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  • Echo

    Ein Echo (nach einer griech. Nymphe) ist ein Schallsignal, das man aufgrund von Reflexionen später hört als die direkt zum Ohr gelangende Schallwelle. Auch andere reflektierte Wellen werden als Echo bezeichnet, so etwa reflektierte Ultraschallwellen beim Echolot (siehe unten) oder auch das sog. Lichtecho, das Astronomen manchmal von fernen Galaxien aufnehmen. Ein Echolot ist ein Gerät zur Entfernungsbestimmung, das die Laufzeit eines reflektierten Schallsignals (Echo) bei bekannter Schallgeschwindigkeit dazu nutzt, die Entfernung zum Hindernis zu bestimmen, also z. B. zum Meeresboden.

  • Echolot

    Ein Echo (nach einer griech. Nymphe) ist das Signal einer reflektierten Welle, das man zur Ortung nutzen kann. Im akustischen Fall, also bei Schallwellen, spricht man dann vom Echolot, bei Radiowellen vom Radar. Das Grundprinzip der Echoortung beruht auf einer Laufzeitmessung: Kennt man die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle, kann man aus der Zeit für Hin- und Rückweg direkt den Abstand des reflektierenden Objekts bzw. Hindernisses ausrechnen.

  • Eichung (Kalibrierung)

    Unter einer Eichung oder Kalibrierung versteht man generell das Einstellen eines Messgeräts, insbesondere des Nullpunkts der Anzeige, damit die Messwerte „stimmen“ bzw. eine vorgegebene Messfehlergrenze einhalten. Juristisch bedeutet dabei Eichung, dass das Gerät die von den Eichbehörden überwachten gesetzlichen Bestimmungen erfüllt, während eine Kalibrierung bzw. Justierung nur internen Vorschriften genügt. wichtig ist die Einhaltung der vorgegebenen Übrigens: In der theoretischen Elektrodynamik sowie in den modernen Quantenfeldtheorien verstheht unter einer Eichung auch das Festlegen eines...

  • Einfache Maschine

    Als einfache Maschine bezeichnet man in der Mechanik die Grundformen, auf die sich alle mechanischen Apparate zurückführen lassen. Hierzu zählen Rolle und Flaschenzug, Hebel, Keil, Schraube, schiefe Ebene und hydraulische Presse.

  • Einheitenvorsätze

    Das Internationale Einheitensystem SI (Système International) kennt außer den Basiseinheiten Sekunde, Meter, Kilogramm, Ampere, Kelvin, Mol und Candela und den abgeleiteten Einheiten wie Newton, Joule oder Henry auch noch die Möglichkeit, Maßangaben mithilfe von Einheitenvorsätzen übersichtlicher zu machen. Diese stehen immer für einen Dezimalfaktor, also eine Zehnerpotenz. Mit Ausnahme des Bereichs zwischen 1/1000 (10–3, Milli) und 1000 (103, Kilo) steht dabei ein bestimmter Vorsatz jeweils für einen Bereich von drei Zehnerpotenzen: Name Abkürzung (Symbol) Zehnerpotenz Yokto y 10–24...

  • Elastische Verformung und plastische Verformung

    Verformung oder Deformation nennt man die Änderung der Gestalt eines Körpers durch Kräfte oder Druck, im weiteren Sinne jede Volumenänderung eines Körpers. Gase und Flüssigkeiten mit geringer Viskosität können praktisch beliebig verformt werden und setzen lediglich einer Kompression (Verdichtung) einen Widerstand entgegen. An Festkörpern und zähen Flüssigkeiten wird dagegen bei einer Gestaltänderung Arbeit geleistet (Formänderungsarbeit). Eine Verformung kann als Dehnung (bzw. Stauchung), Biegung, Scherung oder Torsion (Verdrillung) auftreten; es sind auch Mischformen möglich. Kehrt ein Körper...

  • Elastischer Stoß und inelastischer Stoß

    Allgemein ist ein Stoß ein physikalischer Vorgang, bei dem zwei oder mehrere Objekte, die Stoßpartner, sich aufeinander zubewegen, miteinander in Wechselwirkung treten und sich anschließend mit in Betrag und Richtung veränderter Geschwindigkeit weiterbewegen (je nach Blickwinkel kann die veränderte Geschwindigkeit auch 0 sein!). Bei Elementarteilchen spricht man auch oft von Streuung. In der Mechanik untersucht man meistens den Stoß von zwei starren Körpern. Während der sehr kurzen Stoßzeit wirken sehr große Stoßkräfte, und die Impulse der Stoßpartner ändern sich praktisch augenblicklich. Die...

