
Gleichung zur Induktion magnetischer Felder |
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Ein
zeitlich veränderliches elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches
Wirbelfeld |
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Allgemeines
Ampèresches Durchflutungsgesetz |
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Maxwellsche
Gleichung zur Induktion elektrischer Felder |
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Ein
zeitlich veränderliches magnetisches Feld erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld
mit Drehsinn links |
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Faradaysches
Induktionsgesetz mit Lenzscher Regel |
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| Feld_E_Ind_Farad_Technik_10.pps |
Spannung
für das Netz der öffentlichen Stromversorgung wird in Generatoren durch die
Änderung des Winkels zwischen
magnetischer Feldstärke und Flächennormale induziert: |
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U = U0 · sin (·t) [V] |
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= 2/T [1/s] |
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Frequenz im Netz: 1/T = 50 Hz |
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Amplitude der Spannung: U0 =
325 V , |
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Die
Leistung dieser Wechselspannung entspricht der einer Gleichspannung von 230
V |
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Man nennt
230 V den Effektivwert der Wechselspannung |
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| Wirbelstrom_08.pps |
Wird
ein leitendes, von einem Magnetfeld durchquertes Material in Bewegung
versetzt, dann entstehen durch die Lorentzkraft Ströme, die im feldfreien
Gebiet vor und hinter dem Magnetfeld zurück laufen |
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Wirbelströme
bezeichnet die Gesamtheit dieser Ströme, sie fließen als Kurzschluss-Ströme
praktisch ohne Widerstand auf geschlossenen Pfaden |
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Die
Magnetfelder um die im Leiter induzierten Ströme sind dem bewegten Magnetfeld
entgegengesetzt (Lenzsche Regel): Es
resultiert eine Kraft |
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Die
Beschleunigung durch diese Kraft gleicht die Geschwindigkeiten von Leiter und
Magnetfeld an |
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Einige Beispiele für
Anwendungen: |
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Rotoren in
Asynchron-Drehstrom Motoren |
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Das
Drehfeld induziert Wirbelströme im Rotor, die dadurch erzeugten Kräfte
versetzen ihn in Rotation |
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Wirbelstrombremsen |
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Schwingungsdämpfung |
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Bremsen bei Schienenfahrzeugen |
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| AC_Drehstrom.pps |
Als
Drehstrom bezeichnet man ein Netz aus drei um jeweils 120° gegeneinander
versetzten Sinusförmigen Wechselströmen |
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Bei
gleicher Auslastung der drei Phasen fließt kein Strom über die Erde
zurück |
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Es
stehen zwei Spannungswerte zur Verfügung, die durch die Art des Anschlusses
wählbar sind: |
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230
V im öffentlichen Netz der Haushalte, Anschluss an eine Phase und
Erdpotential |
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400
V für Verbraucher mit hoher Energie-Aufnahme, Anschluss an zwei Phasen |
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Drei
Phasen ermöglichen besonders einfache Motorkonstruktionen ohne Kollektoren:
Kurzschlussläufer |
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| AC_Effektivwert.pps |
Wechselspannungen
werden als Effektivwerte angegeben |
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Der
Effektivwert einer Wechselspannung entspricht einer Gleichspannung, die an
einem Ohmschen Widerstand die gleiche Leistung wie die Wechselspannung
erbringt |
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Ueff
= U0 / Wurzel(2) , U0 ist die maximale Amplitude der Sinusförmigen
Spannung |
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Im
öffentlichen Netz beträgt die Spannung einer Phase gegen das Erdpotential 230
V (Effektiv) |
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| AC_Schutzleiter_09.pps |
Der
Schutzleiter verhindert Stromfluss über den Körper im Fall eines Kontakts der
Phase mit dem Gehäuse |
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Die Farbe des Schutzleiters ist gelb-grün,
diese Leitung darf keinesfalls zur Stromführung verwendet werden |
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| Ue_4_20100504_p.pdf |
Übung zu Kräften im
Magnetfeld um Strom-führende Leiter |
| Loesung_Ue_4_20100504.xls |
Lösungen dazu |
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| Bauteil_Indukt_Spule_10.pps |
Beim
Anlegen einer Spannung an eine Spule stellt sich der Strom so ein, dass die
von ihm induzierte Spannung gleich der angelegten ist |
