Upload
others
View
5
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 11. Vorlesung – 24.05.2018
Prof. Dr. Jan Lipfert [email protected]
24.5.2018
https://xkcd.com/123/
Heute: - 1. Klausur – Ergebnisse & Tips - Diffusion & Stofftransport - Thermodynamische Potentiale - Einführung & Motivation:
Elektromagnetismus!
Prof. Dr. Jan Lipfert 1
Ergebnisse der 1. Klausur auf der Vorlesungswebseite!
24.5.2018
Datum Vorlesung Übungen 14.5. Mo Wärmetransport + TD Potentiale*) Abgabe 5. Übungsblatt**)
15.5. Di Zentralübung: 5. Übungsblatt 12:00-14:00, Großer Physik-HS
16.5. Mi Keine Übungen (kein Vorrechnen für 5. Blatt) 17.5. Do 1. Klausur: Thermodynamik
18.5. Fr
21.5. Mo Feiertag (Pfingsten)
22.5. Di
23.5. Mi Normale Übungstermine Besprechung der Klausur 24.5. Do 1. Vorlesung Elektromagnetismus
25.5. Fr
28.5. Mo 2. Vorlesung Elektromagnetismus Ausgabe 6. Übungsblatt
29.5. Di
30.5. Mi Keine Übungen
31.5. Do Feiertag (Fronleichnam)
1.6. Fr
*)Optional für E2p **)Einige Aufgaben optional für E2p
Prof. Dr. Jan Lipfert 2
Tips zum Lernen
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 3
• Grundlage zum Nacharbeiten & zur Klausurvorbereitung: Vorlesungfolien und eigene Vorlesungsmitschrift
• Ergänzend, für verpasste Vorlesungen, für eine andere Perspektive, für
Hintergründe oder weiterführende Themen: Lehrbücher (siehe konkrete Angaben auf der Webseite)
• (Insbesondere) in der Physik reicht Zuhören / Nachlesen nicht aus,
Anwendung & aktives Verwenden des Stoffes in Aufgaben ist wichtig! Grundlage dafür sind die Übungsblätter & Tutorien.
• Ergänzend und zur gezielten Klausurvorbereitung: Übungsaufgaben aus den verschiedenen Lehrbüchern (viele Bücher bieten zumindest für einen Teil der Aufgaben Lösungen an)
Lernen Sie im Team, zusammen mit Gleichgesinnten aus dem Semester!
Wiederholung: Wärmeleitung
24.5.2018
• Fouriersches Gesetz: https://de.wikipedia.org/wiki/Joseph_Fourier
Jean Baptiste Joseph Fourier (1768 - 1830) Warmes
Reservoir Kaltes
Reservoir
x
Prof. Dr. Jan Lipfert 4
�Q
�t
= �� ·A · �T
�x
Substanz Wärmeleit-fähigkeit
[ W/(m·K) ] Kupfer ≈ 400
Aluminium ≈ 230
Eisen ≈ 80
Blei ≈ 35
Wasser ≈ 0,6
Luft ≈ 0,03
• Fouriersches Gesetz, allgemein:
• Allgemeine Wärmeleitungsgleichung
~j = ~q = �� · ~rT
@T
@t=
�
⇢ · c~r · (~rT )
Wiederholung: Wärmestrahlung
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 5
Alle Körper mit einer Temperatur T strahlen elektromagnetische Strahlung mit einer bestimmten Intensität und einem bestimmten Spektrum ab.