  • Elektrische Energie

    Allgemein versteht man unter „elektrischer Energie“ mit elektrischen Erscheinungen verbundene Energieformen. Im engeren Sinne ist damit der der Energieinhalt des elektrischen Felds, die elektrische Feldenergie gemeint. Da sich jedes elektrische Feld als Ableitung bzw. Gradient eines elektrischen Potenzials schreiben lässt, ist der Ausdruck „elektrische Feldenergie“ äquivalent zu „elektrische potenzielle Energie“. Ein kleines, von einem homogenen elektrischen Feld \(\vec E\) erfülltes Volumenelement dV hat die Energie \(E_\text{pot, el} = \dfrac 1 2 \cdot \epsilon \cdot \vec E^2 \cdot \text d V...

  • Elektrische Feldkonstante

    Die elektrische Feldkonstante \(\epsilon_0\) ist eine Naturkonstante, deren Wert allerdings von der Wahl des Einheitensystems abhängt. Im Internationalen Einheitensystem (SI) hat sie den Wert \(\epsilon_0 = \dfrac{1}{\mu_0c^2} = \dfrac{1}{4\pi\cdot 10^{-7}\,\frac{\text{Vs}}{\text{Am}}\cdot c^2} \approx 8,854 \cdot 10^{-12}\,\dfrac{\text{As}}{\text{Vm}}\) (\(\mu_0\) ist die magnetische Feldkonstante). Die in der obigen Gleichung zum Ausdruck kommende Beziehung zwischen \(\epsilon_0\), \(\mu_0\) und der Lichtgeschwindigkeit c spiegelt den engen Zusammenhang zwischen den elektromagnetischen...

  • Elektrische Kapazität

    Die elektrische Kapazität (von lat. capacitas „Fassungsvermögen“) ist eine elektrostatische bzw. elektrodynamische Größe mit dem Formelzeichen C. Sie gibt an, wie viel elektrische Ladung ein Kondensator bei einer gegebenen Spannung U speichert: \(C=\dfrac Q U\) Die SI-Einheit der Kapazität ist das Farad (F), es gilt \(1\,\text F =\dfrac{1\,\text C}{1\,\text V}\). Aufgrund der Definitionen des Einheitensystems haben technische Kondensatoren meist sehr geringe Zahlenwerte, die typische Größenordnungen sind Nano- und Pikofarad. Achtung: Vor allem in der Elektrotechnik werden Kondensatoren oft...

  • Elektrische Ladung

    Die elektrische Ladung (früher: Elektrizitätsmenge) Q ist eine Eigenschaft von Teilchen oder Körpern, welche die Quelle, d. h. die Ursache des elektrischen Feldes und aller elektromagnetischen Erscheinungen darstellt. Das Analogon zur elektrischen Ladung bei der Schwerkraft ist die Masse eines Körpers. Der starken Wechselwirkung, die nur bei subatomaren Abständen in Erscheinung tritt, liegt die sog. Farbladung zugrunde. Der wichtigste Unterschied zwischen Ladung und Masse besteht darin, dass es nur eine Art von Masse, aber positive und negative elektrische Ladungen gibt. Gleichnamige Ladungen...

  • Elektrische Leistung

    Die elektrische Leistung Pel die pro Zeiteinheit verrichtete elektrische Arbeit. Sie ist gleich der währenddessen auftretenden Änderung der potenziellen elektrischen Energie. Die Einheit ist – wie bei der mechanischen Leistung – das Watt. Es gilt die wichtige Umrechnungsformel \(1\,\text W = 1\,\dfrac{\text J}{\text s} = 1\,\text A \cdot 1\,\text V\) Im Gleichstromkreis ist \(P_\text{el} = U \cdot I\) (U: Spannung, I: Stromstärke). Die an einem Ohm’schen Widerstand R verrichtete Leistung beträgt \(P_\text{el} = \dfrac{U^2}{R}\)Pel = U2/R. Bei Wechselstrom unterscheidet man zwischen Wirk-...

  • Elektrische Leitfähigkeit

    Die elektrische Leitfähigkeit \(\sigma\) ist der Kehrwert des spezifischen elektrischen Widerstands \(\rho\): \(\sigma = \dfrac 1 \rho\) Die SI-Einheit der Leitfähigkeit ist Siemens pro Meter, \(1\,\dfrac{\text S}{\text m} = 1\,\dfrac{1}{\Omega\text m}\). Zwischen der elektrischen Stromdichte \(\vec j\) und der elektrischen Feldstärke \(\vec E\) gilt der Zusammenhang \(\vec j = \sigma \cdot \vec E\) Achtung: Der Kehrwert des „normalen“ elektrischen Widerstands R ist nicht die elektische Leitfähigkeit \(\sigma\), sondern der Leitwert G. Die SI-Einheit des Leitwerts ist das Siemens und es ist \...