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Die
Induktivität LSpule , Einheit 1 Henry, einer langen Spule ist |
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proportional zum
Quadrat der Windungszahl N^2 |
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proportional zur Fläche A |
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umgekehrt
proportional zur Länge L der Spule |
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LSpule
=oA N^2/L |
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Die
an der Spule durch Selbstinduktion erscheinende Spannung ist U= -
LSpule·dI/dt |
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Beim
Einschalten des Stroms in einer Spule muss eine Spannung angelegt werden: Zum
Aufbau des Megnetfelds ist Energie erforderlich |
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Konstanter
Strom fließt ohne weitere Zufuhr von Energie |
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Beim
Ausschalten des Stroms wird Energie abgegeben |
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| Bauteil_Indukt_Transf_plus_09.pps |
Die Spannungen am
Transformator verhalten sich wie die Windungszahlen |
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U1/
U2=N1/ N2 |
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Im
Transformator wird Energie praktisch ohne Verluste von einer Spannung auf
eine andere umgesetzt |
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Ummagnetisieren
der Eisenkerne erzeugt Wärme, dadurch
entstehen Verluste |
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Mehrfaches
Transformieren erfordert Sinus-förmigen Wechselstrom einer Frequenz, nur dann
bleibt das Profil der Funktion erhalten |
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| Bauteil_Kapazitaet.pps |
Die
Ladung eines Kondensators ist zur Spannung proportional: |
|
Proportionalitätskonstante
ist die Kapazität |
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C=Q/U [F] |
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Kapazität und
elektrische Eigenschaften: |
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Ladung Q [C] bei Spannung U [V] |
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Kapazität und
Geometrie beim Plattenkondensator: |
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Zwei Platten mit
Fläche A [m^2] im Abstand d [m] |
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| Bauteil_Potentiale_an_CLR.pps |
Die
drei fundamentalen Bauteile der Elektrizitätslehre sind: |
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Kondensator |
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Spannung erscheint bei Ladung |
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U=Q/C |
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Elektrische Kenngröße:
Kapazität C |
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Spule |
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Spannung erscheint bei
Änderung des Stroms |
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U=-L·dI/dt |
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Elektrische Kenngröße:
Induktivität L |
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Widerstand |
|
Spannung erscheint bei Strom |
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U=R·I |
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Elektrische Kenngröße:
Widerstand R |
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Im
Unterschied zu Spule und Kondensator verwandelt der Ohmsche Widerstand
elektrische Energie in Wärme |
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| Bauteil_Einschaltvorgang_RC_08.pps |
Sind
Widerstand und Kondensator hintereinander geschaltet, dann erscheint bei
Anlegen einer Gleichspannung U0 |
|
Eine Spannungsspitze
U0 über dem Widerstand |
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Von Null
ansteigende Spannung über dem Kondensator |
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Die
Zeitkonstante =RC [s] ist die charakteristische Zeit für |
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das
Abklingen der Spannungsspitze über dem Widerstand auf etwa die Hälfte der
angelegten Spannung |
|
genauer: Teil 1/e = 0,37 |
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den
Anstieg der Spannung über dem Kondensator auf etwa die Hälfte der angelegten
Spannung |
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genauer: Teil 1-1/e = 0,63 |
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Die
Spannung über dem Widerstand entspricht der Ableitung der Spannung am
Kondensator: Die RC Schaltung differenziert das anliegende Signal |
|
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| Ue_5_20100511_p.pdf |
Übung zu Begriffen und
Phänomenen aus der Elektrizitätslehre |
| Loesung_Ue_5_20100511.xls |
Losungen dazu |
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| AC_Wid_an_CLR.pps |
Kapazitiver Widerstand |
|
R=1/(C) |
|
Isolator für Gleichspannung, |
|
bei
Wechselspannung umgekehrt proportional zur Frequenz |
|
Phasenverschiebung:
Strom 90° vor Spannung |
|
Ohmscher Widerstand |
|
R |
|
unabhängig von der Frequenz, |
|
Strom und Spannung in Phase |
|
Induktiver Widerstand |
