| Präsentationen | Inhalt und Anmerkungen | |
| Gliederung_060514.ppt | Gliederung der Vorlesung | |
| Grundgroessen_Startpaket.ppt | Zeit, s, Sekunde | |
| Länge, m, Meter | ||
| Masse, kg, Kilogramm | ||
| Beschleunigung_Geschw_Weg_Zeit.ppt | •Der Weg: zusammenhängende Folge von Punkten im Raum | |
| •Die Geschwindigkeit: Quotient aus Änderung des Wegs und Änderung der Zeit | ||
| •Die Beschleunigung: Quotient aus Änderung der Geschwindigkeit und Änderung der Zeit | ||
| Speziell, wenn der Weg als Funktion der Zeit bekannt ist: | ||
| •Die Geschwindigkeit ist Ableitung des Wegs nach der Zeit | ||
| •Die Beschleunigung ist Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit | ||
| –Das ist die zweite Ableitung des Weges nach der Zeit | ||
| Masse_Kraft_Traegheit.ppt | •Masse: elementare Eigenschaft eines jeden Körpers | |
| •Kraft: vermittelt die „Wirklichkeit“ | ||
| •Die Kraft ist proportional zur Beschleunigung: | ||
| –Proportionalitätskonstante ist die Masse | ||
| –Aussage der Newtonschen Axiome, dient der Definition der Kraft | ||
| •Ort der Masse ist der „Schwerpunkt“ – unabhängig von der Form des Körpers | ||
| –Beschreibung von Drehungen erfordert Information zur Form des Körpers | ||
| •Beschleunigung auf Kreisbahnen führt zur Zentrifugalkraft | ||
| Masse_Gravitation.ppt | •Massen ziehen sich an: Die Kraft errechnet sich aus dem Gravitationsgesetz | |
| •Die Gravitationskraft ist proportional zu einer – neben der trägen Masse – weiteren Eigenschaft, der „schweren Masse“ | ||
| •Ohne Reibungskräfte fallen alle Körper gleich schnell: | ||
| –Deshalb ist der Zahlenwert der trägen Masse gleich dem der schweren Masse | ||
| •Masse kann in Energie umgewandelt werden | ||
| Gravitation_u_Fundamentalkraefte.ppt | •Es gibt Kreisbahnen mit Gleichgewicht zwischen Gravitations- und Trägheitskräften | |
| •Gravitation allein führt zum Verschmelzen aller Materie: „schwarze Löcher“ | ||
| •Es gibt weitere Kräfte mit „Distanz haltender“ Wirkung | ||
| •Die vier Fundamentalkräfte: Die Gravitationskraft ist eine davon | ||
| •Die bei der Beschleunigung auftretenden Trägheitskräfte bezeichnet man – im Gegensatz zu den Fundamentalkräften- als Scheinkräfte | ||
| Ladung_Coulombgesetz.ppt | •Kräfte zwischen Ladungen | |
| –Gleichnamig: anziehend | ||
| –Ungleichnamig: abstoßend | ||
| •Kraftgesetz: Coulombgesetz | ||
| •Kraft auf bewegte Ladungen: Lorentz-Kraft | ||
| •Es gibt eine kleinste Ladung: Die Elementarladung | ||
| •Jede Ladung ist mit Masse verbunden | ||
| •Nicht jede Masse trägt eine Ladung | ||
| Materialeigenschaften - Startpaket.ppt | •In elektrisch leitenden Materialien sind die Ladung praktisch frei beweglich | |
| –Sie verschieben sich solange, bis sie kräftefrei sind | ||
| –In Leitern können Ladungen über beliebig weite Wege transportiert werden | ||
| •In Nichtleitern können Ladungen nicht beliebig weit verschoben werden | ||
| –Bei Polarisation verschieben ich die Ladungsschwerpunkte auf der Skala der Atomdurchmesser | ||
| –Im Material entstehen dadurch Dipole | ||
| Feld_E_Ladung.ppt | •An einem Ort mit elektrischer Feldstärke wirkt auf eine Ladung eine Kraft | |
| •Die Feldstärke ist eine vektorielle Eigenschaft: Quotient Kraft durch Ladung | ||
| •Ursachen elektrischer Feldstärke: | ||
| –Materiell: Statisch im Raum angeordnete Ladungen | ||
| –Ohne Materie: Sich zeitlich ändernde magnetische Felder | ||
| Arbeit_Potential_Spannung.ppt | •Arbeit ist Kraft mal Weg | |