• Kirchhoffsches Strahlungsgesetz (1859) (ε = Emissionskoeffizient; α = Absorptionskoeffizient)
https://en.wikipedia.org/wiki/Gustav_Kirchhoff
Gustav Kirchhoff (1824-1887) • Stefan-Boltzmann Gesetz (1879, 1884)
https://de.wikipedia.org/wiki/Josef_Stefan
Josef Stefan (1835 - 1893)
https://de.wikipedia.org/wiki/Ludwig_Boltzmann
Ludwig Boltzmann
(1844 - 1906)
Thermisch abgestrahlte (Gesamt-) Leistung:
Stefan-Boltzmann Konstante: σ = 5,67·10−8 W/(m2· K4)
Stefan-Boltzmann und die Temperatur der Sonne
24.5.2018
https://de.wikipedia.org/wiki/Josef_Stefan
Josef Stefan (1835 - 1893)
https://de.wikipedia.org/wiki/Ludwig_Boltzmann
Ludwig Boltzmann (1844 - 1906)
Prof. Dr. Jan Lipfert 6
Wiederholung: Wiensches und Plancksches Strahlungsgesetz
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 7
Max Planck (1858 - 1947)
https://en.wikipedia.org/wiki/Max_Planck
• Planksches Strahlungsgesetz (1900): Die spektrale Energiedichte (abgestrahlte Leistung pro Fläche und pro Wellenlängeninterval) des Schwarzkörpers:
• Wiensches Verschiebungsgesetz (1893): Maximum der Strahlungsintensität des Schwarzkörpers liegt bei
Wilhelm Wien (1864 – 1928)
https://de.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_Wien
PINGO: Schwarzkörperstrahlung
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 8
Die Oberfläche der Sonne hat eine Temperatur von ca. 6000 K und emittiert ein Schwarzkörper-Spektrum, das sein Maximum bei etwa 500 nm hat. Für einen Körper mit einer Temperatur von 300 K, wo würden Sie das Maximum der thermischen Emission erwarten?
A) 10 µm B) 100 µm C) 10 mm D) 100 mm E) 10 m
Stofftransport und Diffusion
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 9
https://de.wikipedia.org/wiki/Diffusion
https://en.wikipedia.org/wiki/Adolf_Eugen_Fick
Adolf Fick (1829 - 1901)
CuSO4 - Diffusion
= Teilchenzahldichte
= Teilchenstromdichte n~j
Konzentrationsunterschiede führen zu einem Teilchenstrom:
Allgemeine Diffusionsgleichung
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 10
https://en.wikipedia.org/wiki/Adolf_Eugen_Fick
Adolf Fick (1829 - 1901)
Brownsche Bewegung
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 11
Brownsche Bewegung
Robert Brown (1773-1858)
https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Robert_brown_botaniker.j
pg
Brownsche Bewegung (1827): thermische Zufallsbewegung mikroskopischer Teilchen in Flüssigkeiten und Gasen • Quantitativ vermessen durch Wiener (1863)
und Perrin (Nobelpreis 1926) • Theoretische Beschreibung durch Einstein (1905),
Smoluchowski (1906) & Langevin (1908)
Thermodynamische Potentiale
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 12
Innere Energie: dU = TdS � pdV + µdN
Schroeder, „Thermal Physics“
Enthalpie:
Thermodynamische Potentiale
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 13
https://en.wikipedia.org/wiki/Hermann_von_Helmholtz
Hermann von Helmholtz
(1821-1894)
https://en.wikipedia.org/wiki/Josiah_Willard_Gibbs
Josiah Willard Gibbs
(1839-1903)
Freie Energie (= Helmholtz Potential):
Freie Enthalpie (= Gibbs Potential):
Wärmestrahlung und „Röntgenblick“
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 14
James Bond mit „Röntgenbrille“:
„The World Is Not Enough“, 1999 https://www.youtube.com/watch?v=Y5G5aCHDDZM
MOTIVATION
Elektromagnetismus in Alltag und Forschung
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 15
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 16
Elektrodynamik im Alltag
https://de.wikipedia.org/wiki/Windpark
https://en.wikipedia.org/wiki/Incandescent_light_bulb
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ commons/b/b4/Chef_Pepin_Toaster.jpg
https://de.wikipedia.org /wiki/Notebook
https://en.wikipedia.org/wiki/
Laptop_cooler
https://de.wikipedia.org/wiki/Fahrzeugbeleuchtung
https://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode https://de.wikipedia.org/wiki/Smartphone
• Was haben dieses Strahlen/Wellen gemeinsam? • Was unterscheidet sie?