|
R=
L |
|
Kurzschluss für
Gleichspannung, |
|
bei
Wechselspannung proportional zur Frequenz |
|
Phasenverschiebung:
Strom 90° hinter der Spannung |
|
|
| Bauteil_Energie_in_Feldern.pps |
Die
Energie der elektrischen und magnetischen Felder ist im Raum lokalisiert |
|
Das Quadrat
der Feldstärke bestimmt die Energiedichte |
|
Energiedichte
im |
|
elektrischen Feld w=0·E^2/2 [J/m^3] |
|
magnetischen
Feld w=B^2/(2·0 ) [J/m^n3] |
|
|
| Schwingung_mit_CL.pps |
Die
Reihenschaltung von Kapazität und Induktivität ergibt einen elektrischen
Schwingkreis |
|
Nach Anregung
schwingt Spannung und Strom |
|
der
Strom ist gegenüber der Spannung um 90° phasenverschoben |
|
Quadrat der
Kreisfrequenz ^2=1/(L·C) [1/s^2] |
|
L Induktivität [Henry] |
|
C Kapazität [Farad] |
|
Die elektrische Energie
ist abwechselnd |
|
im Magnetfeld der Spule und |
|
im elektrischen
Feld des Kondensators lokalisiert |
|
Die
Verkleinerung der Bauteile (Kapazität, Induktivität) erhöht die Frequenz |
|
|
| Schwingung_Vergleich_El_Mag_u_Mech.pps |
Modellsysteme für Schwingungen: |
|
Mechanisch:
Kopplung einer Masse mit einer Feder |
|
die
Trägheitskraft der Masse ist umgekehrt gleich der zur Auslenkung
proportionalen rücktreibenden Kraft der Feder (Hookesches Gesetz) |
|
Elektrisch:
Kopplung einer Spule mit einem Kondensator |
|
die
durch zur Änderung des Stroms proportionale Spannung über der Spule ist
gleich der zur Ladung proportionalen Spannung über dem Kondensator |
|
In
beiden Systemen ist die Energie während der Schwingung im Takt der Periode in
unterschiedlichen Bauteilen lokalisiert |
|
|
| El_Mag_Hertzscher_Dipol.pps |
Der
Hertzsche Dipol ist ein verkleinerter Schwingkreis aus Kapazität und
Induktivität |
|
Bei
Verkleinerung von Kapazität und Induktivität folgt: |
|
Die Frequenz nimmt zu |
|
Die
Lokalisierung der Felder bei den Bauteilen nimmt ab, das Streufeld nimmt zu
und verbreitet sich mit Lichtgeschwindigkeit in den Raum |
|
Auch
im Vakuum induziert ein variables elektrisches Feld ein magnetisches und
umgekehrt |
|
Bei
Sinusförmiger Anregung laufen die Felder als Wellen in den Raum |
|
Feldstärken
enthalten Energie, deshalb fließt auch die Energie mit Lichtgeschwindigkeit
in den unendlichen Raum |
|
|
| El_Mag_Sender.pps |
Elektrische Schwingkreise |
|
Technischer Wechselstrom
bis Mikrowelle |
|
Beschleunigte Ladungen |
|
Röntgenstrahlung,
Synchrotronstrahlung Molekülschwingungen, Schwingungen von Atomen in Gasen,
Flüssigkeiten und Festkörpern |
|
Infrarotstrahlung |
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Gemeinsame
Grundlage: Maxwellsche Gleichungen (Induktion, Ausbreitung der
Feldstärken) |
|
Elektromagnetische
Strahlung bei elektronischen Übergängen |
|
Äußere
Schalen: IR-, sichtbares Licht, UV-Strahlung |
|
Innere Schalen:
Röntgenstrahlung |
|
Elektromagnetische
Strahlung bei Kernreaktionen |
|
Gamma
Strahlung |
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Die
Emission bei elektronischen Übergängen und bei Kernreaktionen erfordert
Neues: Die Quantenmechanik |
|
|
| Ue_6_20100518_Fadenstrahlrohr_p.pdf |
Übung zur e/m Bestimmung im
"Fadenstrahlrohr" |
| Loesung_Ue_6_20100518.xls |
Lösung dazu |
|
|
| Gekoppelte_Schwingungen_10.pps |
Eine
schwache Kopplung zweier identischer Oszillatoren mit einer einzigen
Eigenfrequenz bewirkt |
|
Zwei Schwingungsmoden mit |
|
unterschiedlichen
Eigenfrequenzen und |
|
unterschiedlichen
Symmetrie Eigenschaften |
|
Überlagerung
beider Schwingungen führt zu
Schwebungen |
|
Man findet diese Effekte
der Kopplung in |
|
Zwei
mechanischen Pendel, gekoppelt über eine kleine Feder |
|
Zwei
elektrischen Schwingkreisen, gekoppelt über einen kleinen Anteil ihres
Magnetfeldes |
|
|
| Schwingungen_Fourier_Summe.pps |
Die
Überlagerung von harmonischen Schwingungen ähnlicher Frequenz führt zu
Schwebungen |
|
Die
Überlagerung von harmonischen mit Vielfachen einer Grundfrequenz zeigt an
Stellen der Maxima der Grundfrequenz |
|
Schmale,
aber um die Anzahl der Summanden verstärkte Maxima |
|
Ein
in der Zeit kurzes, schlagartiges Ereignis besteht demnach aus vielen
Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen
zu einem breiten Frequenzband |
|
Je kürzer das
Signal, desto breiter ist das Band |
| Harmonische_Mappe1.xls |
Rechnungen dazu |
|
|
| Atom_Strahlungsemission_10_kurz.pps |
Bohrs
Modell: Elektronen kreisen als geladene, mechanische Objekte auf diskreten
Bahnen um den Kern. Für ein Elektron auf Bahn n = 1,2, gilt: |
|
Der Drehimpuls ist
quantisiert: J = n · h |
|
Bei
Kernladungszahl Z ist die Energie des Elektrons : En = E1 · Z2 / n2 , E1 =
13,6 [eV] |
|
Beim
Wechsel der Bahn wird entweder mechanische Energie zugeführt oder
elektromagnetische Strahlung absorbiert oder emittiert |
|
Die
Frequenz der Strahlung bei Übergang von einer Bahn mit Quantenzahlen m zu n
beträgt |
|
fmn= 3,29·1015 ·Z2·(1/n2-1/m2) [Hz] |
|
die Wellenlänge mn = c
/ fmn [m] |
| Atom_Bohr_mit_Berechnung_des_Bahnradius_10.pps |
Detaillierte
Rechnungen zu Bahnradien / Energie-Werten: |
| Atom_Bohr_mit_Berechnung_der_Energie_10.pps |
|
|
|
| WW_Strahlung_mit_Gas_Fluessig_10.pps |
Wechselwirkung
mit sichtbarem Licht betrifft die Valenzelektronen |
|
Kopplung zwischen
Atomen verbreitert die Linien |
