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Ähnlich wie beim Gravitationsfeld wird auch beim elektrischen Feld ein Potenzial definiert. Unter dem elektrischen Potenzial eines Punktes versteht man den Quotienten aus der potenziellen Energie in diesem Punkt und der Ladung des Körpers. Sein Betrag hängt nur vom Ort und von der felderzeugenden Ladung ab. Das Potenzial ist demzufolge geeignet, ein Feld zu beschreiben. Das kann auch grafisch mit Äquipotenziallinien in der Ebene oder Äquipotenzialflächen im Raum erfolgen.
Die elektrische Spannung zwischen zwei beliebigen Punkten eines elektrischen Feldes ist gleich der Potenzialdifferenz zwischen diesen beiden Punkten.

Elektrische Felder können mithilfe von Feldlinienbildern beschrieben werden. Zur ihrer quantitativen Beschreibung nutzt man die feldbeschreibenden Größen elektrische Feldstärke und dielektrische Verschiebung. Die elektrische Feldstärke E ist definiert als Quotient aus der Kraft F, die das Feld auf einen positiv geladenen Probekörper ausübt, und dessen Ladung Q:
$\overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{F}}{Q}$
Die dielektrische Verschiebung D (Verschiebungsdichte) ist ein Maß für die auf einer Fläche im elektrischen Feld durch Influenz hervorgerufenen Ladung:
$D=\frac{Q}{A}$
Beide Größen sind durch die elektrische Feldkonstante und die Permittivitätszahl miteinander verbunden:
$\overrightarrow{D}={\epsilon }_0\cdot {\epsilon }_r\cdot \overrightarrow{E}$
Bevorzugt wird mit der elektrischen Feldstärke gearbeitet.

Ein magnetisches Feld kann man mit dem Modell Feldlinienbild kennzeichnen. Quantitativ lässt es sich durch die feldbeschreibenden Größen magnetische Flussdichte und magnetische Feldstärke charakterisieren. Die magnetische Flussdichte B, die heute vorzugsweise verwendet wird, ist folgendermaßen definiert:
$B=\frac{F}{{\rm I}\cdot l}$
Die magnetische Feldstärke H ist mit der magnetischen Flussdichte folgendermaßen verknüpft:
$B={\mu }_0\cdot {\mu }_r\cdot H$

Geladene Teilchen (Elektronen, Protonen, Ionen) können sich in magnetischen Feldern bewegen und werden durch diese beeinflusst. Ursache dafür ist die LORENTZ-Kraft, die auf bewegte Ladungsträger in magnetischen Feldern wirkt und die mit der Gleichung ${\overrightarrow{F}}_{\text{L}}=Q\cdot (\overrightarrow{v}\times \overrightarrow{B})$ berechnet werden kann.
Je nach der Bewegungsrichtung der Teilchen kann die LORENTZ-Kraft zu einer kreisförmigen oder einer spiralförmigen Bewegung der geladenen Teilchen führen. Bewegen sich die Teilchen parallel zu den Feldlinien des Magnetfeldes und damit in der Richtung, die die magnetische Flussdichte B hat, dann erfolgt keine Beeinflussung. In homogenen magnetischen Feldern kann die Bewegung der geladenen Teilchen relativ einfach beschrieben werden.

Generatoren dienen der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Dabei wird das Induktionsgesetz genutzt. Fast alle Generatoren arbeiten nach dem Rotationsprinzip: Durch ein rotierendes Magnetfeld werden in fest stehenden Induktionsspulen Spannungen induziert (Innenpolmaschine) oder in rotierenden Induktionsspulen werden durch ein fest stehendes Magnetfeld Spannungen induziert (Außenpolmaschine).
Für die Elektroenergieversorgung nutzt man zumeist sinusförmigen Wechselstrom, dessen Entstehung für den elementaren Fall der gleichförmigen Rotation einer Leiterschleife in einem homogenen Magnetfeld leicht aus dem Induktionsgesetz ableitbar ist.

Geladene Teilchen (Elektronen, Protonen, Ionen), die sich in einem Magnetfeld bewegen, werden durch dieses Magnetfeld beeinflusst, wenn ihre Bewegungsrichtung nicht mit der Feldrichtung übereinstimmt. Das gilt auch für Elektronen in Leitern.
Wird ein flächenhafter stromdurchflossener Leiter senkrecht zur Driftbewegung der Elektronen von einem Magnetfeld durchsetzt, so kann zwischen Randpunkten dieses Leiters eine Spannung nachgewiesen werden. Dieser 1879 von dem amerikanischen Physiker EDWIN HERBERT HALL (1855-1938) entdeckte Effekt wird heute als HALL-Effekt bezeichnet.

