Demtröder Wolfgang. Experimentalphysik .2 - Elektrizität und Optik

7 Auflage - Springer, 2017. — 459 S.
Der hiermit vorgelegte zweite Band des vierbändigen Lehrbuchs der Experimentalphysik,
der die Elektrizitätslehre und die Optik behandelt, möchte für die Studenten des zweiten
Semesters eine Brücke bauen zwischen den in der Schule bereits erworbenen Kenntnissen
auf diesen Gebieten und dem in späteren fortgeschrittenen Physikvorlesungen erwarteten
höheren Niveau der Darstellung.
Wie im ersten Band steht auch hier das Experiment als Prüfstein jedes theoretischen
Modells der Wirklichkeit im Mittelpunkt. Ausgehend von experimentellen Ergebnissen
soll deutlich gemacht werden, wie diese erklärt werden können und zu einem in
sich konsistenten Modell führen, das viele Einzelbeobachtungen in einen größeren Zusammenhang
bringt und damit zu einer physikalischen Theorie wird. Die mathematische
Beschreibung wird, so weit wie möglich, nachvollziehbar dargestellt. In Fällen,
wo dies aus Platzgründen nicht realisierbar war oder den Rahmen der Darstellung
sprengen würde, wird auf entsprechende Literatur verwiesen, wo der interessierte Student
nähere experimentelle Details oder eine genauere mathematische Herleitung finden
kann.
Das Buch beginnt, wie allgemein üblich, mit der Elektrostatik, behandelt dann den stationären
elektrischen Strom und die von ihm erzeugten Magnetfelder. Dabei werden sowohl die
verschiedenen Leitungsmechanismen in fester, flüssiger und gasförmiger Materie diskutiert
als auch die Wirkungen des elektrischen Stromes und die darauf basierenden Messmethoden.
Aufbauend auf den in Band 1 erläuterten Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie
wird gezeigt, wie in einer relativistischen, d. h. Lorentz-invarianten Darstellung elektrisches
und magnetisches Feld miteinander verknüpft sind.
Zeitlich veränderliche elektrische Felder und Ströme und die daraus resultierenden Induktionserscheinungen
bilden den Inhalt des vierten Kapitels, in dem auch die Zusammenfassung
all dieser Phänomene durch die Maxwell-Gleichungen diskutiert wird.
Um die Bedeutung der bisher gewonnenen Kenntnisse für technische Anwendungen zu
unterstreichen, befasst sich Kap. 5 mit elektrischen Generatoren und Motoren, mit Transformatoren
und Gleichrichtung von Wechselstrom und Drehstrom, mit Wechselstromkreisen,
elektrischen Filtern und Elektronenröhren.
Von besonderer Bedeutung für technische Anwendungen, aber auch für ein grundlegendes
Verständnis schnell veränderlicher elektromagnetischer Felder und Wellen sind elektromagnetische
Schwingkreise, die in Kap. 6 behandelt werden. Am Beispiel der Abstrahlung
des Hertzschen Dipols wird die Entstehung elektromagnetischer Wellen ausführlich dargestellt,
deren Ausbreitung im freien Raum und in begrenzten Raumgebieten (Wellenleiter
und Resonatoren) den Inhalt von Kap. 7 bildet. Experimentelle Methoden zur Messung der
Lichtgeschwindigkeit schließen das Kapitel ab.
Kapitel 8, das die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Materie behandelt, bildet den
Übergang zur Optik, weil viele der hier diskutierten Phänomene besonders für Lichtwellen
von besonderer Bedeutung sind, obwohl sie im gesamten Frequenzbereich auftreten.
Da die Optik eine zunehmende Bedeutung für wissenschaftliche und technische Anwendungen
erlangt, wird sie hier ausführlicher als in vielen anderen Lehrbüchern behandelt. Nach Meinung des Autors stehen wir vor einer „optischen Revolution“, die wahrscheinlich eine
ähnliche Bedeutung haben wird wie in den letzten Jahrzehnten die elektronische Revolution.