  • Elektrische Leitung

    Der Transport von elektrischen Ladungen durch ein Medium. In der Technik nennt man dieses Medium einen (elektrischen) Leiter oder auch – etwas missverständlich – eine elektrische Leitung. Das Medium kann dabei fest (z. B. ein Metalldraht, s. u.), flüssig (ein Elektrolyt) oder gasförmig (Gasentladung) sein. Ein Material, das keine oder nur verschwindend geringe Ladungsmengen transportieren kann, heißt Isolator. Leitendes oder nicht leitendes Verhalten wird durch den elektrischen Widerstand R bzw. den spezifischen Widerstand \(\rho\) oder deren Kehrwerte, Leitwert (G) und elektrische...

  • Elektrische Polarisation

    Unter elektrischer Polarisation versteht man einerseits die Erzeugung von elektrischen Dipolmomenten in einer dielektrischen Substanz durch Anlegen eines äußeren elektrischen Felds (Abb.) und andererseits eine physikalische Größe, die beschreibt, wie stark ein Dielektrikum polarisiert ist. Eine elektrische Polarisation kann je nach Substanz auf zweierlei Weise erfolgen: Bei der Verschiebungspolarisation erfolgt eine Ladungsverschiebung innerhalb der einzelnen Atome durch Deformation der Elektronenhülle. Dadurch verschieben sich positiver und negativer Ladungsschwerpunkt in den Atomen, wodurch...

  • Elektrische Spannung und elektrisches Potenzial

    Teilt man die potenzielle elektrische Energie Epot, el, die eine Probeladung Q an einem Punkt P in einem elektrischen Feld \(\vec E\) hat, durch Q, erhält man das elektrische Potenzial \(\varphi\) an diesem Ort hat: \(\varphi = \dfrac{ E_\text{pot, el} (P,\, P_0) }{ Q } = \dfrac{ \int_{P_0}^P \vec F_\text C \cdot \text d\vec s}{ Q } = \int_{P_0}^P \vec E \cdot \text d\vec s\) Dabei sind P0 der beliebig wählbare Potenzialnullpunkt und \(\vec F_\text C\) die Coulomb-Kraft. Da die Wahl des Potenzialnullpunkts keine physikalische Bedeutung hat (ählich wie die Wahl des Ursprungs in einem...

  • Elektrische Stromstärke

    Die elektrische Stromstärke I gibt (wie der Name schon sagt) die Stärke eines elektrischen Stroms an. Ihre Einheit ist die SI-Basiseinheit Ampere (A). Die Stromstärke ist die Ableitung der elektrischen Ladung Q nach der Zeit. Sie gibt also an, um welchen Betrag \(\Delta Q\)DQ sich Q in der Zeit \(\Delta t\) ändert: \(I = \dfrac{\Delta Q}{\Delta t} \quad \text{bzw.} \quad \dfrac{\text dQ}{\text d t} \equiv \dot Q\) Die auf den Leiterquerschnitt bezogene Stromstärke ist die Stromdichte j, die oft auch als Vektor \(\vec j\) definiert wird. Die Richtung dieses Vektors ist die Richtung des...

  • Elektrischer Dipol

    Ein elektrischer Dipol (von griech. di- „zwei-“) ist eine Anordnung von zwei gleich großen, ungleichnamigen Punktladungen in einem Abstand d. Das von ihnen erzeugte elektrische Feld heißt Dipolfeld. Symmetrische Anordnungen von vier oder acht Quellen heißen Quadrupol bzw. Oktupol. Man kann ein beliebiges elektrisches Feld als eine Summe von Multipolfeldern mit zunehmender Ordnung darstellen. Sind die höheren Terme kleine, ist ein Dipol- und-/oder Quadrupolfeld eine Näherung für die unbekannte exakte Feldverteilung. Wenn die Ladungen eines Dipols \(\pm Q\) betragen, nennt man das Produkt aus...

  • Elektrischer Strom

    Der gerichtete Transport von elektrischen Ladungen. Bewegen sich die Ladungsträger durch einen ruhenden Leiter, spricht man von Leitungsstrom. Wenn sie dagegen (was in der Schule seltener behandelt wird) von einem Medium mitgeführt werden, dem gegenüber sie sich in Ruhe befinden, nennt man das einen Konvektionsstrom. Ein elektrischer Strom fließt, wenn man zwei Punkte, zwischen denen eine elektrische Spannung besteht, leitend verbindet. Als Stromrichtung definiert man dabei den Weg, den eine positive Probeladung nimmt, also von + nach – (auch wenn die tatsächlichen Ladungsträger oft Elektronen...