Das Induktionsgesetz ist ein grundlegendes physikalisches Gesetz und die Grundlage für die Wirkungsweise solcher Geräte wie Transformatoren und Generatoren. In Worten kann man es so formulieren:
In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert. Der Betrag der Induktionsspannung ist umso größer, je schneller sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert.
Eine allgemeine mathematische Formulierung des Induktionsgesetzes lautet:
$U_i=-N\cdot \frac{\text{d}\phi }{\text{d}t}\text{oder}{U}_i=-N\cdot \frac{\text{d}(B\cdot A)}{\text{d}t}$
Aus dieser allgemeinen Formulierung kann man alle wesentlichen Spezialfälle ableiten, insbesondere auch diejenigen, die der Wirkungsweise von Transformatoren und Generatoren zugrunde liegen.

Ein Kondensator ist ist elektrisches Bauelement, mit dem elektrische Ladung und damit elektrische Energie gespeichert wird. Die einfachste Form eines Kondensators ist ein Plattenkondensator, der aus zwei sich gegenüberstehenden, voneinander isolierten Metallplatten besteht, zwischen denen sich Luft befindet. Wird zwischen diesen Metallplatten eine elektrische Spannung angelegt, dann sammeln sich auf ihren Oberflächen getrennt voneinander positive und negative Ladungen an. Zwischen den Platten baut sich ein elektrisches Feld auf, in dem Feldenergie gespeichert ist. Die Kapazität eines Kondensators hängt von seinem Aufbau ab und kann in weiten Grenzen variieren. Kondensatoren können in Reihe oder parallel geschaltet werden. Sie verhalten sich im Gleichstromkreis anders als im Wechselstromkreis.

Bestandteil der Atome sind die positiv geladenen Protonen und die negativ geladenen Elektronen. Durch Dissoziation entstehen positiv und negativ geladene Ionen. Ein Körper mit Elektronenüberschuss ist negativ geladen, ein solcher mit Elektronenmangel positiv.
Wie stark ein Körper geladen ist, wird durch die physikalische Größe elektrische Ladung Q erfasst. Allgemein gilt:
$Q=n\cdot e\text{oder}Q={\displaystyle \underset{t_1}{\overset{t_2}{\int }}I(t)\text{d}t}$
Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, Ladungstrennung hervorzurufen. Zwischen geladenen Körpern wirken je nach ihrer Ladung anziehende oder abstoßende Kräfte, deren Betrag mit dem coulombschen Gesetz erfasst wird. Für die elektrische Ladung gilt ein Erhaltungssatz.

Die elektrische Leistung gibt an, wie viel elektrische Arbeit der elektrische Strom in jeder Sekunde verrichtet bzw. wie viel elektrische Energie in andere Energieformen umgewandelt wird.

Benannt ist die Einheit der Leistung nach dem schottischen Techniker JAMES WATT.

Allgemein versteht man unter der elektrischen Leistung den Quotienten aus der an einem Bauelement umgesetzten elektrischen Energie und der Zeit. Im Wechselstromkreis tritt eine Besonderheit auf: An Wirkwiderständen (ohmschen Widerständen) wird elektrische Energie in andere Energieformen umgesetzt. Dagegen „pendelt“ an Blindwiderständen (induktiven und kapazitiven Widerständen) die elektrische Energie zwischen der Quelle und dem Bauelement hin und her, ohne dass die Energie nach außen abgegeben wird. Demzufolge ist analog zu den Wechselstromwiderständen zwischen Wirkleistung P, Blindleistung Q und Scheinleistung S zu unterscheiden. Es gelten folgende Beziehungen:

$\begin{array}{l}P=U\cdot I\cdot \cos \varphi Q=U\cdot I\cdot \sin \varphi S=U\cdot I\\ \text{Für den Zusammenhang zwischen den Leistungen gilt:}\\ S=\sqrt{P^2+Q^2}\\ \end{array}$

In Flüssigkeiten erfolgt nur dann ein Leitungsvorgang, wenn durch Dissoziation frei bewegliche (wanderungsfähige) Ionen vorhanden. Beim Anlegen einer Spannung und damit beim Vorhandensein eines elektrischen Feldes bewegen sich die Ionen gerichtet. Es wird elektrische Energie in thermische Energie umgewandelt. Eine für Anwendungen wichtige Besonderheit bei Leitungsvorgängen in Flüssigkeiten besteht darin, dass mit den Ionen nicht nur ein Transport von Ladungen, sondern auch ein Stofftransport erfolgt. Das wird z.B. beim Galvanisieren oder beim Lackieren von Autoteilen genutzt.