| •Arbeit ist Austausch von Energie zwischen zwei Systemen | ||
| •In abgeschlossen Systemen gilt der Energie-Erhaltungssatz | ||
| •Bezüglich der Arbeit auf geschlossenen Wegen unterscheidet man: | ||
| –Konservative Felder: Auf geschlossenen Wegen addieren sich geleistete und gewonnene Arbeiten zu Null | ||
| –Wirbelfeder: Auf diesen Wegen wird bei jedem Umlauf Energie gewonnen oder zugeführt | ||
| •In konservativen Feldern ist die Arbeit zwischen zwei Punkten im Raum vom Weg unabhängig: | ||
| –Jedem Punkt kann sein „Potential“ zugeordnet werden | ||
| –Elektrische Spannung zwischen zwei Punkten: Differenz zwischen den Potentialen dieser Punkte | ||
| Feld_B_Strom_Lorentz.ppt | •Elektrische Stromstärke: Quotient, transportierte Ladung durch Zeit | |
| •Jeder Strom ist von kreisförmigen Magnetfeldlinien umgeben | ||
| •An einem Ort mit magnetischer Feldstärke wirkt auf eine bewegte Ladung eine Kraft (Lorentzkraft) | ||
| •Magnetische Feldstärke: Quotient, Zähler: Kraft, Nenner: Ladung mal Geschwindigkeit | ||
| •Biot-Savart Gesetz, analog zum Coulomb Gesetz : Kraft, die zwei kurze, von Strom durchflossene Leiterstücke durch ihre magnetische Wechselwirkung aufeinander ausüben | ||
| Grundgroessen_Vollversion.ppt | Zeit, s, Sekunde | |
| Länge, m, Meter | ||
| Masse, kg, Kilogramm | ||
| Elektrische Stromstärke, A, Ampère | ||
| Lichtstärke, cd, Candela | ||
| Temperatur, K, Kelvin | ||
| Stoffmenge, mol, Mol | ||
| Feld_E_SvGauss.ppt | •Alle Ladungsverteilungen und die von ihnen erzeugten Feldlinien erfüllen den Gaußschen Satz | |
| •Ladungen sind die Quellen des elektrischen Feldes | ||
| •Mit statischen Ladungen können keine geschlossenen elektrische Feldlinien erzeugt werden | ||
| Feld_E_calc_Gauss.ppt | •Für Ladungsverteilungen mit hoher Symmetrie werden die Feldstärken mit Hilfe des Satzes von Gauß berechnet: | |
| –Punktladung Q : E= Q / (4πεor2) | ||
| –Geladener langer Draht, Ladung pro Länge λ : E= λ / (4πεor) | ||
| –Geladene große Platte, Ladung pro Fläche σ : E= σ / (2εo) | ||
| –Zwischen den Platten eines Plattenkondensators: E= σ / εo | ||
| Feld_B_AmpDG.ppt | •Es gibt keine magnetischen Einzel-Ladungen | |
| •Magnetfeldlinien sind geschlossene Linien („Wirbelfeld“) | ||
| •Jeder Strom ist von einem Magnetfeld umgeben: Ampèresches Durchflutungsgesetz | ||
| Feld_B_calc_ADGuBSV.ppt | •Für zwei Stromwege mit hoher Symmetrie wird die magnetische Feldstärke berechnet: | |
| –Strom im langen, geraden Draht, Feld im Abstand r : B= μo I / (2πr) | ||
| –Feld in der Mitte einer kreisförmigen Leiterschleife mit Radius r : B= μo I / (2r) | ||
| •Realisierungen des Kreisstroms: | ||
| –Leiterschleifen in Spulen | ||
| –Elektronenbahnen um den Kern | ||
| Feld_B_u_E_relativ.ppt | •Ein Magnetfeld im Laborsystem ist äquivalent zu einem elektrischen Feld, das sich im Laborsystem bewegt | |
| •Umgekehrt gilt: Ein elektrisches Feld im Laborsystem ist äquivalent zu einem magnetischen Feld, das sich im Laborsystem bewegt | ||
| Feld_B_Ind.ppt | •Jeder Strom ist von einem Magnetfeld umgeben: Ampèresches Durchflutungsgesetz | |
| •Ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches Wirbelfeld | ||
| •Die magnetische Feldstärke ist die Summe beider Anteile | ||
| Feld_E_Ind_Farad.ppt | •Aussage des Faradayschen Induktionsgesetzes: In der leitenden Umrandung einer Fläche wird eine Spannung induziert, wenn sich der magnetische Fluss durch diese Fläche zeitlich ändert | |