  • Elektrischer Widerstand

    Der elektrische Widerstand R ist eine physikalische Größe, die angibt, wie stark sich Leiter einem elektrischen Strom widersetzt. Er ist definiert als das Verhältnis aus elektrischer Spannung U zwischen den Endpunkten des Leiters und der durch ihn fließenden Stromstärke I: \(R=\dfrac U I \quad \text{bzw.} \quad U = R \cdot I\) Dies beudetet: Je größer der Widerstand, desto kleiner ist bei gegebener Spannung der Strom bzw. desto größer muss die Spannung sein, mit der ein gegebener Stromfluss erreicht wird. Die SI-Einheit des elektrischen W. ist das Ohm (\(\Omega,\ 1\,\Omega = 1\,\dfrac{\text V}...

  • Elektrisches Feld

    Das elektrische Feld legt an jedem Punkt des Raums Stärke und Richtung der Coulomb-Kraft \(\vec F_\text C\) fest, die dort auf eine punktförmige positive Probeladung Q wirkt. Die elektrische Feldstärke \(\vec E\) ist als Vektorgröße folgendermaßen definiert: \(\vec E = \dfrac 1 Q \vec F_\text C\) Im elektrischen Feld werden also die negativen Elektronen entgegen der Feldrichtung beschleunigt, positive Teilchen dagegen in Feldrichtung. Die SI-Einheit der elektrischen Feldstärke ist Newton pro Coulomb, wegen \(1\,\text{Nm} = 1\,\text{J} = 1\,\text V \cdot \text C\) gilt: \(1\,\dfrac{\text N}{...

  • Elektrodynamik (Elektromagnetismus)

    Die Elektrodynamik (von griech. dynamis „Kraft“) ist im engeren Sinne die Lehre von den bewegten elektrischen Ladungen (im Gegensatz zur Elektrostatik). Im weiteren Sinne behandelt sie alle Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischen Feldern und den sie erzeugenden Ladungen. Sie beruht auf der Erkenntnis, dass Elektrizität und Magnetismus keine getrennten Erscheinungen sind: Magnetfelder werden von elektrischen Strömen, also bewegten Ladungen hervorgerufen, und veränderliche Magnetfelder können elektrische Ströme und Spannungen induzieren. Die Verbindung zwischen elektrischen und...

  • Elektromagnet

    Ein Elektromagnet ist ein Magnet, der – im Gegensatz zum Dauermagneten – nur dann ein Magnetfeld besitzt, wenn durch ihn ein (makroskopischer) elektrischer Strom fließt. Ein Elektromagnet besteht in der Regel aus einer Spule, in der sich ein Eisenkern mit möglichst großer Permeabilität befindet. Besonders starke Elektromagnete kann man mit supraleitenden Spulenwicklungen konstruieren, da dann keine Verluste durch Joule’sche Wärme auftreten.

  • Elektromagnetische Induktion

    Die elektromagnetische Induktion (von lat. inductio „Veranlassung“) ist die Erscheinung, dass zeitlich veränderliche Magnetfelder elektrischen Spannungen erzeugen. Die elektromagnetische Induktion und das Induktionsgesetz wurden 1831 von MICHAEL FARADAY entdeckt. Am besten kann man sich dies an einer Leiterschleife in einem äußeren Magnetfeld veranschaulichen. Wenn sich das Magnetfeld – genauer gesagt, den magnetischen Fluss durch die Leiterschleife –, so misst man an den Enden der Leiterschleife einen Spannungsstoß, bei kurzgeschlossener Leiterschleife einen Stromstoß. Es gibt viele...

  • Elektromagnetische Wellen

    Elektromagnetische Wellen sind sich im Raum ausbreitende elektromagnetische Felder, die wie alle Wellen Energie (nämlich elektromagnetische Feldenergie) transportieren, aber keine Materie. Anders als man bis Ende des 19. Jh. annahm, besitzen elektromagnetische Wellen kein Trägermedium, wie dies etwa bei Wasserwellen oder Schall der Fall ist, sondern pflanzen sich auch durch das Vakuum fort. Im Vakuum stehen Ausbreitungsrichtung, elektrisches und magnetisches Feld jeweils paarweise aufeinander senkrecht; es handelt sich also um Transversalwellen. Die Existenz von elektromagnetischen Wellen...

  • Elektromotor

    Eine Maschine zur Umwandlung von elektrischer in kinetische Energie. Man unterscheidet Gleichstrom- und Wechselstrommotoren. Eine mit dem gleichen prinzipiellen Aufbau umgekehrt arbeitende Maschine, die also kinetische in elektrische Energie verwandelt, nennt man Generator. Ein sehr einfaches Beispiel eines Gleichstrommotors ist eine Leiterschleife, die im Magnetfeld eines Dauermagneten drehbar gelagert ist. Wenn ein Strom durch diese „Minimalspule“ fließt, entsteht durch Induktion ein magnetisches Gegenfeld. Daraufhin richtet sich die Schleife so aus, dass sich der Nordpol des induzierten...