|
Nur Anregung
freier Atome liefert scharfe Linien |
|
Moleküle zeigen zwei Effekte: |
|
1.Durch
Kopplung Verbreiterung, Feinstruktur der Linien des freien Atoms |
|
2.Schwingungs-Spektren
zeigen die Kopplung der elektromagnetischen Welle an mechanische
Schwingungen |
|
3.In
Lösungen verbreitert die Kopplung an die Atome des Lösungsmittels die Linien
noch stärker |
|
Wechselwirkung
mit Röntgenstrahlung betrifft alle Elektronen (kohärente Streuung) oder
Elektronen auf inneren Schalen (Photo Effekt) |
|
ist deshalb unabhängig
vom Aggregatzustand |
|
|
| Ue_7_20100601_p.pdf |
Übung zu Transformatoren
und Wechselstrom-Widerständen |
| Bauteil_Kirchhoffsche_Regeln.pps |
Kirchhoffsche Regeln,
Voraussetzung zur Lösung der Aufgabe 2 |
| Loesung_Ue_7_20100601.xls |
Lösungen dazu |
|
|
| Roe_Strahlung_Erzeugung_10.pps |
Aufbau
einer Röntgenröhre: Zwischen einer Glühkathode und der Anode liegt
Hochspannung (40-100 kV) |
|
Zwei
voneinander unabhängige Prozesse verursachen Röntgenstrahlung: |
|
Auf
der Anode abgebremste Elektronen senden Bremsstrahlung aus |
|
Bei
Beschleunigung mit Spannung U in [kV] folgt die Wellenlänge in
[Å] |
|
= 12,4 / U [Å]
(1 Å = 0,1 nm) |
|
Die
angeregten Atome der Anode emittieren zusätzlich charakteristische
Strahlung |
|
|
| Roe_Strahlung_Char_Werte_10.pps |
Die
angeregten Atome der Anode emittieren charakteristische Strahlung |
|
Näherung
zur Berechnung der Wellenlängen nach Bohrs Modell für Wasserstoff-ähnliche
Atome. Bei Übergang von Schale m zu n |
|
= 1/(RH·Z^2) /
(1/n^2-1/m^2) [m] |
|
Mit der
Rydbergkonstanten RH = 1,097·10^7 [1/m] |
|
In
Atomen mit mehreren Schalen erzeugt die Kopplung zwischen den Elektronen
weitere Energie-Niveaus à Mit Bohrs Modell nicht zu beschreiben |
|
|
| http://www.physics.nist.gov/PhysRefData/XrayTrans/index.html |
Quelle für genaue
Zahlenwerte für Wellenlänge und Energie bei Emission von Röntgenstrahlung
durch Anregung der Atome |
|
|
| WW_Strahlung_Teilchen_Koh_10.pps |
Es
gibt vier Arten der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie, eine
ist |
|
Anregung
kohärenter Streuung (klassische Streuung, Rayleigh-Streuung)) |
|
Als
Kugelwelle auslaufende Strahlung mit Energie der anregenden Strahlung |
|
steht
in fester Phasen Beziehung zur anregenden Strahlung |
|
Ursache:
Erzwungene Schwingung der gesamten Ladungsverteilung, angetrieben vom
ankommenden elektromagnetischen Feld |
|
Kohärente
Strahlung eignet sich zu Beugung und Abbildung, denn: |
|
Die
von einem Objekt in unterschiedliche Richtungen ausgehenden Wellen enthalten
in ihrer Gesamtheit Information über die Gestalt des Objekts |
|
|
| WW_Strahlung_Teilchen_Inkoh_10.pps |
Es
gibt vier Arten der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie |
|
Anregung
kohärenter Streuung (klassische Streuung) |
|
Anregung
inkohärenter Streuung durch Photoeffekt |
|
Die einfallende Strahlung
ionisiert ein Atom |
|
Die gesamte Energie des
Srahlungsquants wird umgewandelt in: |
|
Ablösearbeit des Elektrons |
|
kinetische Energie des
emittierten Elektron |
|
Beim
Auffüllen der Lücke wird Fluoreszenz Strahlung emittiert |
|
Kleinere
Energie als die der einfallenden Strahlung |
|
Zeitlich
verzögert, deshalb ohne feste Phasenbeziehung zur einfallenden Strahlung:
Inkohärente Streuung |
|
Compton-Effekt:
Stoß zwischen Photon und Elektron auf einer äußeren Schale, es gilt neben
der Energie- die Impulshaltung |
|
Beim
Compton-Effekt zeigt die Welle einen Impuls wie ein Teilchen, es gilt die de
Broglie Beziehung: p = h /
[mkg/s] |
|
Die
auslaufende Welle hat eine kleinere Energie als die anregende, Beitrag zur
Inkohärenten Streuung |
|
mit der
Differenz wird das Elektron beschleunigt |
|
Paarbildung:
Stoß zwischen hochenergetischem Photon (W>1 Mev) und Kern oder
Elektron |
|
Die
Energie des Strahlungsquants verwandelt sich in die Masse eines
Elektron-Positron Paares: h·f = 2·m·c2 , |
|
f [1/s] Frequenz der Strahlung |
|
h = 6,62 ·10-34
[J/s] Plancks Wirkungsquantum |
|
|
| Ww_Roe_Mat_Abs_10.pps |
Das
Absorptionsgesetz: Die Intensität I0
wird nach einem Weg der Länge d [1/cm] durch Materie mit
Absorptionskoeffizienten [1/cm] zur Intensität I abgeschwächt - unabhängig vom Aggregatzustand |
|
I
= I0·exp(-d) |
|
Der
Absorptionskoeffizient steigt mit der |
|
Elektronenzahl und Dichte
des Absorbers |
|
Bei
Energie der Strahlung zwischen 1 und 120 keV mit der Wellenlänge der
einfallenden Strahlung |
|
Blei absorbiert sehr gut: |
|
3 mm Pb absorbiert Strahlung bis zu 120 keV praktisch vollständig |
|
Aluminium |
|
2,5 mm dickes Aluminium |
|
absorbiert
weiche Strahlung unter 20keV praktisch vollständig |
|
ist für
Strahlung höherer Energie praktisch transparent |
|
ist
deshalb Standard-Filter an Röntgenröhren zur Durchleuchtung |
|
Ist
für Abschirmungen - wegen der Transparenz für Strahlung mit Energie über
20keV - ungeeignet |
|
|
| http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/Text/XCOM.html |
Quelle für
Energie-abhängige Streuquerschnitte |
|
|
| Roe_in_der_Medizin.pps |
Medizinisches
Röntgen unterscheidet zwei
Betriebsarten: |
|
Durchleuchtung des ganzen
Körpers: |
|
Wolfram Anode mit 2,5 mm
Al-Filter |
|
Betriebsspannung 60-120 kV |
|
Weiche
Anteile werden vom 2,5 mm Al Filter absorbiert |