| •Die Lenzsche Regel besagt, das induzierte elektrische Feld ist dem elektrischen Feld der Ursache entgegengerichtet | ||
| Feld_E_Ind_Farad_Technik.ppt | •Induktion gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz ist die Grundlage für die Stromerzeugung im Netz der öffentlichen Versorgung | |
| •Spannung entsteht bei Änderung des magnetischen Flusses. Der magnetische Fluss ändert sich bei | ||
| –Änderung des Magnetfelds um einen Leiter durch Änderung des Stroms im Leiter | ||
| –Änderung der vom Magnetfeld durchflossenen Fläche | ||
| –Änderung des Winkels zwischen magnetischer Feldstärke und Flächennormale: Anwendung in Generatoren | ||
| Feld_Maxwell_Gl.ppt | •Maxwellsche Gleichung für statische Felder | |
| –Ladungen sind Quellen elektrischer Felder | ||
| •Äquivalent zum Satz von Gauß-Ostrogradski | ||
| –Es gibt keine magnetischen Einzelladungen | ||
| •Maxwellsche Gleichung für Magnetfelder | ||
| –Bewegte Ladungen (Ströme) erzeugen ein magnetisches Wirbelfeld | ||
| •Äquivalent zum Ampèreschen Durchflutungsgesetz | ||
| –Ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches Wirbelfeld | ||
| •Maxwellsche Gleichung für veränderliche elektrische Felder | ||
| –Ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld | ||
| • Äquivalent zum Faradayschen Induktionsgesetz | ||
| Feld_B_u_E_zeitl_Aend.ppt | •Zeitlich veränderliche elektrische Felder sind mit magnetischen Feldern verbunden | |
| •Ist die Zeit-Abhängigkeit der Ursache sinusförmig, dann – und nur dann- sind auch alle dadurch induzierten Felder von gleicher (Sinus-) Form | ||
| •Die Feldstärken stehen senkrecht zueinander | ||
| •Elektromagnetische Felder breiten sich unmittelbar nach ihrer Entstehung mit Lichtgeschwindigkeit in den ganzen Raum aus | ||
| •Die Ausbreitungsrichtungen stehen senkrecht zu den Vektoren der Feldstärken | ||
| Bauteil_Indukt_Spule.ppt | •Die Induktivität LSpule , Einheit 1 Henry, einer langen Spule ist | |
| –proportional zum Quadrat der Windungszahl N2 | ||
| –proportional zur Fläche A | ||
| –umgekehrt proportional zur Länge L der Spule | ||
| –LSpule =μoA N2/L | ||
| •Die an der Spule durch Selbstinduktion erscheinende Spannung ist U=-LSpule·dI/dt | ||
| Bauteil_Indukt_Transf_plus.ppt | •Die Spannungen am Transformator verhalten sich wie die Windungszahlen U1/ U2=N1/ N2 | |
| •Im Transformator wird Energie praktisch verlustlos von einer Spannung auf eine andere umgesetzt | ||
| •Mehrfaches Transformieren erfordert Sinus-förmigen Wechselstrom | ||
| AC_Drehstrom.ppt | •Drehstrom besteht aus drei um jeweils 120° gegeneinander versetzten Sinus-förmigen Wechselströmen | |
| •Drei Phasen ermöglichen besonders einfache Motorkonstruktionen ohne Kollektoren: „Kurzschlussläufer“ | ||
| •Die 230 V Spannung im Haus-Netz ist der Effektivwert einer Phase gegen das Erdpotential | ||
| AC_Schutzleiter.ppt | •Der Schutzleiter verhindert Stromfluss über den Körper im Fall eines Kontakts der Phase mit dem Gehäuse | |
| •Die Farbe des Schutzleiters ist gelb-grün, diese Leitung darf keinesfalls zur Stromführung verwendet werden | ||
| Energie_in_Deutschland.ppt | •Leistung von 63 GW (entsprechend 26 Niagara-Fall Kraftwerke) ist – unabhängig vom Energieträger – nicht auf sanfte Weise zu erhalten | |
| •Risiken und Wirkung der Anlagen auf die Lebensqualität sind bei keiner Art des Energieträgers vernachlässigbar | ||
| •Sinnvoll ist Energieerzeugung aus unterschiedlichen, der Region angepassten Quellen | ||
| Bauteil_Kapazitaet.ppt | •Die Ladung eines Kondensators ist zur Spannung proportional: | |