Für die praktische Optik hat sich für viele Anwendungen die Näherung der geometrischen
Optik bewährt, die im Kap. 9 als „Lichtstrahlen-Abbildung“ erklärt wird, wobei auch das
Verfahren der Matrizenoptik kurz erläutert wird.
Interferenz und Beugung werden immer als wichtige Bestätigungen für das Wellenmodell
des Lichtes angesehen. In Kap. 10 werden die Grundlagen dieser Erscheinungen erläutert,
der Begriff der Kohärenz erklärt und experimentelle Anordnungen, nämlich die verschiedenen
Typen von Interferometern vorgestellt, die auf der Interferenz von verschiedenen
kohärenten Teilstrahlen basieren. Um ein etwas genaueres Verständnis der Beugungserscheinungen
zu erreichen, wird nicht nur die Beugung von parallelen Lichtbündeln
(Fraunhofer-Beugung) sondern auch die in der Praxis viel häufiger auftretende Fresnel-
Beugung behandelt.
Kapitel 11 ist der Darstellung optischer Geräte und moderner optischer Verfahren, wie der
Holographie und der adaptiven Optik gewidmet.
Im letzten Kapitel wird dann die thermische Strahlung heißer Körper behandelt und insbesondere
der Begriff des schwarzen Strahlers erläutert und das Plancksche Strahlungsgesetz
diskutiert, das zum Begriff des Photons führte, also den Teilchencharakter des Lichtes wieder
deutlich macht, aber vor allem zu einer konsistenten Symbiose vonWellen- und Teilchenmodell
führt. Dieser Aspekt der nicht widersprüchlichen, sondern komplementären Darstellung
von Wellen- und Teilchenbild wird dann im dritten Band auf die Beschreibung von Materieteilchen
ausgedehnt und bildet die physikalische Grundlage für die Quantentheorie.
Die Darstellung der verschiedenen Gebiete in diesem Buch wird durch viele Beispiele illustriert.
Am Ende jedes Kapitels gibt es eine Reihe von Übungsaufgaben, die dem Leser die
Möglichkeit geben, seine Kenntnisse selber zu testen. Er kann dann seine Lösungen mit den
im Anhang angegebenen Lösungen vergleichen.
Vielen Leuten, ohne deren Hilfe das Buch nicht entstanden wäre, schulde ich Dank. Hier
ist zuerst Herr G. Imsieke zu nennen, der durch sorgfältiges Korrekturlesen, Hinweise auf
Fehler und viele Verbesserungsvorschläge sehr zur Optimierung der Darstellung beigetragen
hat und Herr T. Schmidt, der die Texterfassung übernommen hat. Ich danke Frau A. Kübler,
Frau B. S. Hellbarth-Busch und Herrn Dr. H. J. Kölsch vom Springer-Verlag für die gute
Zusammenarbeit und für ihre kompetente und geduldige Unterstützung des Autors, der oft
die vorgegebenen Termine nicht einhalten konnte. Frau I. Wollscheid, die einen Teil der
Zeichnungen angefertigt hat sowie Frau S. Heider, die das Manuskript geschrieben hat, sei
an dieser Stelle sehr herzlich gedankt. Auch meinen Mitarbeitern, Herrn Eckel und Herrn
Krämer, die bei den Computerausdrucken der Abbildungen behilflich waren, gebührt
mein Dank.
Besonderen Dank hat meine liebe Frau verdient, die mit großem Verständnis die Einschränkungen
der für die Familie zur Verfügung stehenden Zeit hingenommen hat und die mir
durch ihre Unterstützung die Zeit zum Schreiben ermöglicht hat.
Kein Lehrbuch ist vollkommen. Der Autor freut sich über jeden kritischen Kommentar, über
Hinweise auf mögliche Fehler und über Verbesserungsvorschläge. Nachdem der erste Band
eine überwiegend positive Aufnahme gefunden hat, hoffe ich, dass auch der vorliegende
zweite Band dazu beitragen kann, die Freude an der Physik zu wecken und zu vertiefen und
die fortwährenden Bemühungen aller Kollegen um eine Optimierung der Lehre zu unterstützen.
Kaiserslautern,
im März 1995 Wolfgang Demtröder