  • Elektron

    Das Elektron (griech. „Bernstein“) e– das leichteste elektrisch geladene stabile Elementarteilchen. Sein Antiteilchen ist das Positron e+. Die Ruhemasse des Elektrons (Elektronenmasse) ist \(m_\text e = 9,109 \cdot 10^{-31}\,\text{kg}\), dies entspricht einer Ruheenergie von 511 keV. Die (negative) elektrische Ladung beträgt genau eine Elementarladung , also \(e = 1,602 \cdot 10^{-19}\,\text{C}\). Der Spin oder quantenmechanische Eigendrehimpuls ist 1/2, das Elektron ist also ein Fermion. Außerdem wird es zu den Leptonen gezählt, da es farbneutral ist, d. h. die starke Wechselwirkung nicht...

  • Elektronenmikroskop

    Ein Elektronenmikroskop ist ein Mikroskop, das anstelle von Licht Elektronenstrahlen bzw. -wellen zur Abbildung benutzt. Die De-Broglie-Wellenlänge eines durch eine Spannungsdifferenz von 150 V beschleunigten Elektrons mit der Energie 150 eV beträgt 0,1 nm und damit nur etwa ein 5000stel der Wellenlänge von sichtbarem Licht. Daher kann ein Elektronenmikroskop. entsprechend kleinere Strukturen auflösen. Den Linsen eines Mikroskops (Kondensor, Objektiv und Okular bzw. Projektionslinse) entsprechen beim Elektronenmikroskop sog. Elektronenlinsen, das sind elektromagnetische Feldanordnungen, welche...

  • Elektronenröhre

    Elektronenröhren (Vakuumröhren) waren in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts in der Elektronik häufig eingesetzte Steuer- und Verstärkungsgeräte für Gleich- und Wechselstrom. Man nutzte dabei man aus, dass sich die Elektronenbewegung im Vakuum durch elektrische Felder beeinflussen lässt. Typische Beispiele waren (Röhren-)Dioden und Trioden. Auch die Bildröhren (Kathodenstrahlröhren) von alten Fernsehern und Computermonitoren waren Elektronenröhren.

  • Elektronenvolt

    Das Elektronenvolt (eV) ist eine Nicht-SI-Energieeinheit, die in Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik sehr gebräuchlich ist. Die Energie 1 eV ist die Energie, die ein Elektron (oder ein beliebiges Teilchen, das eine elektrische Elemtarladung trägt) gewinnt oder abgibt, wenn es eine elektrische Spannung von 1 V durchläuft. Die Umrechnung zur SI-Einheit Joule erfolgt also gemäß der Gleichung \(1\,\text{eV} = 1,602 \cdot 10^{-19}\,\text J\) Typische Energiewerte von Molekülschwingungen oder -vibrationen liegen bei einigen meV, die Energieniveaus in der Atomhülle liegen bei etwa 1 eV...

  • Elektronik

    Elektronik ist ein nicht eindeutig definierter Überbegriff für alle Anwendungen von elektrischen bzw. elektromagnetischen Stromkreisen, bei denen Prozesse gesteuert, geregelt oder gemessen werden (man spricht dann auch von „Schaltkreisen“). Je nachdem, ob dabei eher kleine oder große Leistungen und Frequenzen auftreten, unterscheidet man zwischen Mikroelektronik und Leistungselektronik. Eine weitere wichtige Unterscheidung ist die zwischen analogen und digitalen Schaltkreisen. Die digitale Mikroelektronik umfasst insbesondere auch die Computertechnik. Aus der Verbindung mit der modernen Optik...

  • Elektrostatik

    Die Elektrostatik (von lat. statum „gestanden“) ist die Lehre von den ruhenden elektrischen Ladungen und deren Wirkung auf die Umgebung. Elektrostatische Effekte waren bereits im Altertum bekannt. Da Magnetfelder von bewegten elektrischen Ladungen hervorgerufen werden, treten in der Elektrostatik keine magnetischen Effekte auf. Die Elektrostatik geht auf in der Maxwell’schen Theorie der Elektrodynamik.

  • Elektrotechnik

    Die Elektrotechnik ist die Lehre von der Bereitstellung und Nutzung von Elektrizität bzw. elektrischer Energie. Dazu zählen u. a. die Energieversorgung (Umwandlung von Energie aus erneuerbaren, fossilen oder nuklearen Energiequellen in Elektrizität), die Energieverteilung über Hoch- und Niederspannungsleitungen, die Nachrichtentechnik (der Übergang zur Mikroelektronik und Informationstechnik ist fließend), die elektrische Antriebstechnik für Maschinen und Fahrzeuge sowie die Steuerung und Automatisierung von Prozessen. Die Elektrotechnik ist ein eigener Ausbidlungs- bzw. Studiengang, jeder...