| –Proportionalitätskonstante ist die Kapazität | ||
| •Kapazität und elektrische Eigenschaften: C=Q/U | ||
| •Kapazität und Geometrie des Aufbaus beim Plattenkondensator: | ||
| –Zwei Platten mit Fläche A im Abstand d: C=εoA/d | ||
| Bauteil_Potentiale_an_CLR.ppt | Die drei fundamentalen Bauteile der Elektrizitätslehre sind: | |
| •Kondensator | ||
| –Spannung erscheint bei Ladung | ||
| –Elektrische Kenngröße: Kapazität C | ||
| –U=Q/C | ||
| •Spule | ||
| –Spannung erscheint bei Änderung des Stromflusses | ||
| –Elektrische Kenngröße: Induktivität L | ||
| –U=-L·dI/dt | ||
| •Widerstand | ||
| –Spannung erscheint bei Stromfluss | ||
| –Elektrische Kenngröße: Widerstand R | ||
| –U=R·I | ||
| Bauteil_Kirchhoff.ppt | •Knotenregel: Die Summe über alle Ströme, die in einen „Knoten“ genannten Verzeigungspunkt einer Schaltung münden, ist Null | |
| •Maschenregel: Die Summe über alle Spannungen auf einem beliebigen geschlossenen Weg (einer „Masche“) innerhalb einer Schaltung ist Null | ||
| •Jede Anwendung eines der beiden Kirchhoffschen Gesetze liefert eine Gleichung mit einigen Unbekannten (Spannungen, Strömen, Widerständen, usw.) | ||
| •Ziel ist, so viele Gleichungen aufzustellen, wie es unbekannte Größen gibt | ||
| •Die Lösung dieses „linearen Gleichungssystems“ liefert die Unbekannten | ||
| –Bei mehreren Gleichungen ist die Lösung mit einem geeigneten Programm sinnvoll | ||
| AC_Wid_an_CLR.ppt | •Kapazitiver Widerstand R=1/(ωC) | |
| –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= ωL | ||
| –Kurzschluss für Gleichspannung, | ||
| – bei Wechselspannung proportional zur Frequenz, Phasenverschiebung: „Strom 90° hinter der Spannung“ | ||
| Bauteil_Einschaltvorgaenge.ppt | •Bei Kombination von Widerständen mit Kondensatoren steigt nach dem Einschalten die Spannung über dem Kondensator mit 1-EXP(-t/τ) | |
| –Die charakteristische Zeit zum Anstieg auf den Teil (1-1/e)=0,63 ist die Zeitkonstante τ =RC [s] | ||
| •Bei Kombination von Widerständen mit Spulen fällt nach dem Einschalten die Spannung über der Spule wie EXP(-t/τ) | ||
| –Die charakteristische Zeit zum Abfall auf den Teil (1/e)=0,37 ist die Zeitkonstante τ = L/R [s] | ||
| AC_Effektivwert.ppt | •Effektivwerte werden für Wechselspannungen angegeben | |
| •Der Effektivwert einer Wechselspannung entspricht einer Gleichspannung, die an einem Ohmschen Widerstand die gleiche Leistung wie die Wechselspannung erbringt | ||
| •Die 230 V Spannung im öffentlichen Netz ist der Effektivwert einer Phase gegen das Erdpotential | ||
| Bauteil_Energie_in_Feldern.ppt | Die Energie der elektrischen und magnetischen Felder ist im Raum lokalisiert | |
| Die Energiedichte ist für das | ||
| •elektrische Feld w=ε0E2/2 [J/m3] | ||
| •magnetische Feld w=μ0B2/2 [J/m3] | ||
| Bauteil_Schwingkreis.ppt | •Die Reihenschaltung von Kapazität und Induktivität ergibt einen elektrischen Schwingkreis | |
| •Nach Anregung „schwingt“ Spannung und Strom | ||
| •Die elektrische Energie ist abwechselnd | ||
| – im Magnetfeld der Spule und | ||
| •im elektrischen Feld des Kondensators lokalisiert | ||
| analog zur „Wanderung“ der Energie in mechanischen Schwingkreisen | ||
| El_Mag_u_Mech_Schw.ppt | 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 Spannung über der Spule ist umgekehrt gleich der zur Ladung proportionalen Spannung über dem Kondensator | ||
| El_Mag_Hertzscher_Dipol.ppt | 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 | ||
