Physik für Ingenieure für Dummies

Christian Thomsen ist Professor für experimentelle Festkörperphysik und Präsident der TU Berlin.

• Über den Autor 7Danksagung 7Einleitung 19Über dieses Buch 19Konventionen in diesem Buch 19Törichte Annahmen über die Leser 19Wie dieses Buch aufgebaut ist 20Teil I: Mechanik 20Teil II: Thermodynamik 20Teil III: Elektrizitätslehre und Magnetismus 20Teil IV: Optik 20Teil V: Atomphysik 21Teil VI: Kernphysik 21Teil VII: Festkörperphysik 21Teil VIII: Der Top-Ten-Teil 21Anhang 21Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 21Wie es weitergeht 22TEIL I MECHANIK 23Kapitel 1 Mathematische Buddelkiste 25Physikalische Größen und Einheiten 25Welche Einheit hat die Größe 26Rechnenmit Skalaren 27Mit Vektoren rechnen 28Addition von Vektoren 29Zerlegung von Vektoren 30Länge eines Vektors 31Skalarprodukt von Vektoren 31Vektorprodukt von Vektoren 33Trigonometrische Funktionen 35Komplexe Zahlen 37Differentiation 40Integration 43Einige theoretische Betrachtungen 43Praktisches Integrieren 46Reihenentwicklungen 48Kapitel 2 Kräfte Schaffen Bewegung 51Bewegungen – gerade und im Kreis 51Wie schnell darf es sein? 51Alles dreht sich im Kreis 53Vektoren können Kreisbewegungen beschreiben 55Bewegung im Schwerefeld 56Newton und Kepler waren genial 58Das newtonsche Gravitationsgesetz 59Keplers Gesetze 60Kräfte und Axiome bestimmen die Mechanik 62Erstes newtonsche Axiom 63Zweites newtonsches Axiom 63Der Drehimpuls 66Drittes newtonsches Axiom 70Kapitel 3 Arbeit und Energie 73Arbeit müssen alle leisten 73Leistung ist Arbeit pro Zeit 78Energie geht uns alle an 78Potenzielle Energie 78Kinetische Energie 79Rotationsenergie 79Energie einer gespannten Feder 80Kapitel 4 Erhaltungssätze und ihre Folgen 83Energieerhaltung 83und Impulserhaltung 85Elastischer Stoß 85Inelastischer Stoß 86Managerpendel 87Stoßprobleme in einer Ebene 88und Drehimpulserhaltung auch 90Kapitel 5 Alles schwingt 93Ungedämpfte Schwingungen 93Pendel als Prototyp für Schwingungen 93Anfangsbedingungen sind manchmal mühsam 100Wenn das Pendelmal weit ausschlägt 103Gedämpfte Schwingung berechnen 104Schwingungen können auch erzwungen werden 108Inhaltsverzeichnis 13Kapitel 6 Wellen schlagen .115Die Wellengleichung macht‘s 115Wellenmachen sich breit 117Wenn Wellen sich überlagern 122Konstruktiv oder destruktiv 122Stehende Wellen 123Wellen reisen in Gruppen 124Fourier 126Kapitel 7 Alles ist relativ .129Transformationen machen fit 129Schneller geht’s nicht 131Gleichzeitigkeit geht verloren 134Länge, Geschwindigkeit, Masse und Energie 135Längen verkürzen sich 135Geschwindigkeiten addieren sich seltsam 135Massen nehmen zu 137TEIL II THERMODYNAMIK 139Kapitel 8 Temperatur: Warm und Kalt .141Celsius, Fahrenheit und Kelvin 141Das ideale Gas 143Die Freiheit eines Moleküls 145Ein, zwei,   , ganz viele Teilchen 145Druck, Volumen und Temperatur halten zusammen 147Jeder mit seiner Geschwindigkeit 149Reale Gase: so sieht die Wirklichkeit aus 152Kapitel 9 Zustände ändern sich 155in idealen Gasen 155Temperaturveränderungen 156Isochoren: gleiche Volumina – keine Arbeit 157Isothermen: die Temperatur verändert sich nicht 158Adiabatische Prozesse 159Isobarer Prozess: der Druck bleibt konstant 160und in realen Gasen 161Wärmekapazität: je kleiner desto wärmer 163Kapitel 10 Unordnung nimmt von selber zu 167Entropie als thermodynamische Größe 167Entropie als statistische Größe 171Mit Enthalpie Gase verschieben 173Kapitel 11 Aus Wärme Kraft erzeugen .177Der Otto-Motor läuft rund 177Der Carnot-Prozess ist optimal 179Der Stirling-Motor ohne interne Verbrennung 186Kapitel 12 Flüssigkeiten in Bewegung 191Druckveränderung durch Schwerkraft 191Statische Flüssigkeiten 191Schweredruck in Gasen 194Sich gemeinsam fortbewegen: Viskosität und Strömungen 195Brownsche Bewegung in Flüssigkeiten 195Strömende Flüssigkeiten 198Strömungen mit Reibung 200Strömungen mit höherer Geschwindigkeit 205TEIL III ELEKTRIZITäTSLEHRE UND MAGNETISMUS .209Kapitel 13 Ladungen ohne Bewegung 211Coulombgesetz 211Elektrische Felder 215Elektrischer Fluss 219Elektrische Felder in Materie 223Mit Spannung zur Spannung 225Kondensator 226Kapitel 14 Elektrische Ströme .233Ströme panda rei (alles fließt) 233Kirchhoffsche Gesetze 237Auf- und Entladen von Kondensatoren 242Kapitel 15Magnetfelder und Ströme .247Magnetfelder 247im Vakuum 247und in Materie 249Ströme erzeugen Magnetfelder 251Ampèresches Durchflutungsgesetz 253Kräfte zwischen Strömen 255Leiterschaukel 255Biot–Savartsches Gesetz 257Magnetfelder erzeugen Ströme 258Wechselspannung und Wechselströme. 