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Physik für Ingenieure und Naturwissenschaftler

Band 2: Elektrizitt, Optik und Wellen

AutorFriedhelm Kuypers
VerlagWiley-VCH
Erscheinungsjahr2012
Seitenanzahl448 Seiten
ISBN9783527669592
FormatePUB
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis25,99 EUR
Mit diesem zweibändigen Werk liegt wiederum eine erneuerte und verbesserte Auflage des bewährten Lehrbuchs von Friedhelm Kuypers vor.
Band 2 umfasst die Elektrodynamik, Optik und Wellenlehre. Unter anderem werden folgende Themen behandelt: LCD-Fernseher, Laserdrucker, CD- und DVD-Spieler, Lichtleiter, Abschirmung von Feldern, Drehstrom. Zusammenhänge zwischen technischen Anwendungen, alltäglichen Phänomenen und physikalischen Gesetzen werden beleuchtet. Der Aufbau und die Aufbereitung des Stoffes sind auf eine effektive Prüfungsvorbereitung zugeschnitten. Jedes Kapitel endet mit einer Zusammenfassung des Basiswissens und der wichtigsten Lernschritte. Zahlreiche Aufgaben in verschiedenen Schwierigkeitsgraden mit ausführlichen Lösungen bieten ideale Trainingsmöglichkeiten.


Friedhelm Kuypers unterrichtet seit 1986 Physik und Technische Mechanik für Ingenieure und Naturwissenschaftler an der Hochschule Regensburg. In seinen Vorlesungen legt er großen Wert auf Veranschaulichungen und hebt Anwendungen physikalischer Gesetze in Technik und Alltag hervor. Er ist ebenfalls Autor des Lehrbuchklassikers ?Klassische Mechanik?.

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Leseprobe

Bei der Koronaentladung entsteht giftiges Ozon. Daher verwenden neuere Laserdrucker statt des Koronadrahtes eine Ladewalze, die direkt mit dem Papier in Kontakt kommt.

5. Entladung des Papiers: Das Papier wird durch einen Wechselstrom-Separator entladen, der abwechselnd negative und positive Ladungen erzeugt.

Oft gelingt die Entladung nur zum Teil. In diesen Fällen ist das Papier der fertigen Kopien statisch aufgeladen, so dass die Blätter aneinander haften.

6. Einbrennen des Toners: Noch liegt der Toner verhältnismäßig lose auf dem Papier. Das bedruckte Blatt wird durch zwei entgegengesetzt rotierende, geheizte Rollen geführt. Der Toner schmilzt bei einer Temperatur von etwa 200°C. Harze und der farbgebende Ruß verbinden sich und haften am Papier.

Damit ist eine dauerhafte (und anfangs noch warme) Kopie fertig.

Beim dauerndem Druck treten häufig unangenehme Gerüche auf; sie entstehen beim Schmelzen der Harze.

Beim dauerndem Druck treten häufig unangenehme Gerüche auf; sie entstehen beim Schmelzen der Harze.

Sollte einmal Tonerstaub beim Wechsel der Tonerkartusche auf die Kleidung kommen, so muss er kalt ausgewaschen werden. Auf keinen Fall darf man heißes Wasser verwenden, das die Harze schmelzen lässt und daher die Tonerteilchen im Gewebe festsetzt.

Wenn die Heizung des Kopierers nicht arbeitet oder wenn man Papier bei einer Druckerstörung aus dem Transportweg herauszieht, so kann Toner leicht vom Papier abgewischt werden.

Abb. 17.5–1a Die Selenschicht wird durch eine Koronaentladung negativ aufgeladen.

Abb. 17.5–1b Bei der Abbildung wird die Selenschicht an den belichteten Stellen leitend.

Abb. 17.5–1c Positiv geladene Tonerpartikel werden auf die Trommel gezogen.

Abb. 17.5–1d Stark negativ geladenes Papier übernimmt die Tonerteilchen.

Abschließend wird die Fototrommel für die nächste Kopie in ihren ungeladenen und staubfreien Anfangszustand zurück versetzt:

7. Entladung: Durch Belichtung der Trommel wird das verbliebene elektrostatische Bild gelöscht, weil die Elektronen aus der belichteten und daher leitenden Selenschicht abfließen.
8. Reinigung der Trommel: Die Trommel fährt an einer Bürste vorbei, die den restlichen, nicht abgezogenen Toner entfernt.

Jetzt ist die Fototrommel bereit für die Kopie einer neuen Seite.

Laserdrucker sind ähnlich aufgebaut wie Fotokopierer – mit einem Unterschied: Sie tasten nicht – wie der Kopierer – eine zu kopierende Vorlage optisch ab, sondern erhalten vom Computer auf elektronischem Wege eine komplette Seite. Dann beleuchtet ein Laserstrahl, der über bewegliche Spiegel gesteuert wird, die Fototrommel.

