Physik für Techniker (eBook)

Dr. rer. nat. Jürgen Zeitler, Magdeburg; Dipl.-Phys. Günter Simon, Apolda

Inhaltsverzeichnis 9
Technik und Physik 14
1 Physikalische Größen und Einheiten 14
1.1 Größenarten und Größen 14
1.2 Einheiten und Internationales Einheitensystem (SI) 15
1.3 Größengleichungen 16
1.4 Länge, Fläche und Volumen 17
1.5 Zeit 18
Mechanik 19
2 Kinematik 19
2.1 Kinematik der Punktmasse 20
2.1.1 Bewegung auf gerader Bahn 21
2.1.1.1 Geschwindigkeit und Beschleunigung 21
2.1.1.2 Gleichförmige Bewegung 25
2.1.1.3 Gleichmäßig beschleunigte Bewegung 27
2.1.1.4 Freier Fall 31
2.1.1.5 Relativität der Bewegung und Überlagerung von Bewegungen 32
2.1.2 Bewegung auf der Kreisbahn 35
2.1.2.1 Periodendauer und Frequenz 35
2.1.2.2 Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung 36
2.1.2.3 Radialbeschleunigung 37
2.2 Kinematik des starren Körpers 38
2.2.1 Translation und Rotation 39
2.2.2 Kinematik der Rotation 40
2.2.3 Drehzahlmessung 42
3 Dynamik der Punktmasse 43
3.1 Kräfte 43
3.1.1 Wirkungen von Kräften 43
3.1.2 Wechselwirkung 44
3.1.3 Kraftmessung 45
3.1.4 Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften 47
3.1.5 Trägheit der Körper 49
3.1.6 Grundgesetz der Dynamik 50
3.1.7 Schwere der Körper 53
3.1.8 Reibungskräfte 54
3.1.9 Anwendungen des Grundgesetzes der Dynamik 56
3.1.10 Trägheitskräfte 59
3.1.11 Radialkraft und Zentrifugalkraft 60
3.2 Arbeit, Energie und Leistung 62
3.2.1 Mechanische Arbeit 62
3.2.1.1 Beschleunigungsarbeit 63
3.2.1.2 Hubarbeit 64
3.2.1.3 Federspannarbeit 65
3.2.1.4 Reibungsarbeit 66
3.2.2 Energie 67
3.2.2.1 Kinetische Energie 67
3.2.2.2 Potenzielle Energie 68
3.2.3 Energieerhaltungssatz 69
3.2.4 Leistung und Wirkungsgrad 73
3.2.4.1 Leistung 73
3.2.4.2 Wirkungsgrad 74
3.3 Impuls 77
3.3.1 Kraftstoß und Impuls 77
3.3.2 Impulserhaltungssatz 78
3.3.3 Stoßvorgänge 79
3.3.3.1 Elastischer Stoß 79
3.3.3.2 Unelastischer Stoß 81
3.3.4 Raketenantrieb 82
4 Dynamik der Rotation 84
4.1 Drehmoment 85
4.2 Rotationsenergie und Massenträgheitsmoment 89
4.2.1 Rotationsenergie 89
4.2.2 Massenträgheitsmoment 89
4.3 Analogie zwischen Translation und Rotation 92
4.4 Grundgesetz der Dynamik der Rotation 92
4.5 Arbeit und Leistung bei der Rotation 94
4.6 Drehimpulserhaltungssatz 95
5 Statik und Verformung 98
5.1 Gleichgewicht starrer Körper 98
5.1.1 Gleichgewichtsbedingungen 98
5.1.2 Gleichgewichtsarten 99
5.1.3 Schwerpunkt 99
5.2 Ebene Kraftsysteme 100
5.2.1 Kräfte mit gemeinsamem Angriffspunkt 100
5.2.2 Kräfte mit verschiedenen Angriffspunkten 101
5.2.3 Standsicherheit 104
5.3 Verformung und Festigkeit 106
6 Mechanik der Flüssigkeiten und Gase 109
6.1 Druck 109
6.2 Einige Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen 111
6.2.1 Kompressibilität 111
6.2.2 Flüssigkeitsoberfläche 112
6.2.3 Grenzflächenerscheinungen und Kapillarität 113
6.3 Mechanik ruhender Flüssigkeiten und Gase 114
6.3.1 Kolbendruck 115
6.3.2 Schweredruck 116
6.3.2.1 Schweredruck in Flüssigkeiten 116