| Schwingung_Welle.ppt | Wellen sind -in Abhängigkeit von Ort und Zeit- periodische Auslenkungen einer physikalischen Größe | |
| –Mechanisch: | ||
| •Wellen in festen Körpern, z. B. einem Seil: Auslenkung [m] | ||
| •Schall: Druck [Pa] | ||
| –Elektromagnetisch: | ||
| •Elektrische Feldstärke [V/m] und Magnetische Feldstärke [Vs/m2 = T] | ||
| •Periode, Wellenlänge und Ausbreitungs-geschwindigkeit sind verknüpft: v=λ·f | ||
| •Die Frequenz eines frei schwingenden Systems hängt nur von seinem Aufbau ab | ||
| – nicht von der Art der Anregung | ||
| Die Analyse der Schwingungen eignet sich deshalb zur Identifikation eines Systems: Spektroskopische Verfahren | ||
| El_mag_gekoppelte_Schwingkreise.ppt | •Alle durch Wechselwirkungskräfte verbundenen Teile sind – bei entsprechender Anregung – „gekoppelte Pendel“ | |
| •Bei Teilchenzahl n wächst die Zahl der „Freiheitsgrade“ auf 3n | ||
| •Es gibt deshalb 3n Eigenschwingungen mit unterschiedlichen | ||
| –Symmetrie-Eigenschaften | ||
| –Energie-Werten | ||
| •Allgemein gilt: Kopplung „verbreitert“ die Spektrallinien | ||
| El_Mag_Sender.ppt | Quellen elektromagnetischer Strahlung: | |
| •Elektrische Schwingkreise, beschleunigte Ladungen | ||
| –Technischer Wechselstrom bis Mikrowelle | ||
| •Molekülschwingungen, Schwingungen von Atomen in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern | ||
| –Infrarotstrahlung | ||
| •Elektromagnetische Strahlung bei elektronischen Übergängen | ||
| –Äußere Schalen: IR-, sichtbares Licht, UV-Strahlung | ||
| –Innere Schalen: Röntgenstrahlung | ||
| •Elektromagnetische Strahlung bei Kernreaktionen | ||
| –Gamma Strahlung | ||
| Gemeinsame Grundlage: Maxwellsche Gleichungen, Induktion | ||
| Atom_Bohr.ppt | Bohrs Atommodell: Elektronen kreisen als geladene, mechanische Objekte um den Kern | |
| –Gleichgewicht zwischen Coulomb- und Zentrifugalkraft | ||
| •Die Quantenbedingung für den Drehimpuls führt auf diskrete, mit n = 1, 2, 3, … nummerierbare Bahnen | ||
| •Zu jeder Bahn n gehört eine eigene Energie, die mit 1/n^2 abfällt | ||
| Strahlung wird nur beim Übergang zwischen unterschiedlichen stationären Bahnen ausgesandt | ||
| Atom_Strahlungsemission.ppt | •Beim Wechsel der Bahn wird elektromagnetische Strahlung ausgesandt | |
| •Die Energie der Strahlung bei Wechsel zwischen Bahnen mit Quantenzahlen m und m beträgt hν=Em-En | ||
| Atom_Stossanregung.ppt | •Die Anregung zum Bahnwechsel kann entweder durch Absorption von Strahlung oder durch Stoß erfolgen | |
| •In einem Medium erfolgt die Anregung mit der kinetischen Energie der Temperaturbewegung | ||
| •Im thermischen Gleichgewicht dient der Boltzmann Faktor der Abzählung der Zustände in einem Intervall gegebener Energie: | ||
| –Boltzmann Faktor: exp(-W/kT) | ||
| Roentgenstrahlung_Erzeugung.ppt | •Aufbau einer Röntgenröhre: Zwischen einer Glühkathode und der Anode liegt Hochspannung (40-100 kV) | |
| Es gibt zwei Quellen für Röntgenstrahlung: | ||
| •Beim Abbremsen der auf der Anode auftreffenden Anoden wird die Bremsstrahlung emittiert | ||
| –Bei Beschleunigung mit Spannung U folgt die Frequenz ν aus E=U·e=h·ν | ||
| •Die angeregten Atome der Anode emittieren charakteristische StrahlungBerechnung der Energie bzw. der Wellenlängen nach Bohrs Modell: | ||
| –Beim Übergang von Schale m zu n gilt: ν=R·Z^2·(1/n^2-1/m^2) | ||
| Ww_Strahl_ Mat_kohaerent.ppt | •Anregung eines Atoms durch Absorption und anschließende Emission: Inkohärente Streuung | |