Weitere Anwendungen der elektrostatischen Kraft:


  • Elektrostatische Staubfilter und elektrostatische Abgasfilter: Im Abgaskamin wird mit einer Hochspannung ein sehr starkes elektrisches Feld zwischen einem Draht in der Mitte und metallischen Wänden aufgebaut; bei zylinderförmigen Wänden gilt E(r) ~ 1/r (siehe Gl. (17.4–11). Das starke Feld zündet in Drahtnähe elektrische Durchschläge in der Luft. Die frei werdenden Elektronen laufen nach außen und verbinden sich mit Sauerstoffmolekülen. Die negativen Sauerstoffmolekül-Ionen wiederum lagern sich an die aufsteigenden Schadstoffe an.
Schadstoffe in fester Form scheiden sich an den Außenwänden ab. Sie werden regelmäßig durch Rüttelbewegungen abgelöst und fallen in Staubauffangbehälter am Boden des Kamins. Flüssige Schadstoffe laufen die Kaminwände herab und werden ebenfalls unten aufgefangen.
Etwa 99% des Staubes und der Asche, die bei der Stromerzeugung in Kohlekraftwerken entstehen, können auf diese Art ausgefiltert werden.
  • Weitere Anwendungen sind die elektrostatische Trennung körniger Mischungen (etwa von Getreide und Unkrautsamen) und die elektrostatische Lackierung mit Sprühfarben.

Abb. 17.5–2 Im elektrostatischen Staubfilter werden die Staubpartikel negativ aufgeladen und zur Wand abgelenkt.

17.6 Noch einmal in Kürze


1) Die Elementarladung

(17.1–1)

ist die kleinste Ladung. Alle anderen Ladungen sind ganzzahlige Vielfache der Elementarladung. In abgeschlossenen Systemen ist die Summe aller Ladungen konstant.
2) Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen ziehen sich an. Die Coulombkraft FC einer Punktladung Q1 auf eine Punktladung Q0 beträgt

(17.2–1)

Die Naturkonstante ε0 heißt elektrische Feldkonstante.
3) Das elektrische Feld E(r) einer Ladungsverteilung wird mit der Kraft F(r) auf eine Probeladung q definiert:

(17.3–2)

n Punktladungen Qi mit den Ortsvektoren ri erzeugen das elektrische Feld

(17.3–3)

Eine kontinuierliche Ladungsverteilung mit der Ladungsdichte ρ = dQ /dV erzeugt das Feld

(17.3–8)

4) Ein elektrisches Feld lässt sich durch Feldlinien darstellen: Die Tangenten der Feldlinien haben überall die Richtung der elektrischen Feldstärke. Ihre Dichte wächst mit zunehmender Feldstärke. Sie beginnen bei einer positiven und enden bei einer negativen Ladung.
5) Der Fluss Φ eines Vektorfeldes F(r) durch eine Fläche A ist definiert als Flächenintegral

(17.4–2)

Abb. 17.3–2a Feldlinien eines Dipols.

Abb. 17.3–2b Feldlinien von zwei gleich großen Ladungen.

Aus dem Coulombschen Gesetz lässt sich mathematisch der Gaußsche Satz ableiten. Danach ist der Fluss des elektrischen Feldes durch eine geschlossene Fläche A gleich der Summe der eingeschlossenen Ladungen dividiert durch ε0:

(17.4–5)

Der Gaußsche Satz ist eine der vier Maxwell-Gln. und ermöglicht bei symmetrischen Ladungsverteilungen einfache und elegante Berechnungen elektrischer Felder.

6) Leitende Körper sind in der Elektrostatik im Innern feldfrei. Folglich haben alle geschlossenen Oberflächen, die innerhalb des Leiters liegen, in der Elektrostatik einen verschwindenden elektrischen Fluss. Der Gaußsche Satz zeigt dann sofort, dass in der Elektrostatik das Innere von leitenden Körpern ladungsfrei ist. Auch Hohlräume mit einer geschlossenen, leitenden Oberfläche sind feldfrei. Metallhüllen und engmaschige Metallnetze (Faraday–Käfige) schirmen ihr Inneres gegen elektrostatische Felder ab.
7) Im Außenraum stehen statische elektrische Felder senkrecht auf den Leiteroberflächen. Komponenten des elektrischen Feldes parallel zur Leiteroberfläche würden die Ladungen im Leiter solange verschieben, bis das elektrische Feld senkrecht auf der Oberfläche steht.
Mit dem Gaußschen Satz lässt sich zeigen, dass das elektrische Feld auf einer Leiteroberfläche proportional ist zur lokalen Flächenladungsdichte σ: = dQ /dA:

(17.4–7)

8) Leitende Körper sind in der Elektrostatik im Innern feldfrei. Folglich haben alle geschlossenen Oberflächen, die innerhalb des Leiters liegen, in der Elektrostatik einen verschwindenden elektrischen Fluss. Der Gaußsche Satz zeigt dann sofort, dass in der Elektrostatik das Innere von leitenden Körpern ladungsfrei ist. Auch Hohlräume mit einer geschlossenen, leitenden Oberfläche sind feldfrei. Metallhüllen und engmaschige Metallnetze (Faraday–Käfige) schirmen ihr Inneres gegen elektrostatische Felder ab.
9) Im Außenraum stehen statische elektrische Felder senkrecht auf den Leiteroberflächen. Komponenten des elektrischen Feldes parallel zur Leiteroberfläche würden die Ladungen im Leiter solange verschieben, bis das elektrische Feld senkrecht auf der Oberfläche steht.
Mit dem Gaußschen Satz lässt sich zeigen, dass das elektrische Feld auf einer Leiteroberfläche proportional ist zur lokalen Flächenladungsdichte σ: = dQ/dA:
6) Leitende Körper sind in der Elektrostatik im Innern feldfrei. Folglich haben alle geschlossenen Oberflächen, die innerhalb des Leiters liegen, in der Elektrostatik einen verschwindenden elektrischen Fluss. Der Gaußsche Satz zeigt dann sofort, dass in der Elektrostatik das Innere von leitenden Körpern ladungsfrei ist. Auch Hohlräume mit einer geschlossenen, leitenden Oberfläche sind feldfrei....
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