  • Elementarladung

    Die Elementarladung \(e = 1,602 \cdot 10^{-19}\,\text C\) ist die kleinste bei einem freien Teilchen mögliche Menge an elektrischer Ladung. Existenz und Größe der Elementarladung ermittelte Robert A. Millikan 1910 in dem nach ihm benannten Öltröpfchen- oder Millikan-Versuch. Dabei werden kleine Öltröpfchen minimal ionisiert und dann in einem vertikalen Plattenkondensator zum Schweben gebracht, da sie sich im Gleichgewicht zwischen Coulomb- und Gewichtskraft befinden. Die Höhe hängt dabei nur von der Ladung der Tröpfchen ab und man beobachtet anstelle einer kontinuierlichen Verteilung einzelne...

  • Elementarmagnete

    Elementarmagnete sind ein von Wilhelm Weber im 19. Jh. entwickeltes Gedankenmodell zur Erklärung der Magnetisierung von Stoffen wie z. B. Eisen. Demnach enthält ein Stück Eisen eine sehr große Zahl winzigster Stabmagnete (sozusagen Magnet-Atome), die im Normalfall alle zufällig angeordnet sind, wodurch sich ihre magnetische Wirkung in der Summe aufhebt. Nur wenn die Pole der Elementarmagnete alle oder mehrheitlich in eine bestimmte Richtung zeigen, besitzt das Eisenstück ein von außen messbares „makroskopisches“ Magnetfeld. Das Modell der Elementarmagnete war insofern seiner Zeit voraus, als...

  • Elementarteilchen

    Elementarteilchen (von lat. elementum „Urstoff, Buchstabe“) im engeren Sinn sind diejenigen Grundbausteine, aus denen sich die gesamte bekannte Materie zusammensetzt und die nicht in noch kleinene Partikel zerlegt werden können. Bis Ende des 19. Jh. dachte man, Atome seien solche elementaren Teilchen (Atom heißt wörtlich „Unteilbares“). Auch der Atomkern und seine Bestandteile, die Nukleonen Proton und Neutron sind in diesem Sinn nicht elementar. Nach heutigem Wissen sind die Quarks, aus welchen die Nukleonen aufgebaut sind, die sog. Leptonen (u. a. Elektron und Neutrinos) und die...

  • Elementarteilchenphysik

    Die Elementarteilchenphysik oder Hochenergiephysik untersucht Verhalten und Eigenschaften der kleinsten Partikel. Neben den eigentlichen Elementarteilchen (Quarks, Leptonen, Austauschteilchen) zählt man dazu auch weitere subatomare Partikel wie die Baryonen und Mesonen, manchmal auch schwere Atomkerne und Ionen (bei letzteren spricht man aber meist eher von Schwerionenphysik). Wichtigstes experimentelles Hilfsmittel der Elementarteilchenphysik sind die Teilchenbeschleuniger. Um die benötigten sehr hohen Teilchenenergien erzeugen zu können, müssen diese sehr groß angelegt werden und können in...

  • Emission

    Emission (von lat. emittere „aussenden“) ist allgemein die Abgabe von Photonen oder Teilchen aufgrund von chemischen oder Kernreaktionen. Radioaktive Strahlung lässt sich als Emission von Alpha- und Betateilchen sowie Gammaquanten auffassen. Angeregte Atome und Moleküle gehen durch Emission von Photonen im UV-, sichtbaren oder Infrarotbereich in energetisch niedrigere Zustände über; dies ist Grundlage der Spektroskopie. Die Emission von Wärmestrahlung wird durch die Strahlungsgesetze beschrieben. Auch die Abgabe von meist schädlichen Stoffen bei industriellen Prozessen oder technischen...

  • Endlager

    Unter einem Endlager versteht man in der Kerntechnik einen Ort, an dem radioaktive Abfälle sicher eingeschlossen werden und aus dem gerade langlebige Radionuklide auch über geologische Zeiträume von Zehntausenden bis viele Millionen Jahren nicht entweichen dürfen. Alternativ könnte man langlebige Isotope in solche mit kürzerer Halbwertszeit umwandeln (Transmutation), dies birgt allerdings technsiche Risiken und bedingt den Umgang mit noch intensiver strahlenden Abfallprodukten. Ein sicheres Endlager muss vollständig vom Grundwasserkreislauf abgekoppelt sein. Außerdem sind menschliche...