| –Wegen der unbestimmten Zeit zwischen Anregung und Emission (ca. 10-8 s) fehlt die feste Phasenbeziehung zwischen einfallender und ausfallender Welle, deshalb ist diese Strahlung für Beugung und Abbildung ungeeignet | ||
| •Erzwungene Schwingung der Valenz-Elektronen: Kohärente Streuung | ||
| –Feste Phasenbeziehung zwischen einfallender und ausfallender Welle, Grundlage für Beugung und Abbildung | ||
| Ww_Strahl_Mat_inkohaerent.ppt | •Absorptionsgesetz bei Material der Dicke d mit Absorptionskoeffizient μ: I=I0·exp(-μd) | |
| Vier Beiträge zum Streuquerschnitt: | ||
| •Absorption durch kohärente Streuung: | ||
| –Die Röntgenstrahlung regt benachbarte Oszillatoren zu gleichphasigen „erzwungenen Schwingungen“ an | ||
| –proportional zu Z^2,5/E^2 | ||
| •Absorption durch inkohärente Streuung | ||
| –Photoeffekt, proportional zu Z^4/E^3 | ||
| –Compton-Effekt | ||
| –Paarbildung | ||
| Ww_Strahl_Med_Feinstruktur.ppt | •Medizinisches Röntgen nur mit 2,5 mm Al Filter, absorbiert die langwellige Strahlung E<20keV, | |
| Strahlung mit Energie unter 20 keV wird in organischem Material -praktisch ausschließlich durch Photoeffekt- | ||
| –stark absorbiert | ||
| –ionisiert die Atome und kann Bindungen ändern (Auslöser für Mutationen) | ||
| –trägt – wegen der hohen Absorption – nicht zur Durchleuchtung bei | ||
| •Röntgen zur Feinstrukturuntersuchung 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 | ||
| WW_Strahlung_Dosimetrie.ppt | •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 | ||
| •Überwachung der Dosisleistung am Arbeitsplatz ist die wichtigste Maßnahme | ||
| –Optimal: Instrumente mit akustischem Signal bei Auftreffen eines Strahlungs-Quants | ||
| •Äußerste Vorsicht beim Umgang mit Feinstruktur Röntgenanlagen, denn die Röntgenstrahlung wird ungefiltert verwendet | ||
| Atom_isotrope_Bindung.ppt | Isotrope Wechselwirkung in | |
| – Ionen- und van der Waals Kristallen | ||
| – Metallen | ||
| •Klassische isotrope Potentialansätze : | ||
| –Coulomb Potential für Ionenkristalle | ||
| –Van der Waals Potential, sehr schwach, anziehend, immer vorhanden | ||
| –Lenard-Jones zur Modellierung des Gleichgewicht-Abstands | ||
| –Buckingham Potentiale zur Modellierung des effektiven Potentials mit Coulomb-Anteil | ||
| •Die meisten Bindungen zeigen Mischungen von van der Waals, ionischen und kovalenten Anteilen | ||
| Atom_Schroedinger_Gl.ppt | Die Schrödingergleichung ist eine Wellengleichung | |
| •Ihr Argument ist die Psi-Funktion ψ(x,t). Ihr Quadrat beschreibt die Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen zur Zeit t am Ort x anzutreffen | ||
| Quantenmechanische Teilchen in einem Kasten werden durch Wellen beschrieben | ||
| •Wellenlänge ist Teiler der doppelten Kastenlänge L | ||
| –kn=n·π/L | ||
| •Die Energie der Welle eines Teilchens mit Masse m steigt mit n2 | ||
| –En = h2/(8mL2) | ||
| •Die kleinste Energie zu n=1,die „Nullpunktsenergie“, 13,6 eV für ein Elektron im Kasten von 0,17 nm Länge, kann nicht unterboten werden | ||
| Atom_kov_Bindung.ppt | 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 | ||
| WW_Strahlung_mit_Gas_Fluessig.ppt | •Anregung freier Atome liefert scharfe Linien | |
| •Moleküle zeigen zwei Effekte: | ||
| 1.Durch Kopplung an den Nachbarn Feinstruktur der Linien des freien Atoms | ||
| 2.Schwingungs-Spektren zeigen die Kopplung an mechanische Schwingungen des Moleküls | ||
| •In Lösungen verbreitert die Kopplung an die Atome des Lösungsmittels die Linien noch stärker | ||