In Metallen sind infolge der Metallbindung frei bewegliche (wanderungsfähige) Elektronen vorhanden. Beim Anlegen einer Spannung und damit beim Vorhandensein eines elektrischen Feldes bewegen sich die Elektronen gerichtet. Der Leitungsvorgang wird durch die Ladungsträgerdichte und die Beweglichkeit der Ladungsträger bestimmt. Diese beiden Größen beeinflussen auch den elektrischen Widerstand. Bei Stromfluss in einem elektrischen Leiter wird stets ein Teil der elektrischen Energie in thermische Energie umgewandelt.
Der Widerstand metallischer Leiter ist temperaturabhängig. Das kann z.B. zum Bau von Metall-Widerstandsthermometern genutzt werden.

Der dänische Physiker NIELS BOHR (1885-1962) entwickelte 1913 das von dem britischen Physiker ERNEST RUTHERFORD (1871-1937) im Jahre 1911 angegebene Atommodell weiter, wobei er das Kern-Hülle-Modell mit Quantenvorstellungen verband. Bohr formulierte für sein Atommodell, das man als bohrsches Atommodell bezeichnet, einige grundlegende Postulate. Ein Vorteil dieses Atommodells war, dass man mit ihm die Emission und Absorption von Strahlung erklären konnte. Für Wasserstoff konnten auch die Spektrallinien berechnet werden. Entscheidende Nachteile waren, dass es bei anderen Atomen als Wasserstoff versagt und im Widerspruch zu quantenphysikalischen Erkenntnissen von der Vorstellung bestimmter Bahnen der Elektronen ausgeht.

Radioaktive Strahlung kann durch verschiedene physikalische Größen beschrieben werden, wobei sich die Größen teilweise auf die Strahlungsquelle und teilweise auf die Körper beziehen, die radioaktiver Strahlung ausgesetzt sind. Die wichtigsten Größen sind die Aktivität, die Äquivalentdosis, die Energiedosis, die Energiedosisleistung und die Ionendosis.

Für die Entstehung der Atomphysik und die Durchsetzung der Atomhypothese spielten eine Reihe von grundlegenden Experimenten und Beobachtungen eine herausragende Rolle. Dazu gehören u.a. die Streuversuche von PHILIPP LENARD und ERNEST RUTHERFORD, aber auch die spektroskopischen Untersuchungen, die in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts von verschiedenen Physikern durchgeführt und interpretiert wurden. In dem Beitrag sind ausgewählte Experimente dargestellt und in ihrer Bedeutung für die Entwicklung der Atomphysik charakterisiert.

Die Atommodelle von E. RUTHERFORD (1911) und N. BOHR (1913) waren Modelle für die Atomhülle. Vom Atomkern war in dieser Zeit lediglich bekannt, dass in ihm weitgehend die Masse des Atoms konzentriert ist und er eine positive Ladung trägt. Genauere Vorstellungen über seine Struktur entwickelten sich erst ab den dreißiger Jahren des 20. Jahrhundert im Zusammenhang mit dem experimentellen Nachweis des Neutrons durch J. CHADWICK (1932) und den weiteren Untersuchungen zu Kernumwandlungen, die u. a. von E. FERMI, F. JOLIOT-CURIE und O. HAHN durchgeführt wurden. Als besonders tragfähig erwiesen sich das Tröpfchenmodell und das Potenzialtopfmodell.

Der äußere lichtelektrische Effekt wird auch als äußerer Fotoeffekt oder nach seinem Entdecker, dem deutschen Physiker WILHELM HALLWACHS (1859-1922), als HALLWACHS-Effekt bezeichnet.
Der Effekt beinhaltet: Wird eine negativ geladene Metallplatte mit geeignetem Licht bestrahlt, so werden aus der Oberfläche Elektronen herausgelöst.
Der äußere lichtelektrische Effekt war einer der ersten Resultate physikalischer Untersuchungen, die das Wellenmodell des Lichtes infrage stellten. Eine erste umfassende Deutung dieses Effekts wurde von ALBERT EINSTEIN (1879-1955) im Jahr 1905 gegeben. Insbesondere für diese Leistung erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik.