|
Mammographie: |
|
Rhodium oder Mo
Anode mit Kantenfilter bei 18 kV |
|
Betriebsspannung 30 kV |
|
Schmales
Band mit weicher Strahlung ist erwünscht, um durch den Photoeffekt kleine
Unterschiede im Aufbau des Gewebes zu zeigen |
|
|
| WW_Roe_Dosimetrie_09_Messgroessen.pps |
Wichtigste
Messgrößen für ionisierende Strahlung: |
|
Becquerel,
Quotient: Zähler Anzahl der Zerfälle, Nenner Zeit |
|
Gray:
Quotient, Zähler: dem Absorber bei Absorption ionisierender Strahlung
zugeführte Energie, Nenner: Masse des Absorbers |
|
Sievert:
Produkt aus Gray und Bewertungsfaktor, 1 für Röntgenstrahlung |
|
|
| WW_Roe_Dosimetrie_09_Grenzwerte.pps |
Strahlenbelastung
von ca. 1 mSv/Jahr ist Teil unserer natürlichen Umwelt |
|
Zusätzliche Belastung ist
zu vermeiden |
|
Jedes
energiereiche Strahlungsquant kann biologisch wirksam sein und Mutationen
auslösen |
|
Grenzwert
für Beruflich strahlenexponierte Personen 20 mSv/Jahr |
|
Grenze der Berufslebensdosis
400 mSv |
|
Überwachung
der Dosisleistung am Arbeitsplatz ist die wichtigste Maßnahme |
|
Optimal:
Instrumente mit akustischem Signal bei Auftreffen eines
Strahlungs-Quants |
|
|
| http://bundesrecht.juris.de/strlschv_2001/index.html |
Link zur
Strahlenschutzverordnung |
|
|
| http://www.bmu.de/strahlenschutz/rechtsvorschriften_technische_regeln/doc/6887.php |
Zusammenfassung und
Anmerkung zur Strahlenschutzverordnung |
|
|
| http://www.helmholtz-muenchen.de/fileadmin/EPCARD-Portal/PDF/Strahlung_Fliegen.pdf |
Information zur
Strahlenbelastung auf Flügen |
|
|
| mensch_und_umwelt.pdf |
Wissenschaftlich fundierte
Darstellung der Wirkung ionisierender Strahlung auf den Menschen in der
Medizin, der Technik und praktisch allen Bereichen des täglichen Lebens. Sehr
empfehlenswert. |
|
|
| Roe_Tech_Struk_09.pps |
Röntgenröhren
zur Feinstruktur Untersuchung strahlen praktisch ohne Filter (0,4 mm
Be-Fenster) |
|
Langwellige
Anteile sind erwünscht, wegen starker Anregung kohärenter Streuung |
|
Aber:
Wegen der ionisierender Wirkung und hohen Absorption ist diese Strahlung zur
medizinischen Durchleuchtung völlig ungeeignet |
|
Röntgenröhren
zur Grobstruktur Untersuchung (Durchleuchtung) sind wie Röhren für
medizinisches Röntgen - mit 2,5 mm Al Filter, ausgestattet |
|
Absorbiert
langwellige Strahlung mit Energie unter 20 keV, sie trägt wegen hoher
Absorption durch Photoeffekt nicht zur Durchleuchtung bei |
|
|
| Ue_8_20100608_p.pdf |
Übung zu Wellenlängen,
Streuquerschnitt, Absorption, Halbwertsdicke |
| Loesung_Ue_8_20100608.xls |
Lösungen dazu |
|
|
| Aufbau_der_Materie_isotrop_kurz.pps |
Die
Materie besteht aus Massen und Ladungen, die im dreidimensionalen Raum auf
vielfältige Weise kombiniert werden können |
|
Coulomb-
und Trägheitskräfte steuern die Struktur auf atomarer Skala (z. B. Struktur
der Moleküle), |
|
Gravitations-
und Trägheitskräfte wirken in großen Dimensionen (z.B. Satellitenbahnen,
Planetenbewegung) |
|
Kräfte werden durch Felder
übermittelt |
|
Die Energie bleibt
bei allen Vorgängen erhalten |
|
|
| Atom_kov_Bindung_09.pps |
Anisotrope
Wechselwirkung entsteht durch anisotrope Orbitale: |
|
Folge
der Quantenmechanik, jenseits des Bohrschen Atommodells |
|
Folge: kovalente Bindung |
|
Die
meisten Bindungen zeigen Mischungen von ionischen und kovalenten
Anteilen |
|
Beispiel:
Kohlenstoff als Diamant, Graphit und Fulleren. Diese Stoffe unterscheiden
sich in der Form der Orbitale und deshalb in |
|
Art
der Bindung |
|
Struktur |
|
physikalischen
Eigenschaften |
|
|
| Atom_Baendermodell_09.pps |
In
dicht gepackten Kristallen erscheinen die Valenzelektronen aufgrund ihrer
dichten Packung als quantenmechanische Gesamtheit, jedem Elektron wird eine
Welle zugeordnet |
|
Lösung
der Schrödingergleichung für Elektronen im Kasten |
|
Elektronen
sind Fermionen: Jeder Zustand kann nur einmal vergeben werden |
|
Ein
Band enthält 2 N Zustände, N ist die Anzahl der Elementarzellen im
Kristall |
|
|
| Atom_Baender_Leitfaehigkeit_10.pps |
Elektrische
Leitung bedeutet Energiezufuhr für die Elektronen |
|
Leiter sind
Kristalle mit freien Energieniveaus |
|
Isolatoren sind
Kristalle mit besetzten Niveaus |
|
Halbleiter
sind Kristalle, in denen eine kleine Energiezufuhr ausreicht, die Bandlücke
von einem besetzten zu einem unbesetzten Band zu überwinden |
|
|
| Mat_Eig_np_junction_10.pps |
Bei
Berührung des n- und p leitenden Bereichs beginnt an der np junction
Diffusion der Ladungsträger über die Berührungsfläche |
|
Durch
Rekombination entsteht ein isolierender Bereich um die np junction, die Dicke
der isolierenden Schicht ist durch die angelegte Spannung steuerbar |
|
Polung
in Flussrichtung: Anschluss einer positiven Spannung am p-Halbleiter |
|
Polung
in Sperr-Richtung: Anschluss einer negativen Spannung am p-Halbleiter |
|
|
| Mat_Eig_Halbleiter_Anwendung_09.pps |
Stromfluss
in Flussrichtung führt zur Rekombination der Ladungsträger in Nähe der np
junction |
|
Die
dabei freiwerdende Energie erscheint als Wärme und in Photodioden als
Licht |
|
Die np junction erwärmt sich |
|
Bei
Stromfluss in Sperrichtung nehmen Elektronen Energie aus dem Wärmebad der
Gitterschwingungen auf, |
|
np junction kühlt sich ab |
|
Anwendung im Peltier-Element |
|
Z.