| •Im Bereich der Röntgenstrahlung ist die Linienbreite von der Bindung unabhängig | ||
| Temperaturstrahlung.ppt | Das Plancksche Modell zum Strahlungsgesetz: | |
| •„Harmonische Oszillatoren“ unterschiedlicher Eigenfrequenz sitzen an den inneren Wänden des schwarzen Körpers | ||
| •Ein Oszillator wird immer dann angeregt, wenn die Hohlraumstrahlung gerade seine Eigenfrequenz anbietet (Resonanz) | ||
| •Jeder Oszillator steht für ein schwingungsfähiges Elektron eines Atoms der Wand | ||
| •Oszillatoren können Energie nur in Vielfachen eines elementaren Energiequantums aufnehmen | ||
| Atom_Baendermodell.ppt | Klassisch: | |
| •Energieniveaus eines freien Atoms | ||
| •Energie des Bohrschen Atommodells | ||
| –Aufspaltung der Energieniveaus durch Kopplung bei Annäherung eines zweiten Atoms | ||
| Quantenmechanik: | ||
| •Alle Elektronen eines Bandes bilden eine quantenmechanische Gesamtheit, jedem Elektron wird eine Welle zugeordnet | ||
| –Lösung der Schrödingergleichung für Elektronen im „Kasten“ | ||
| •Daraus resultiert das Bändermodell für | ||
| –Isolator | ||
| –Halbleiter | ||
| –Leiter | ||
| Mat_Eig_Fest.ppt | •Unterschied zwischen Isolator, Halbleiter und Leiter im Bändermodell | |
| •Energieverteilung im Festkörper | ||
| –Jede Energie unterhalb der Fermi-Kante ist mit gleicher Wahrscheinlichkeit zu finden | ||
| •Das „Ohmsche Gesetz“ | ||
| –Die Spannung über dem Widerstand ist proportional zum Strom | ||
| •Widerstand bei Erhöhung der Temperatur | ||
| –Steigt in Metallen | ||
| –Sinkt in Halbleitern | ||
| •Der Photoeffekt in Metallen: h·ν > WA | ||
| –Wird angeregt, wenn die Energie der Strahlung größer ist als die Austrittsarbeit WA | ||
| Mat_Eig_np_junction.ppt | •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.ppt | •Wird eine n-p junction mit sichtbarem Licht bestrahlt, dann erhöht sich die Anzahl der freien Ladungsträger, weil sie vom Valenz- ins Leitungsband gehoben werden | |
| –„Innerer Photoeffekt“ - im Gegensatz zum äußeren mit Elektronen Abgabe ins Vakuum | ||
| •Das Feld in der Grenzschicht zieht Elektronen in das n-leitende Gebiet, die Löcher in das p-leitende | ||
| •Photostrom fließt in Sperr Richtung - das Element liefert eine der Intensität entsprechende Spannung | ||
| •Halbleiterzähler: Bei Anschluss einer Spannung in Sperr-Richtung bewirkt der Photoeffekt eine Zunahme des Stroms (Abnahme des Widerstands) bei Ankunft eines Quants | ||
| •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.ppt | •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 | ||
| Mat_Eig_Dielektrik.ppt | Definition der Dielektrizitätszahl ε : Quotient, | |
| •Zähler: Kapazität mit Material | ||
| •Nenner: Kapazität ohne Material | ||
| Eigenschaften der Materialien in allen Aggregatzuständen: | ||
| •Dielektrika: Dipole entstehen im Feld, 1< ε <10 | ||
| •Parelektrika: Vorhandene Dipole werden im Feld ausgerichtet, 10< ε <100 | ||
| Nur in Kristallen: | ||
| •Ferroelektrika, Ausrichtung großer polarer Bereiche, 10^3 < ε <10^5 | ||
| •Pyroelektrika: Dipole entstehen bei Erwärmung | ||
| •Piezoelektrika: Dipole entstehen bei Druck | ||
| –Anwendung: Elektromechanische Aktoren | ||
| Mat_Eig_Elektrolytische_Leitung.ppt | •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 | ||
| •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 | ||
| Mat_Eig_mag_Permeabilitaet.ppt | Materie im magnetischen Feld ändert die Feldstärke in Abhängigkeit vom Material | |
| •Permeabilität μ | ||