  • Energie

    Die Energie (griech. energos „wirksam“), Formelzeichen E (auch U oder W) ist die wohl wichtigste physikalische Grundgröße. Man kann sie als die Fähigkeit eines physikalischen Systems definieren, Arbeit zu verrichten. Beispielsweise hat ein gespanntes Gummiband die Fähigkeit, kinetische Energie auf eine Papierkugel zu übertragen, welche diese Energie ihrerseits in Formänderungsarbeit an einem hinreichend formbaren Objekt umsetzen kann. Die SI-Einheit der Energie ist das Joule (J), es ist \(1\ {\rm J} = 1\ \dfrac {{\rm kg} \cdot {\rm m}^2}{{\rm s}^2}= 1\ {\rm Nm} = 1 {\rm Ws}\). Die Zufuhr oder...

  • Energiespeicher

    In der Energietechnik versteht man unter einem Energiespeicher ein Gerät oder eine Substanz, die Energie aufnehmen und über möglichst lange Zeit verlustfrei „einlagern“ und sie bei Bedarf möglichst einfach und verlustfrei wieder in nutzbare Energieformen umwandeln können. Es gibt unter anderem elektrochemische Energiespeicher: Batterien und Akkumulatoren chemische Energiespeicher: Brennstoffe wie Erdöl, Benzin, Wasserstoff oder Holzpellets mechanische Energiespeicher: Schwungräder, Pumpspeicherkraftwerke elektrische Energiespeicher: Kondensatoren

  • Energietechnik

    Die Gesamtheit aller Verfahren, Vorrichtungen und Anlagen, mit denen Energie in unmittelbar nutzbare Formen umgewandelt, transportiert oder für spätere Nutzungen gespeichert wird. Man unterscheidet dabei einerseits zwischen der von fossilen oder erneuerbaren Energiequellen gelieferten Primärenergie (Sonnenstrahlung, Wind, Erdwärme, Gezeiten, Steinkohle, Radionuklide) und der für Transport, Nutzung und/oder Speicherung „verarbeiteten“ Sekundärenergie (Strom, Benzin, Fermwärme). Eine andere wichtige Unterscheidung ist die zwischen dem nutzbaren Anteil einer vorliegenden Energiemenge (auch...

  • Energieumwandlung

    Ganz allgemein betrachtet bedeutet jeglicher physikalische Prozess eine Energieumwandlung, nämlich die Umwandlung von (chemischer, gravitativer, elektromagnetischer, nuklearer) potenzieller Energie in Bewegungsenergie und/oder Wärme und zurück. In der Energietechnik versteht man darunter die gezielte (groß)technische Umwandlung von natürlich vorhandenen Energieformen in nutzbare und/oder für Transport und Speicherung geeignete Energieformen. Typische Beispiele sind: chemisch \(\rightarrow\) kinetisch: Verbrennungsmotor elektromagnetisch \(\rightarrow\) kinetisch: Elektromotor kinetisch \(...

  • Erdbeben und seismische Wellen

    Die Seismologie (von griech. seismos „(Erd-)Erschütterung“) ist das Teilgebiet der Geophysik, das sich mit der Registrierung und Interpretation von Bodenbewegungen befasst, die von Wellen im Erdkörper hervorgerufen werden. Erdbeben und von Explosionen (z. B. Kernwaffentests) hervorgerufene Erschütterungen pflanzen sich in der Erde als elastische Wellen fort. Seismische bzw. Erdbebenwellen sind also im Prinzip nichts anderes als sich durch den festen Erdkörper ausbreitende Schallwellen. Es gibt daher sowohl longitudinale (P-Wellen, Primärwellen, Dichtewellen) als auch transversale (S-Wellen...

  • Erde

    Die Erde ist der von der Sonne aus gesehen dritte Planet des Sonnensystems. Sie umläuft die Sonne gemäß den Kepler’schen Gesetzen auf einer fast kreisförmigen Ellipsenbahn. Der mittlere Sonnenabstand beträgt 149,6 Mio. Kilometer; diese Entfernung heißt astronomische Einheit (AE; engl. astronomical unit, AU). Die Erde dreht sich in etwa einem Tag (86 400 Sekunden) um sich selbst; kleinere Abweichungen gehen u. a. auf Gezeiteneffekte zurück. Der Erdkörper selbst hat keine exakte Kugelgestalt, sondern ist an den Polen abgeplattet; man nennt diese Form ein Geoid. Der mittlere Erdradius beträgt 6...

  • Erdmagnetfeld

    Das Erdmagnetfeld ist das magnetische Feld der Erde. Das E. kann annähernd als Dipolfeld beschrieben werden; es ist aber zu beachten, dass der magnetische Nordpol sich in der Nähe des geografischen Südpols befindet (und umgekehrt). Die magnetischen Feldlinien stehen an den (magnetischen) Polen etwa senkrecht auf der Erdoberfläche, in Äquatornähe verlaufen sie dagegen etwa horizontal, in gemäßigten Breiten nehmen sie einen schrägen Winkel zum Erdboden ein, den man Inklination (lat. „Neigung“) nennt. Ursache des Magnetfelds sind Strömungen im elektrischen leitenden und flüssigen äußeren Erdkern...