6.3.2.2 Schweredruck in Gasen und Luftdruck 118
6.3.2.3 Vakuum 119
6.3.3 Druckmessung 120
6.3.3.1 Druckskalen 120
6.3.3.2 Druckmessgeräte 121
6.3.4 Auftrieb 122
6.3.4.1 Auftrieb in Flüssigkeiten 122
6.3.4.2 Schwimmen 124
6.3.4.3 Auftrieb in Gasen 126
6.4 Mechanik strömender Flüssigkeiten und Gase 127
6.4.1 Strömungsgeschwindigkeit und Stromlinien Volumenstrom
6.4.2 Strömung idealer Flüssigkeiten und Gase 128
6.4.2.1 Kontinuitätsgleichung 128
6.4.2.2 BERNOULLIsche Gleichung 129
6.4.2.3 Anwendungen der BERNOULLIschen Gleichung 131
6.4.3 Strömung realer Flüssigkeiten und Gase 133
6.4.3.1 Innere Reibung und Viskosität 133
6.4.3.2 Laminare und turbulente Strömungen 134
6.4.3.3 Strömungswiderstände 135
6.4.3.4 Druckverlust in Rohrleitungen 137
6.4.3.5 Viskositätsbestimmungen 137
Thermodynamik 139
7 Wärme und innere Energie 139
7.1 Thermodynamische Prozesse 139
7.2 Wärmebewegung 140
7.3 Temperatur 140
7.4 Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper 142
7.5 Temperaturmessung 144
7.6 1. Hauptsatz der Thermodynamik 146
7.7 Wärme und Temperatur 147
7.8 Spezifische Wärmekapazität von Gasen 149
7.9 Änderung des Aggregatzustandes 150
7.10 Wärmebilanzen bei Temperaturausgleich 153
7.11 Energieumwandlungen 156
8 Zustandsänderungen von Gasen 159
8.1 Thermischer Zustand des idealen Gases 159
8.1.1 Ideales Gas 159
8.1.2 Thermische Zustandsgleichung des idealen Gases 159
8.1.3 Quasistatische Zustandsänderungen 160
8.2 Volumenänderungsarbeit 161
8.3 Spezielle Zustandsänderungen 162
8.3.1 Isotherme Zustandsänderungen 162
8.3.2 Isochore Zustandsänderungen 163
8.3.3 Isobare Zustandsänderungen 164
8.3.4 Adiabatische Zustandsänderungen 165
8.4 Kreisprozesse 166
8.4.1 Prinzip der Wärmekraftmaschine 166
8.4.2 Wärmepumpe und Kältemaschine 167
8.4.3 CARNOT-Prozess 168
8.5 2. Hauptsatz der Thermodynamik 169
8.5.1 Thermodynamischer Wirkungsgrad reversibler Kreisprozesse 169
8.5.2 Irreversible Prozesse 170
8.5.3 Entropie 170
8.6 Reale Gase und Dämpfe 171
8.6.1 Isothermen eines realen Gases 171
8.6.2 Dämpfe 172
8.6.3 Luftfeuchte 173
9 Wärmetransport 174
9.1 Wärmetransportprozesse 174
9.2 Wärmedurchgang 175
9.3 Temperaturstrahlung 178
Elektrik 181
10 Gleichstrom 181
10.1 Elektrische Ladungen und Ströme 181
10.2 Elektrische Spannung 183
10.3 OHMsches Gesetz 186
10.4 Elektrischer Widerstand 187
10.5 Schaltung von Widerständen 190
10.5.1 Parallelschaltung 190
10.5.2 Reihenschaltung 192
10.6 Elektrische Energie und Leistung 196
10.7 Reale Stromkreise 197
10.7.1 Verhalten realer Spannungsquellen 197
10.7.2 Schaltung von Spannungsquellen 199
10.7.3 Einfluss von Leitungswiderständen 200
10.7.4 Knoten- und Maschensatz zur Berechnung elektrischer Netze 201
10.8 Messung elektrischer Größen 201
10.8.1 Strom- und Spannungsmessung 202
10.8.2 Digitale Messverfahren 202
10.8.3 Spannungskompensation 203
10.8.4 Messbrücken 204
11 Elektrische und magnetische Felder 205
11.1 Elektrische Felder 206