B. zur Kühlung in Kühltaschen für den Anschluss an die Steckdosen im
Auto |
|
|
| Mat_Eig_Halbleiter_Transistor_10.pps |
Das
Potential an der Basis steuert den Stromfluss zwischen Emitter und
Kollektor |
|
Ein
kleiner Strom vom Emitter zur Basis steuert den hohen Strom zwischen Emitter
und Kollektor |
|
Zentrales
Bauteil der Halbleiterelektronik, das bis auf nahezu atomare Dimension
verkleinert werden kann |
|
Thema der Nano-Technologie |
|
Transistoren
ermöglichen schnelles Schalten, sie sind deshalb die Grundlage der
maschinellen Informationsverarbeitung |
|
|
| Bauteil_Induktion_Strom_u_Supraleiter_10.pps |
Nähert
man einer Leiterschleife, die eine Fläche A umrandet, ein Magnetfeld, dann
wird in der Schleife |
|
eine
Spannung U induziert, solange sich das die Fläche A durchdringende Magnetfeld
B ändert (Induktionsgesetz) |
|
Dadurch
erscheint ein Strom, umgeben von einem Magnetfeld |
|
Die
Lenzschen Regel besagt: Induzierte Größen sind ihrer Ursache
entgegengerichtet |
|
folglich
kompensiert der durch Induktion entstehende Strom das äußere Magnetfeld, es
ist ihm entgegengerichtet |
|
Der
Strom (und sein Magnetfeld) klingt nach einiger Zeit aufgrund der ohmschen
Widerstandes der Schleife ab |
|
Nähert man einem
Supraleiter ein Magnetfeld, dann |
|
fließt
der im Supraleiter induzierte Strom ohne Verluste mit konstanter Stärke, so
dass der Magnet aufgrund im Material lokalisierter Feldlinien - dauerhaft
über dem Supraleiter in Schwebe bleibt |
|
|
| Ue_9_20100615_p.pdf |
Übung zu RC - Bauteilen,
Ein- und Ausschalt-Vorgang, Zeitkonstante |
| Loesung_Ue_9_20100615.xls |
Lösungen dazu |
|
|
| Mat_Eig_Elektrolyt_Leitg_Med.pps |
Bewegliche
Ladungsträger in Flüssigkeiten: Ionen oder Radikale. |
|
Elektrolyte
sind Stoffe, deren Lösungen oder Schmelzen den Strom auf diese Weise
leiten |
|
Die
Faradayschen Gesetze verbinden den Ladungs- mit dem Materialtransport |
|
Hydratation:
Anlagerung von Wasserdipolen an Ionen |
|
Solvatation:
Allgemein für die Anlagerung von Lösungsmitteln an Moleküle, Atome, Ionen
oder Kolloide |
|
Bei
nicht zu hohen Konzentrationen folgen Strom und Spannung dem ohmschen
Gesetz |
|
|
| Mat_Eig_Spannungsreihe.pps |
Voltasche
Spannungsreihe: Spannungen unterschiedlicher Metalle gegen eine Wasserstoff
Elektrode |
|
Galvanische
Elemente: Zwei unterschiedlich edle Metalle in einem Elektrolyten des
edleren Metalls: Die Differenz ihrer Spannung gegen die Lösung erscheint an
den Elektroden |
|
Bei
nicht zu hohen Konzentrationen folgen Strom und Spannung dem ohmschen
Gesetz |
|
|
| Potential_u_Ionenkanaele.pps |
Der
Ladungstransport erfolgt über Ionen und nicht, wie in den meisten
Anwendungen der Technik, über Elektronen |
|
Partielle
Öffnung der Ionenkanäle ändert die Leitfähigkeit der Membran
Ionen-selektiv |
|
Ersatzschaltbild
der elektrischen Eigenschaften, es entspricht für jede Ionen Art |
|
Der
Konzentrationsgradient einer Spannungsquelle |
|
Die
Leitfähigkeit der Membran einem ohmschen Widerstand |
|
die
Ladungskonzentration zu beiden Seiten der Membran einem Kondensator
(Kapazität) |
|
Das Ruhepotenzial
liegt etwa bei -60 bis -70 mV |
|
|
|
|
| Ue_10_20100622_p.pdf |
Übung zur Ionisation im
Röntgenstrahl |
| Loesung_Ue_10_20100622.xls |
Lösung dazu |
|
|
| Mat_Eig_Dielektritzitaetszahl.pps |
Definition
der relativen Permittivität (=Dielektrizitätszahl) r : Quotient, |
|
Zähler: Kapazität mit Material,
C |
|
Nenner: Kapazität ohne
Material, CVac |
|
r
= C / CVac |
|
Ursache:
Materie in einem elektrischen Feld erzeugt aufgrund der Polarisation ein
Gegenfeld |
|
dieses Feld
setzt die ursprüngliche Feldstärke und |
|
in
einem Kondensator mit Platten im Abstand d die Spannung U = E·d herab |
|
Ein
Kondensator mit Dielektrikum speichert bei gleicher Spannung mehr Ladung |
|
|
| Mat_Eig_Dielektrik_10.pps |
Eigenschaften
der Materialien in allen Aggregatzuständen: |