261Ohmsches Gesetz bei Wechselspannungen 262Der LC Schwingkreis 264Kapitel 16 Elektromagnetismus .267Elektrische undmagnetische Felder 267Ein Transformator für Wechselspannungen 269Generatoren erzeugen Strom 271Elektromagnetische Felder im Wechselspiel 273Maxwells geniale Gleichungen 276TEIL IV OPTIK .279Kapitel 17 Licht verbiegen .281Licht – Welle oder Teilchen? 281Licht als Welle 282Licht und Medien 285Reflexion 285Snelliussches Brechungsgesetz 287Totalreflexion 291Farbzerlegung mit Hilfe des Prismas 292Linsen und Abbildungen 293Listingsche Strahlenkonstruktion 296Kapitel 18 Raffinierte Linsen .301Aus der Ferne heranholen 301Winziges ganz groß machen 302Ganz Winziges ganz groß machen 304Kapitel 19 Licht spaltet sich auf .309Beugung am Spalt 309Interferenz am Doppelspalt 312Optische Gitter zur Analyse 315TEIL V ATOMPHYSIK .317Kapitel 20 Die Welt der Atome .319Streuversuche an Atomen 319Die Entdeckung des Photons 322Diskrete Strahlung 327Compton-Effekt 329Kapitel 21 Kern und Kugeln 333Bohrsches Atommodell 333Elektronen treffen auf Atome 337Kapitel 22 Atome im wirklichen Leben .339Energiesparlampen 339Wie viel Uhr ist es, bitte? 341Die Grundlage des Laserschwerts 343Mit Röntgenstrahlen durchsehen 346Klein aber fein: die Mikrosonde 348Kapitel 23 Quantenmechanik 351Und wieder die Frage: Welle oder Teilchen? 352Wellenpakete und Unschärferelation 353Schrödingergleichung: die Königsklasse 357Elektronen im Wasserstoffatom 362Die Bedeutung der Quantenzahlen l und ml 368Pauli-Prinzip und Periodensystem 369Stern-Gerlach Experiment 371TEIL VI KERNPHYSIK .373Kapitel 24 Kerne: kleiner als Atome 375Kernform 375Sie bauen sich Atomkerne 379Wieso hält ein Kern zusammen? 381Ein Kern wiegt zu wenig 383Kapitel 25 Plötzlich ist der Kern weg .387Der Kern spuckt ein großes Teilchen aus 387Zwei kleine Teilchen entfliehen dem Kern 389Kerne entsenden Photonen 392Energie von Alpha, Beta oder Gamma Strahlen 393Countdown zum Zerfall 394Kernspaltung und Kernfusion – jetzt wird es heiß 396Kapitel 26 Anwendungen der Kerne 399Energieerzeugung mit Kernen 399Kernspaltung oder »leichter-werdende« Kerne 399Kernfusion oder »schwerer-werdende« Kerne 402Strahlungseinheiten. 402Wirkung der Kernstrahlung 403Zerfälle zählen 404TEIL VII FESTKÖRPERPHYSIK .407Kapitel 27 Atome in Festkörpern .409Alles hat seine Ordnung 409Ungeordnete Festkörper 411Einkristalle und Einheitszellen 412Basis mit nur einem Atom 414Basis mit mehr als einem Atom 418Strukturbestimmungmit Röntgenstrahlung 418Konstruktive Interferenzen mit der Bragg-Bedingung 420Auswahlregeln bei der Röntgenstreuung 422Kapitel 28 Das Gitter bewegt sich .425Reziproker Raum – eine geniale Erfindung 425Lineare Kette mit einem Atom in der Basis 428Lineare Kette mit zwei Atomen in der Basis 431Ein wirklicher Kristall 435Kapitel 29 Elektronen im Festkörper 437So tun als ob es nur Elektronen gäbe 437Jedes Elektron hat einen Zustand für sich 439Gefangene Elektronen 443Elektronen spüren die Atome 444Elektronen bewegen sich 447Elektrischer Widerstand 447Kapitel 30 Halbleiter sind keine halben Leiter 455Löcher: das Gegenteil von Elektronen 455Direkt oder indirekt 456Zu Gast beim Halbleiter 458Dotierte Halbleiter werden aufgewärmt 462Alle wollenmobil sein 467Der p–n Übergang 468Mit Spannung wird’s spannend 471Kapitel 31 p–n Übergang in der Praxis .475Diode – Einbahnstraße für Ströme 475Sonnenlicht in Strom verwandeln 477Transistor: elektronischer Schalter für Ströme 480Eine »umgekehrte« Solarzelle 483Kohärentes Licht aus Dioden: Halbleiterlaser 485TEIL VIII DER TOP-TEN-TEIL .489Kapitel 32 Zehn Ratschläge um Spaß an der Physik zu haben .491Studieren geht über Probieren 491Nur das Experiment zählt 491Selber experimentieren 491Applets: mit dem Internet arbeiten 491Experimentieren von zuhause aus 492Einblick in die theoretische Physik 492Bücherwürmer 492Physik vertiefen 492In andere Dimensionen gehen 492Für den Kaminsessel 493Spickzettel 495Stichwortverzeichnis 497