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 17
Elektromagnetische Wellen – von Radio bis Röntgen
https://de.wikipedia.org/wiki/Transistorradio
https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectrum
https://de.wikipedia.org/wiki/ Wilhelm_Conrad_Röntgen
Farbwahrnehmung
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/98/Aj4zRIbtYavosQ4PtWbWlIMKrel1aKPn4uxm-kqOSkFy.jpg https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/68/47-rg12.jpg
Elektrische Methoden im (Bio-)Physik Labor
Elektrochemie
https://de.wikipedia.org/wiki/Galvanotechnik
Elektrophorese
https://de.wikipedia.org/wiki/Gelelektrophorese
Elektroporation
https://bmeforum.wordpress.com/2010/02/17/electroporation-“knife-for-cancer”/
15.04.2016 Prof. Dr. Jan Lipfert 18
Elektrodynamik in der Physiologie/Biologie
15.04.2016 Prof. Dr. Jan Lipfert 19
Nervenleitung
https://de.wikipedia.org/wiki/Aktionspotential
z.B. Hodgkin-Huxley Model: Neuronen als Schaltkreise (Nobelpreis 1963)
https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrokardiogramm
Elektrokardiogramm (EKG)
Elektrische Messungen ermöglichen Einblicke in die (Patho-)physiologie des Herzens (Nobelpreis für Willem Einthoven 1924)
https://de.wikipedia.org/wiki/Patch-Clamp-Technik
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1991/
z.B. patch-clamp Technik (Nobelpreis 1991)
Ionenkanäle
• Optische Phänomene • Geometrische Optik • Gerade in München: Hochpräzise Laserspektroskopie
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 20
Elektrodynamik und Optik in Messverfahren
https://de.wikipedia.org/wiki/Regenbogen
https://de.wikipedia.org/wiki/Fluoreszenzmikroskopie
https://de.wikipedia.org/wiki/Laser
https://de.wikipedia.org/wiki/Theodor_H%C3%A4nsch
Prof. Hänsch (LMU) Physik Nobelpreis 2005
Elektrodynamik als erste Feldtheorie
r ~E =⇢
✏0r ~B = 0
r⇥ ~E = �@ ~B
@t
r⇥ ~B = µ0
~j + ✏0
@ ~E
@t
!
Maxwell-Gleichungen für das elektrische Feld E und magnetische Feld B:
James Clerk Maxwell (1831-1879)
https://de.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell
https://de.wikipedia.org/wiki/Feldlinie
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 21
Feld: Physikalischen Größe, die jedem Punkt im Raum und in der Zeit einen Wert (Skalar, Vektor, Tensor, etc.) zuordnet.
NaCl-Kristall
+ -
+ -
H2-Molekül
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 22
Elektrische Kräfte und der Aufbau von Materie
https://commons.wikimedia.org/wiki/ NaCl#/media/File:Halite_crystal.jpg
https://de.wikipedia.org/wiki/Natriumchlorid
Makromoleküle [Oryza sativa Lipid Transfer Protein 1 bound to Palmitic acid (black). Positive charge in blue, negative charge in red.]
https://en.wikipedia.org/wiki/Plant_lipid_transfer_proteins
Elektrostatik
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 23
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/67/
Thales-06.jpg
Thales von Milet, Griechenland (550 v.Chr.): Nachdem Bernstein (griechisch ηλεκτρόν) an einem trockenen Fell gerieben wurde übt er eine anziehende Kraft auf Vogelfedern oder Haare aus.
https://de.wikipedia.org/wiki/Charles_du_Fay
Charles du Fay, Frankreich (1698-1739): Zwei Arten von (Reibungs-)Elektrizität („vitreuse“ und „resineuse“, Glas und Harz) können sich gegenseitig neutralisieren.
Experiment: Statische Elektrizität mit Plastikstange
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 24
Es gibt positive und negative Ladungen. Ladungen mit gleichem Vorzeichen stoßen sich ab, Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen ziehen sich an.
Zwei unterschiedliche Ladungen
Benjamin Franklin, U.S.A (1706-1790), sprach von „einer Ladungsart“ (einem Fluid), welche nur ihren Aufenthaltsort verändert und somit (positive oder negative) Aufladung verursacht
https://de.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Franklin
Aufladen
Ladungsverschiebung
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
+ + + +
+ + + +
+ +
+ +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
- - - -
- - - -
- -
- -
- - - -
-
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
+ + + +
+ + + +
+ +
+ +
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
- - - -
- - - -
- -
- -
- - - -
- - -
-
- -
-
- -
- - -
Experiment: Vorzeichen der Ladung
24.5.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 25
Elektrische Kräfte
Experiment: Reibungselektrizität
https://de.wikipedia.org/wiki/Elektroskop