|
Dielektrika:
Dipole entstehen im Feld durch Verschiebung der Elektronenhüllen gegen die
pos. Ladung, 1< r <10 |
|
Ursache
für kohärente Streuung bei Anregung durch eine ebene Welle |
|
Parelektrika:
Vorhandene Dipole werden im Feld ausgerichtet, 10< r <100 |
|
Sättigung, wenn alle
Dipole ausgerichtet sind |
|
Temperatur
wirkt gegen die Ordnung: Curie Gesetz für die Suszeptibilität,
proportional 1/T |
|
Verluste
durch Reibung bei der Umorientierung unter Wechselfeldern, Anwendung bei
Wasser: Mikrowellenherd |
|
Nur
in Kristallen: |
|
Ferroelektrika,
Ausrichtung großer polarer Bereiche,
103 < r <105 |
|
Pyroelektrika:
Dipole entstehen bei Erwärmung |
|
Piezoelektrika: Dipole
entstehen bei Druck |
|
Anwendung:
Elektromechanische Aktoren |
|
|
| Optik_Polarisation.pps |
Elektromagnetischen
Wellen sind Transversalwellen: Die Feldstärke steht immer senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung |
|
Polarisation
ist eine Eigenschaft aller elektromagnetischen Wellen |
|
Lineare Polarisation: |
|
Vektor
der Feldstärke schwingt in einer Ebene, der Polarisationsebene |
|
Zirkulare
und elliptische Polarisation entsteht bei Addition zweier Wellen orthogonaler
Feldstärken |
|
Zirkular:
Phasenverschiebung zwischen den Wellen genau ¼ Periode |
|
Elliptisch:
Beliebige Phasenverschiebung zwischen den Wellen |
|
|
| Optik_Polarisatoren_durch_Streuung.pps |
Licht,
das von kleinen Partikeln mit Durchmesser in der Größenordnung der
Wellenlänge gestreut wurde, ist polarisiert |
|
Streuung von Licht an
Kolloiden |
|
Verursacht
die Farben bei Sonnen Auf- und Untergängen |
|
|
| Optik_Snellius.pps |
Die
Dielektrizitätszahl eines Mediums bestimmt den Brechungsindex (Maxwellsche
Beziehung) |
|
n
= Wurzel () |
|
Der
Brechungsindex zeigt die Ausbreitungsgeschwindigkeit cMedium einer Welle im Medium |
|
cMedium = c /
n , c Lichtgeschwindigkeit im
Vakuum |
|
Das
Snelliussche Brechungsgesetz zeigt die Richtungsänderung einer Welle, die aus
Medium 1 in ein Medium 2 mit Winkel gegenüber der Normalen der
Oberfläche dieses Mediums, dem Einfallslot, eintritt und unter dem Winkel
zum Lot in das Medium 2 gebrochen wird |
|
sin() /
sin() = nMed2 / nMed1 |
|
nMed2 , nMed1 Brechungsindizes beider Medien |
|
Die Brechung ist
die Grundlage aller Abbildungen |
|
in der Natur mit Hilfe der
Augen |
|
in der Physik und Technik mit
Linsen |
|
Der
Brechungsindex ist - für das gleiche Material - eine (nichtlineare) Funktion
der Frequenz der Strahlung |
|
|
| Optik_Pol_u_Aktivitaet_10.pps |
Erzeugung von polarisiertem
Licht durch |
|
Streuung an kleinen Partikeln |
|
Doppelbrechung
an optisch anisotropen Kristallen: |
|
Lichtgeschwindigkeit
variiert mit Ausbreitungsrichtung und Polarisation |
|
Lineare Polarisation durch
Dichroismus |
|
Zirkulare
Polarisation durch Lambda-Viertel Plättchen |
|
Folien mit anisotropen
Baugruppen |
|
Optische
Aktivität: |
|
Tritt
polarisiertes Licht durch ein Medium mit chiralen Baugruppen, dann dreht sich
die Polarisationebene in Richtung des Drehsinns der Baugruppe (optische
Aktivität) |
|
|
| Optik_Interferenz_u_Abbildung_Special.pps |
Bei
kohärenter Anregung eines Objekts bilden die divergenten, auslaufenden Wellen
ein Interferenzmuster |
|
Das
Interferenzmuster trägt die Information in den unendlichen Raum |
|
-robuster
Teil der Abbildung, nur durch Absorption vermeidbar- |
|
Zur
Abbildung führt die Überlagerung der vom Objekt auslaufenden Wellen |
|
1.Mehrere Wellen sind zu
erfassen (Apertur) |
|
2.Divergente
werden zu konvergenten Wellen umgelenkt (Linse) |
|
3.Die
Abbildungsebene muss am richtigen Ort stehen (Fokussierung) |
|
- empfindlicher Teil der
Abbildung - |
|
|
| Ue_11_20100629_p.pdf |
Übung zur Berechnung der
Energie- aus der Ionendosis |
| |
Anleitung dazu in
"WW_Roe_Dosimetrie_10_Ionen_zu_Energiedosis.pps" |
| Loesung_Ue_11_20100629.xls |