| –Quotient der Induktivitäten: Zähler mit Material, Nenner ohne Material | ||
| –davon abgeleitet: die magnetische Suszeptibilität: χ = μ-1 | ||
| •Dia- Para und Ferromagnetika unterscheiden sich durch Vorzeichen und Größe der magnetischen Suzeptibilität | ||
| •Mikroskopische Ursache für den Magnetismus | ||
| –Elektronen mit Bahndrehimpuls erzeugen einen Kreisstrom und damit ein magnetisches Moment | ||
| –Auch der Spin, der Eigendrehimpuls der Elektronen, ist mit einem magnetischen Moment verknüpft | ||
| Mat_Eig_mag_Dia_Para.ppt | Diamagnetismus | |
| •Abstoßung des Materials bei Annäherung an ein magnetisches Feld | ||
| •Schwacher, in allen Materialien vorhandener Effekt | ||
| •Temperatur unabhängig | ||
| •Spezieller Effekt: Diamagnetismus in Supraleitern | ||
| Paramagnetismus | ||
| •Anziehung bei Annäherung an ein magnetisches Feld | ||
| •Die thermische Bewegung verhindert vollständige Ausrichtung der atomaren magnetischen Momente: χ folgt dem Curie-Gesetz: χ = 1/T | ||
| –Häufigkeit der Orientierung entsprechend dem Boltzmannfaktor | ||
| Mat_Eig_mag_Ferro.ppt | Ferromagnetismus: kollektive Ausrichtung im Gitter, Voraussetzung: | |
| –Atome mit magnetischem Moment | ||
| –Kristallgitter | ||
| •Sehr starke Magnetisierung unterhalb der Curie Temperatur | ||
| •Oberhalb der Curie-Temperatur: Paramagnetisch | ||
| –mit Temperaturverhalten nach dem Curie-Weiss-Gesetz: χ = 1/(T-TC) | ||
| •Hysterese bei Feldumkehr: Domänen-Effekt | ||
| •Beiträge ferromagnetischer Materialeigenschaften zum Erdmagnetfeld: Die Lithospäre | ||
| Optik_Interferenz_u_Abbildung.ppt | 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 - | ||
| Optik_Beugung_Spalt_u_Gitter.ppt | •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 | ||
| •Das Beugungsbild periodischer Objekte ist scharf | ||
| – Folge der Verstärkung der Intensität für bevorzugte Richtungen um den Faktor der Anzahl der Elementarzellen | ||
| Optik_Linse_u_Aufloesung.ppt | •Ändert sich die Brechzahl zwischen zwei Medien, dann formuliert das Snellius-Brechungsgesetz die Änderung der Richtung von Lichtwellen beim Übergang | |
| •Die Maxwellsche Beziehung verknüpft den Brechungsindex mit der Dielektrizitätszahl | ||
| •Die Öffnung der Blende definiert die Auflösung eines optischen Instruments | ||
| Optik_Instrumente.ppt | •Brillen verbessern die Abbildung | |
| –Korrigieren die Brechkraft, damit das Bild auf die Netzhaut zu liegen kommt | ||
| •Fernrohr, Mikroskop und Lupe verbessern die Auflösung, indem sie 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/oder der Blenden-Öffnung | ||
| –Im Fernrohr: Je größer die Blende, desto kleiner ist die Abweichung der gebeugten von der Richtung der einfallenden Welle | ||
| –Im Mikroskop: Nur von genügend großen Objekten wird das Beugungsbild von der Linse erfasst | ||
| Optische Instrumente sind gewissermaßen „Trichter“ für Lichtwellen: Ihr wichtigstes Merkmal ist die Öffnung, die Linsen lenken die Wellen um | ||
| Optik_Polarisation.ppt | •Polarisiertes Licht | |
| –Linear | ||
| –Zirkular | ||
| –Elliptisch | ||
| •Optisch anisotrope Kristalle: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts ist abhängig von | ||
| –Polarisation | ||
| –Richtung des Lichtwegs | ||
| •Tritt polarisiertes Licht durch ein Medium mit chiralen Baugruppen, dann dreht sich die Polarisationebene in Richtung des Drehsinns der Baugruppe (optische Aktivität) | ||
| Kernspinresonanz.ppt | •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 |