* 15.08.1892 in Dieppe
† 19.03.1987 in Paris

Er war ein französischer Physiker, der vor allem durch seine Hypothese der Materiewellen bekannt wurde, nach der alle Mikroteilchen nicht nur über Korpuskel-, sondern auch über Welleneigenschaften verfügen. Diese Anschauung erweiterte EINSTEINs Auffassung der Lichtquanten und bildete einen wesentlichen Ausgangspunkt für die Wellenmechanik von ERWIN SCHRÖDINGER.

Photonen können mit Elektronen wechselwirken. Streut man Röntgenphotonen an freien Elektronen, so haben die Photonen nach der Streuung eine kleinere Frequenz und damit eine größere Wellenlänge als zuvor. Die Photonen haben Energie und Impuls an die Elektronen abgegeben. Der Effekt wurde 1922 von dem US-amerikanischen Physiker ARTHUR HOLLY COMPTON (1892-1962) entdeckt und wird nach seinem Entdecker als COMPTON-Effekt bezeichnet.

Elektronen sind Quantenobjekte. Es sind weder Teilchen noch Wellen. Vielmehr haben sie gleichzeitig etwas Welliges, etwas Körniges (Teilchenhaftes) und etwas Stochastisches. Schickt man Elektronen durch einen Doppelspalt oder durch ein Gitter hinreichend kleiner Spaltbreite und Gitterkonstanten, so zeigen sich ähnliche Interferenzen wie bei Licht.
Im Beitrag sind Auszüge aus der Originalveröffentlichung der Arbeit des deutschen Physikers CLAUS JÖNSSON angegeben, der die Elektronenbeugung 1960 erstmals auch am Doppelspalt zeigen konnte.

Die von WERNER HEISENBERG (1901-1976) gefundene Unbestimmtheitsrelation lautet:
$\Delta x\cdot \Delta p\ge \frac{h}{4\pi }$
Sie wird üblicherweise nur auf Quantenobjekte angewendet, also auf Objekte mit sehr kleinen Abmessungen. Für größere Objekte kann man dagegen Ort und Impuls sehr genau angeben. Quanteneffekte sind bei solchen Objekten nicht beobachtbar. Das bedeutet allerdings nicht, dass für solche Objekte die Unbestimmtheitsrelation nicht zutrifft. Vielmehr ist die Unbestimmtheit bei makroskopischen Objekten so gering, dass man sie vernachlässigen kann.

Licht kann man sich als einen Strom von winzigen Energieportionen, den Photonen, vorstellen. Jedes dieser Photonen besitzt Energie und bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit. Ihm kann eine Masse und ein Impuls zugeordnet werden.
Photonen entstehen in der Atomhülle. Zwischen ihrer Energie und der Frequenz des Lichtes besteht direkte Proportionalität.

An der Entwicklung und der Interpretation der Quantenphysik waren viele bedeutende Physiker beteiligt. Entscheidende Schritte wurden in den zwanziger Jahren des 20. Jahrhundert gegangen. 1927 veröffentlichte NIELS BOHR sein Komplementaritätsprinzip. Im gleichen Jahr formulierte WERNER HEISENBERG die Unbestimmtheitsrelation. Sie besagt, dass der Ort und der Impuls eines Quantenobjektes nicht gleichzeitig genau bestimmt werden können und wird häufig folgender mathematischen Beziehung angegeben:
$\Delta x\cdot \Delta p\ge \frac{h}{4\pi }$

Das ist eine, aber nicht die einzige Möglichkeit, die heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation zu formulieren.

Der Carnotsche Kreisprozess, bestehend aus je zwei isothermen und adiabatischen Zustandsänderungen, repräsentiert die „Takte“ einer ideal arbeitenden Wärmekraftmaschine. Dabei wird das Arbeitsmittel als ideales Gas betrachtet und die Prozessführung als reversible angenommen.

1. Takt: Durch Aufnahme von Wärme erfolgt eine isotherme Expansion. Es wird die Arbeit verrichtet.
2. Takt: Bei einer adiabatischen Expansion verringert sich die Temperatur. Hierbei wird von dem Gas arbeitet verrichtet, seine innere Energie verringert sich.
3. Takt: Für die isotherme Kompression muss Arbeit zugeführt werden. Die dabei entstehende Wärme wird an die Umgebung abgegeben.
4. Takt: Durch eine adiabatische Kompression wird die Temperatur erhöht und damit der Ausgangszustand wieder erreicht.

Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist die abgegebene mechanische Arbeit gleich der Änderung der Wärme in dem System. Die von den Zustandskurven eingeschlossene Fläche ist ein Maß für die abgegebene Arbeit.