11.1.1 Kräfte zwischen elektrischen Ladungen 206
11.1.2 Elektrische Felder im Vakuum 207
11.1.2.1 Elektrische Flussdichte und elektrische Feldstärke 207
11.1.2.2 Kapazität 207
11.1.2.3 Elektrische Feldenergie 208
11.1.3 Stoffe im elektrischen Feld 209
11.1.3.1 Influenz 209
11.1.3.2 Dielektrische Polarisation 209
11.1.4 Kondensatoren 211
11.2 Magnetische Felder 212
11.2.1 Magnetische Felder stromdurchflossener Leiter 212
11.2.2 Magnetische Felder im Vakuum 213
11.2.2.1 Magnetische Feldstärke und magnetische Flussdichte 213
11.2.2.2 Induktivität und magnetische Feldenergie 214
11.2.3 Stoffe im magnetischen Feld 214
11.2.4 Kraftwirkungen auf stromdurchflossene Leiter im magnetischen Feld 216
11.3 Bewegung von Elektronen in elektrischen und magnetischen Feldern 218
11.3.1 Erzeugung von Elektronenstrahlen 218
11.3.2 Ablenkung von Elektronen im elektrischen Querfeld 219
11.3.3 Elektronen in magnetischen Feldern 220
11.3.4 Gasentladungen 221
11.4 Elektromagnetische Induktion 223
11.4.1 Induktionsgesetz 224
11.4.2 Transformator- und Generatorprinzip 225
11.4.2.1 Transformatorprinzip 226
11.4.2.2 Generatorprinzip 226
11.4.2.3 Elektrische Maschinen 227
11.4.3 Wirbelströme 228
11.4.4 Selbstinduktion 228
12 Wechselstrom 231
12.1 Wechselspannungen und Wechselströme 231
12.1.1 Bestimmungsgrößen 231
12.1.2 Elektronische Messung der Bestimmungsgrößen 232
12.2 Einfache Wechselstromkreise 234
12.2.1 Wirkwiderstände 234
12.2.2 Blindwiderstände 235
12.2.2.1 Induktiver Blindwiderstand 235
12.2.2.2 Kapazitiver Blindwiderstand 236
12.3 Zusammengesetzte Wechselstromkreise 238
12.3.1 Reihenschaltung von R und L 239
12.3.2 Reihenschaltung von R, L und C 240
12.3.3 Parallelschaltung von R, L und C 242
12.4 Leistung des Wechselstroms 243
12.4.1 Momentanleistung und Wirkleistung 243
12.4.2 Messung von Energieumsatz und Wirkleistung 243
12.4.3 Wirk-, Blind- und Scheinleistung 244
12.4.4 Blindleistungskompensation 245
12.5 Transformatoren 246
12.6 Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) 249
12.7 Schutz vor elektrischen Unfällen 252
13 Halbleiter 254
13.1 Leitungsmechanismen in Halbleitern 254
13.1.1 Eigenleitung 254
13.1.2 Störstellenleitung 256
13.1.2.1 n-Leitung 256
13.1.2.2 p-Leitung 257
13.2 pn-Übergang 257
13.3 Halbleiterdioden 259
13.4 Transistoren 261
13.4.1 Bipolartransistoren 261
13.4.2 Elementarer Spannungsverstärker 262
13.4.3 Feldeffekttransistoren 264
13.4.4 Integrierte Schaltkreise 265
Schwingungen und Wellen 266
14 Schwingungen 266
14.1 Mechanische Schwingungen 266
14.1.1 Freie ungedämpfte Schwingungen 266
14.1.1.1 Kinematik der Sinusschwingung 267
14.1.1.2 Dynamik der Sinusschwingung 269
14.1.1.3 Dreh- und Pendelschwingungen 271
14.1.2 Freie gedämpfte Schwingungen 273
14.1.3 Erzwungene Schwingungen 275
14.2 Elektrische Schwingungen 276
14.2.1 Elektrischer Schwingkreis 276
14.2.2 Analogie zwischen mechanischen und elektrischen Schwingungen 277
14.2.3 Erzwungene elektrische Schwingungen 278
