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Physik für Ingenieure für Dummies

Physik für Ingenieure für Dummies

Christian Thomsen

ISBN: 978-3-527-70622-8

Sep 2011

498 pages

Select type: Paperback

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Über den Autor 9

Danksagung 9

Einleitung 21

Über dieses Buch 21

Konventionen in diesem Buch 21

Törichte Annahmen über die Leser 21

Wie dieses Buch aufgebaut ist 21

Teil I: Mechanik 22

Teil II: Thermodynamik 22

Teil III: Elektrizitätslehre und Magnetismus 22

Teil IV: Optik 22

Teil V: Atomphysik 22

Teil VI: Kernphysik 23

Teil VII: Festkörperphysik 23

Teil VIII: Der Top-Ten-Teil 23

Anhang 23

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 23

Wie es weitergeht 24

Teil I

Mechanik 25

Kapitel 1

Mathematische Buddelkiste 27

Physikalische Größen und Einheiten 27

Welche Einheit hat die Größe 28

Rechnen mit Skalaren 29

Mit Vektoren rechnen 30

Addition von Vektoren 31

Zerlegung von Vektoren 32

Länge eines Vektors 33

Skalarprodukt von Vektoren 33

Vektorprodukt von Vektoren 35

Trigonometrische Funktionen 37

Komplexe Zahlen 39

Differentiation 42

Integration 45

Einige theoretische Betrachtungen 45

Praktisches Integrieren 48

Reihenentwicklungen 50

Kapitel 2

Kräfte schaffen Bewegung 53

Bewegungen – gerade und im Kreis 53

Wie schnell darf es sein? 53

Alles dreht sich im Kreis 55

Vektoren können Kreisbewegungen beschreiben 57

Bewegung im Schwerefeld 58

Newton und Kepler waren genial 61

Das newtonsche Gravitationsgesetz 61

Keplers Gesetze 63

Kräfte und Axiome bestimmen die Mechanik 65

Erstes newtonsche Axiom 65

Zweites newtonsches Axiom 66

Der Drehimpuls 68

Drittes newtonsches Axiom 72

Kapitel 3

Arbeit und Energie 75

Arbeit müssen alle leisten 75

Leistung ist Arbeit pro Zeit 80

Energie geht uns alle an 80

Potenzielle Energie 80

Kinetische Energie 81

Rotationsenergie 81

Energie einer gespannten Feder 82

Kapitel 4

Erhaltungssätze und ihre Folgen 85

Energieerhaltung… 85

…und Impulserhaltung… 87

Elastischer Stoß 87

Inelastischer Stoß 88

Managerpendel 88

Stoßprobleme in einer Ebene 89

…und Drehimpulserhaltung auch 92

Kapitel 5

Alles schwingt 95

Ungedämpfte Schwingungen 95

Pendel als Prototyp für Schwingungen 95

Anfangsbedingungen sind manchmal mühsam 102

Wenn das Pendel mal weit ausschlägt 104

Gedämpfte Schwingung berechnen 105

Schwingungen können auch erzwungen werden 109

Kapitel 6

Wellen schlagen 115

Die Wellengleichung macht‘s 115

Wellen machen sich breit 117

Wenn Wellen sich überlagern 122

Konstruktiv oder destruktiv 122

Stehende Wellen 123

Wellen reisen in Gruppen 124

Fourier 126

Kapitel 7

Alles ist relativ… 129

Transformationen machen fit 129

Schneller geht’s nicht 131

Gleichzeitigkeit geht verloren 133

Länge, Geschwindigkeit, Masse und Energie 135

Längen verkürzen sich 135

Geschwindigkeiten addieren sich seltsam 135

Massen nehmen zu 136

Teil II

Thermodynamik 139

Kapitel 8

Temperatur: warm und kalt 141

Celsius, Fahrenheit und Kelvin 141