  • Erdung

    Bezeichnung für eine leitende Verbindung eines Gerätes oder Leiters mit dem Erdboden, der als ein unbegrenzt großes Reservoir für überschüssige Ladungen angesehen werden kann. Dadurch werden Nutzer (oder experimentierende Schüler) vor möglicherweise tödlichen Stromschlägen geschützt. Zum Erden werden vom Elektriker spezielle Schutzleiter eingesetzt. Auch über Heizrohre oder Wasserleitungen können geschulte Personen eine Erdung von Elektrogeräten einrichten.

  • Erdwärme (Geothermie)

    Die in der Erde gespeicherte Wärmenergie. Sie besteht zum einen aus einer aus der Zeit der Erdentstehung stammenden Komponente, als bei der Zusammenballung von Staub und Kleinkörpern Gravitationsenergie in Wärme umgewandelt wurde. Hierzu zählt auch die Kristallisationswärme des sich auch heute noch aus dem flüssigen äußeren auf dem festen inneren Erdkern abscheidenden Eisens. Zum anderen speist sie sich aus der Zerfallswärme langlebiger Radionuklide im Erdinneren. Die Erdwärme dringt nicht komplett gleichmäßig an die Erdoberfläche vor, sondern es gibt (abgesehen von Vulkanausbrüchen) Gegenden...

  • Erhaltungssätze und Erhaltungsgrößen

    Ein Erhaltungssatz ist ein grundlegendes physikalisches Gesetz, nach dem ein bestimmte physikalische Größe, die sog. Erhaltungsgröße, immer oder zumindest bei bestimmten Wechselwirkungen unverändert bleibt. Die wichtigsten Erhaltungsgrößen sind die Energie, der Impuls, der Drehimpuls und die elektrische Ladung. Oft sagt man statt „Erhaltungssatz der Energie“ oder „Energieerhaltungssatz" auch einfach nur „Energiesatz“ und entsprechend „Impulssatz“ und „Drehimpulssatz“. Mit Erhaltungssätzen kann man oft sehr elegante Formulierungen zur Beschreibung von physikalischen Systemen finden. Wenn etwa...

  • Erneuerbare Energiequellen

    Erneuerbare (regenerative, alternative) Energiequellen sind solche Energiequellen, die sich im Gegensatz zu den erschöflichen fossilen Energieträgern bei nachhaltigem Gebrauch im Prinzip unbegrenzt lange nutzen lassen. Fast alle technisch relevanten Nutzungen von erneuerbaren Quellen beruhen indirekt oder direkt auf der Sonnenenergie: Fotovoltaik (direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Strom mithilfe von Fotozellen) Sonnenkollektoren (Umwandlung von Sonnenlicht in Wärme) Windenergie (das atmosphärische Windsystem wird von der Sonneneinstrahlung angetrieben) Biomasseverbrennung (Pflanzen...

  • Ersatzschaltbild

    Ein Ersatzschaltbild ist eine vereinfachte Darstellung eines Stromkreises, bei der die realen Bauteile durch Serien- und Parallelschaltungen von Grundelementen wie Widerstand, Kondensator, Spule und Spannungsquelle ersetzt werden. Das Ersatzschaltbild ist leichter zu berechnen, hat aber (annähernd) die gleichen physikalischen Parameter. Einfachstes Beispiel ist das Ersetzen einer Serienschaltung von Widerständen Ri durch einen einzelnen Ersatzwiderstand RReihe mit \(\displaystyle R_\text{Reihe}=\sum_i R_i\) bzw. einer Parallelschaltung von Widerständen Rj mit \(\displaystyle 1/R_\text{par}=...

  • Erzwungene Schwingung

    Eine erzwungene Schwingung ist eine Schwingung, die von einer periodischen äußeren Kraft erregt wird. Dem schwingenden System wird (nach einer Einschwingzeit) die Erregerfrequenz aufgezwungen. Liegen Erreger- und Eigenfrequenz des schwingenden Systems nahe beieinander, treten Resonanz-Effekte auf.

  • Experiment

    Ein Experiment (lat.) ist ein planmäßig durchgeführter wissenschaftlicher Versuch, der unter übersichtlichen, wiederholbaren (reproduzierbaren) und vereinfachenden Bedingungen durchgeführt wird. Störende Einflüsse müssen vermieden werden oder wenigstens zu berechnen sein. Aus dem Experiment man muss unabhängig von der experimentierenden Person quantitative oder qualitative Aussagen über Naturvorgänge gewinnen können. Ein Experimentum crucis (lat. „Kreuzwegexperiment“) entscheidet zwischen konkurrierenden Theorien, so etwa der Michelson-Versuch zwischen der Vorstellung vom Äther und der...