14.2.3.1 Reihenresonanz 278
14.2.3.2 Parallelresonanz 279
14.3 Überlagerung von Schwingungen 279
14.3.1 Überlagerung in gleicher Richtung 280
14.3.1.1 Schwingungen gleicher Frequenz 280
14.3.1.2 Schwebungen 281
14.3.2 Überlagerung senkrecht zueinander 282
14.3.3 Anharmonische Schwingungen 282
15 Wellen 284
15.1 Wellenausbreitung 284
15.1.1 Arten von Wellen 284
15.1.2 Frequenz und Doppler-Effekt 286
15.1.3 Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit 286
15.1.4 Energiestrom und Amplitude 287
15.1.5 HUYGENSsches Prinzip 287
15.2 Reflexion und Brechung 288
15.2.1 Reflexion 288
15.2.2 Brechung 289
15.2.3 Totalreflexion 290
15.3 Beugung und Interferenz 291
15.3.1 Beugung 291
15.3.2 Interferenz 292
15.3.3 Stehende Wellen 294
15.3.4 Beugung und Interferenz am Doppelspalt 295
15.4 Polarisation 297
15.5 Optische Abbildung 298
15.5.1 Bildkonstruktion 299
15.5.2 Bildentstehung an gekrümmten Spiegeln und Linsen 300
15.5.3 Abbildungsgleichung und Abbildungsmaßstab 302
15.5.4 Vergrößerung durch Fernrohr und Mikroskop 303
15.6 Energieübertragung durch Wellen 305
15.6.1 Physikalische Strahlungsgrößen 305
15.6.2 Physiologische Schall- und Lichtempfindungen 307
15.6.2.1 Schallstärke und Lautstärke 307
15.6.2.2 Lichttechnische Größen 309
15.7 Elektromagnetische Strahlung 311
15.7.1 HERTZsche Wellen 312
15.7.2 Mikrowellen 312
Quanten und Atome 316
16 Atom- und Kernphysik 316
16.1 Quanten 317
16.1.1 Energiequantelung 317
16.1.2 Welle-Teilchen-Dualismus 318
16.1.3 Äußerer Fotoeffekt 318
16.1.4 HEISENBERGsche Unschärferelation 319
16.1.5 Masse und Energie 320
16.2 Photonen 321
16.2.1 BOHRsches Atommodell 321
16.2.2 Absorption und Emission von Photonen 322
16.2.3 LASER 324
16.2.4 Röntgenstrahlen 326
16.3 Atomkern 328
16.3.1 Aufbau des Atomkerns 328
16.3.2 Radioaktivität 330
16.3.2.1 ?-Umwandlung 330
16.3.2.2 ?-Umwandlung 331
16.3.2.3 ?-Strahlung 332
16.3.2.4 Gesetz der radioaktiven Umwandlung 332
16.3.2.5 Absorption von ionisierender Strahlung 334
16.3.2.6 Nachweis von Kernstrahlung 336
16.3.2.7 Biologische Wirkungen und Strahlenschutz 338
16.3.3 Kernenergie 339
16.3.3.1 Kernspaltung 340
16.3.3.2 Kernsynthese 342
Aufgaben 344
2 Kinematik 344
3 Dynamik der Punktmasse 345
4 Dynamik der Rotation 348
5 Statik 349
6 Mechanik der Flüssigkeiten und Gase 351
7 Wärme und innere Energie 354
8 Zustandsänderungen von Gasen 355
9 Wärmetransport 356
10 Gleichstrom 357
11 Elektrische und magnetische Felder 360
12 Wechselstrom 361
14 Schwingungen 363
15 Wellen 364
16 Atom- und Kernphysik 365
Lösungen 367
2 Kinematik 367
3 Dynamik der Punktmasse 369
4 Dynamik der Rotation 373
5 Statik 374
6 Mechanik der Flüssigkeiten und Gase 376
7 Wärme und innere Energie 378
8 Zustandsänderungen von Gasen 380
9 Wärmetransport 382
10 Gleichstrom 382
11 Elektrische und magnetische Felder 387
12 Wechselstrom 389
14 Schwingungen 392
15 Wellen 393
16 Atom- und Kernphysik 395
Bildquellenverzeichnis 397
Sachwortverzeichnis 398