Lösung |
|
|
| WW_Roe_Dosimetrie_10_Ionen_zu_Energie.pps |
Die
Energiedosis ist meistens klein (z. B. Gy), deshalb schwer zu
messen |
|
Aber: |
|
Auch
kleine Ladungsänderungen führen in Kondensatoren kleiner Kapazität zu großen,
leicht messbaren Spannungsänderungen |
|
Deshalb
misst man die Ionendosis J [C/kg], vorzugsweise in Luft, und berechnet daraus
- durch Multiplikation mit f = 35 Gy/(C/kg) - die Energiedosis D = f · J [Gy] |
|
gebräuchliches
Verfahren zur Bestimmung der Energiedosis |
|
|
| Optik_Instrumente_Abb_10.pps |
Brillen verbessern die
Abbildung |
|
Korrigieren
die Brechkraft, damit das Bild auf die Netzhaut zu liegen kommt |
|
Die Abbildungsgleichung:
1/f = 1/g + 1/b |
|
f Brenn-, g
Gegenstands- , b Bildweite [m] |
|
Bei
Zerstreuungslinsen erhalten f und b ein negatives Vorzeichen |
|
Brechkraft
einer Linse: B = 1/f [1/m], Einheit Dioptrie, 1 dpt = 1/m |
|
Konstruktion von
Strahlengängen: Brechung |
|
Parallel
zur optischen Achse einfallender Strahlen durch den Fokus |
|
Parallel
zueinander einfallender Strahlen durch
einen Punkt in der Fokalebene |
|
Ungebrochen
verlaufen Strahlen durch die Mitte der Linse geradlinig weiter |
|
|
| Optik_Instrumente_Lupe_Fern_Mikro_10.pps |
Fernrohr,
Lupe und Mikroskop verbessern die Auflösung, indem sie |
|
1.die
Winkel zwischen benachbarten Wellenfeldern vergrößern, so dass von dicht
benachbarten Punkten ausgehende Wellen auf möglichst weit voneinander
entfernte Punkte der Netzhaut fokussieren |
|
2.in
Lupe und Mikroskop und Fernrohr Wellen aus einem größeren Winkelbereich in
das Auge führen |
|
Vergleichbar einem
Trichter für Lichtwellen: Ihr wichtigstes Merkmal ist die Öffnung, die
Linsen lenken die Wellen um |
|
Grenze
der Auflösung: In jedem Fall beobachtet man das Beugungsbild des Objekts und
der kreisförmigen Aperturblende. Speziell gilt |
|
Im
astronomischen Fernrohr: Je größer die Blende, desto kleiner ist die
Abweichung der Richtung der an der Aperturblende gebeugten Wellen von der
Richtung der einfallenden Welle, deshalb gibt es Fernrohre mit
Blendendurchmesser bis zu 2 m |
|
Im
Mikroskop: Zu kleine Objekte senden ein Interferenzbild mit großen
Beugungswinkeln, das Objektiv erfasst deshalb zu wenige Wellen: unscharfes
Bild |
|
|
| Optik_Beugung_Spalt_u_Gitter.pps |
Das
Interferenzmuster von einfachen oder periodischen Objekten wird
Beugungsbild genannt |
|
Das
Beugungsbild eine vertikalen Spalts ist eine Folge horizontal liegender
verwaschener Striche, deren Abstand sich reziprok zur Spaltbreite
verhält |
|
Nur
das Beugungsbild periodischer Objekte zeigt scharfe Reflexe |
|
Folge
der Verstärkung der Intensität für bevorzugte Richtungen um den Faktor der
Anzahl der Elementarzellen |
|
|
| Optik_Linse_u_Aufloesung.pps |
Linsen
wandeln die von der Apertur eingelassenen divergenten Wellenfelder in
konvergente |
|
Die
Öffnung der Blende, die Apertur,
definiert die Auflösung eines optischen Instruments |
|
Kleine
Blende: unscharfes Bild, weil Wellen zum Bildaufbau fehlen |
|
Im
Grenzfall nur einer die Apertur passierenden Welle erscheint auf der
Bildebene das Beugungsbild der Apertur |
|
|
| Kernspinresonanz.pps |
Ablauf eines NMR Experiments: |
|
1.Ein
konstantes Magnetfeld Bo richtet alle Spins in der Probe parallel oder
antiparallel, mit Überschuss parallel (energetisch günstiger) |
|
2.Ein
90° Puls (enthält ein breites Frequenzband) senkrecht zu Bo startet
Präzession der Spins bis in eine Ebene senkrecht zu Bo |
|
3.In
dieser Ebene präzedieren die Spins mit ihrer Eigenfrequenz, die von der
Umgebung abhängt |
|
4.Die
Gesamtheit der Spins induziert ein elektromagnetisches Signal, das in einer
Spule eine Spannung induziert, das NMR Signal |
|
Das
Signal ist für den Kern und seine Umgebung charakteristisch |
|
|
|
|
| Finis
- soweit |
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