Das ideale Gas 143

Die Freiheit eines Moleküls 145

Ein, zwei, …, ganz viele Teilchen 145

Druck, Volumen und Temperatur halten zusammen 147

Jeder mit seiner Geschwindigkeit 149

Reale Gase: so sieht die Wirklichkeit aus 151

Kapitel 9

Zustände ändern sich 155

… in idealen Gasen… 155

Temperaturveränderungen 155

Isochoren: gleiche Volumina – keine Arbeit 156

Isothermen: die Temperatur verändert sich nicht 157

Adiabatische Prozesse 159

Isobarer Prozess: der Druck bleibt konstant 160

…und in realen Gasen 161

Wärmekapazität: je kleiner desto wärmer 162

Kapitel 10

Unordnung nimmt von selber zu 167

Entropie als thermodynamische Größe 167

Entropie als statistische Größe 171

Mit Enthalpie Gase verschieben 173

Kapitel 11

Aus Wärme Kraft erzeugen 177

Der Otto-Motor läuft rund 177

Der Carnot-Prozess ist optimal 179

Der Stirling-Motor ohne interne Verbrennung 186

Kapitel 12

Flüssigkeiten in Bewegung 191

Druckveränderung durch Schwerkraft 191

Statische Flüssigkeiten 191

Schweredruck in Gasen 194

Sich gemeinsam fortbewegen: Viskosität und Strömungen 195

Brownsche Bewegung in Flüssigkeiten 195

Strömende Flüssigkeiten 198

Strömungen mit Reibung 200

Strömungen mit höherer Geschwindigkeit 206

Teil III

Elektrizitätslehre und Magnetismus 209

Kapitel 13

Ladungen ohne Bewegung 211

Coulombgesetz 211

Elektrische Felder 215

Elektrischer Fluss 219

Elektrische Felder in Materie 222

Mit Spannung zur Spannung 225

Kondensator 226

Kapitel 14

Elektrische Ströme 233

Ströme: panta rhei (Alles fließt) 233

Kirchhoffsche Gesetze 237

Auf- und Entladen von Kondensatoren 242

Kapitel 15

Magnetfelder und Ströme 247

Magnetfelder 247

…im Vakuum… 247

…und in Materie 249

Ströme erzeugen Magnetfelder 251

Ampèresches Durchflutungsgesetz 253

Kräfte zwischen Strömen 255

Leiterschaukel 255

Biot-Savartsches Gesetz 256

Magnetfelder erzeugen Ströme 257

Wechselspannung und Wechselströme 260

Ohmsches Gesetz bei Wechselspannungen 261

Der LC-Schwingkreis 263

Kapitel 16

Elektromagnetismus 267

Elektrische und magnetische Felder 267

Ein Transformator für Wechselspannungen 269

Generatoren erzeugen Strom 270

Elektromagnetische Felder im Wechselspiel 272

Maxwells geniale Gleichungen 276

Teil IV

Optik 279

Kapitel 17

Licht verbiegen 281

Licht – Welle oder Teilchen? 281

Licht als Welle 282

Licht und Medien 285

Reflexion 285

Snelliussches Brechungsgesetz 287

Totalreflexion 291

Farbzerlegung mithilfe des Prismas 292

Linsen und Abbildungen 293

Listingsche Strahlenkonstruktion 296

Kapitel 18

Raffinierte Linsen 301

Aus der Ferne heranholen 301

Winziges ganz groß machen 302

Ganz Winziges ganz groß machen 303

Kapitel 19

Licht spaltet sich auf 307

Beugung am Spalt 307

Interferenz am Doppelspalt 310

Optische Gitter zur Analyse 312

Teil V

Atomphysik 315

Kapitel 20

Die Welt der Atome 317

Streuversuche an Atomen 317

Die Entdeckung des Photons 319

Diskrete Strahlung 324

Compton-Effekt 327

Kapitel 21

Kern und Kugeln 331

Bohrsches Atommodell 331

Elektronen treffen auf Atome 334

Kapitel 22

Atome im wirklichen Leben 337

Energiesparlampen 337

Wie viel Uhr ist es, bitte? 339

Die Grundlage des Laserschwerts 340

Mit Röntgenstrahlen durchsehen 343

Klein aber fein: die Mikrosonde 345

Kapitel 23

Quantenmechanik 347

Und wieder die Frage: Welle oder Teilchen? 347

Wellenpakete und Unschärferelation 349

Schrödingergleichung: die Königsklasse 353

Elektronen im Wasserstoffatom 358

Die Bedeutung der Quantenzahlen l und ml 364

Pauli-Prinzip und Periodensystem 365

Stern-Gerlach-Experiment 367

Teil VI

Kernphysik 369

Kapitel 24

Kerne: kleiner als Atome 371

Kernform 371

Sie bauen sich Atomkerne 375

Wieso hält ein Kern zusammen? 376

Ein Kern wiegt zu wenig 379

Kapitel 25

Plötzlich ist der Kern weg 383

Der Kern spuckt ein großes Teilchen aus 383

Zwei kleine Teilchen entfliehen dem Kern 385

Kerne entsenden Photonen 388

Energie von Alpha-, Beta- oder Gamma-Strahlen 388

Countdown zum Zerfall 389

Kernspaltung und Kernfusion – jetzt wird es heiß 392

Kapitel 26

Anwendungen der Kerne 395

Energieerzeugung mit Kernen 395

Kernspaltung oder »leichter-werdende« Kerne 395

Kernfusion oder »schwerer-werdende« Kerne 397

Strahlungseinheiten 398

Wirkung der Kernstrahlung 399

Zerfälle zählen 400

Teil VII

Festkörperphysik 403

Kapitel 27

Atome in Festkörpern 405

Alles hat seine Ordnung 405

Ungeordnete Festkörper 407

Einkristalle und Einheitszellen 407

Basis mit nur einem Atom 411

Basis mit mehr als einem Atom 413

Strukturbestimmung mit Röntgenstrahlung 414

Konstruktive Interferenzen mit der Bragg-Bedingung 416

Auswahlregeln bei der Röntgenstreuung 417

Kapitel 28

Das Gitter bewegt sich 421

Reziproker Raum – eine geniale Erfindung 421

Lineare Kette mit einem Atom in der Basis 423

Lineare Kette mit zwei Atomen in der Basis 426

Ein wirklicher Kristall 430

Kapitel 29

Elektronen im Festkörper 433

So tun als ob es nur Elektronen gäbe 433

Jedes Elektron hat einen Zustand für sich 435

Gefangene Elektronen 439

Elektronen spüren die Atome 440

Elektronen bewegen sich 443

Kapitel 30

Halbleiter sind keine halben Leiter 451

Löcher: das Gegenteil von Elektronen 451

Direkt oder indirekt 452

Zu Gast beim Halbleiter 454

Dotierte Halbleiter werden aufgewärmt 458

Alle wollen mobil sein 463

Der p-n-Übergang 464

In einfachem Kontakt 464

Mit Spannung wird’s spannend 466

Kapitel 31

p-n-Übergang in der Praxis 471

Diode – Einbahnstraße für Ströme 471

Sonnenlicht in Strom verwandeln 473

Transistor: elektronischer Schalter für Ströme 476

Eine »umgekehrte« Solarzelle 479

Kohärentes Licht aus Dioden: Halbleiterlaser 480

Teil VIII

Der Top-Ten-Teil 483

Kapitel 32

Zehn Ratschläge, um Spaß an der Physik zu haben 485

Studieren geht über Probieren 485

Nur das Experiment zählt 485

Selber experimentieren 485

Applets: mit dem Internet arbeiten 485

Experimentieren von zuhause aus 485

Einblick in die theoretische Physik 486

Bücherwürmer 486

Physik vertiefen 486

In andere Dimensionen gehen 486

Für den Kaminsessel 487

Spickzettel 489

Stichwortverzeichnis 491