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  • Halbleiter

    Halbleiter nehmen eine Zwischenstellung zwischen elektrischen Leitern und Isolatoren ein. Ihre Leitfähigkeit steigt mit zunehmender Temperatur an, ganz im Gegensatz zum Verhalten metallischer Leiter. Typische reine bzw. kristalline Halbleiter sind Germanium (Ge) und Silicium. Weitere Halbleiter sind Verbindungen wie SiC (IV-IV-Halbleiter), GaAs (III-V-Halbleiter) oder ZnS (II-VI-Halbleiter) und Metalloxide wie Cu2O. (Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf die Gruppe im Periodensystem, wobei in der Festkörperphysik meist noch die alte Zählung mit Haupt- und Nebengruppen benutzt wird.) Daneben...

  • Halbwertszeit und Lebensdauer

    Die Halbwertszeit t1/2 bzw. tH und die Lebensdauer \(\tau\) sind zwei gleichwertige Größen zur Beschreibung von radioaktiven und anderen exponentiellen Zerfällen. Dabei ist die Halbwertszeit t1/2 der Zeitraum, in dem die Anzahl N der betrachteten Nuklide (oder wovon auch immer) auf die Hälfte ihres Anfangswerts N0 abgesunken ist. Die H. lässt sich aus dem radioaktiven Zerfallsgesetz bei gegebener Zerfallskonstante \(\lambda\) direkt ausrechnen, man erhält: \(t_{1/2} = \dfrac{\ln 2}\lambda\). Die Lebensdauer \(\tau\) wird dagegen definiert als die Zeit, nach welcher N um einen Faktor 1/e...

  • Hall-Effekt und Quanten-Hall-Effekt

    Der Hall-Effekt wurde 1879 von Edwin H. Hall entdeckt und tritt in stromdurchflossenen Leitern auf, in denen senkrecht zur Stromrichtung ein magnetisches Feld wirkt. Der Effekt beruht auf der Lorentz-Kraft, welche die senkrecht zum Magnetfeld bewegten Ladungsträger seitlich ablenkt, wodurch sich an den seitlichen Begrenzungen des Leiters Ladungsträger ansammeln, was wiederum eine elektrische Spannungsdifferenz bewirkt, die Hall-Spannung UH (Abb.). Der Hall-Spannung entspricht ein elektrisches Gegenfeld \(\vec E_\text H\), dessen Coulomb-Kraft auf die Ladungsträger der Lorentz-Kraft...

  • Handregeln

    Merkregeln, mit denen sich die Richtungen von bestimmten physikalischen Vektorgrößen bestimmen lassen. Je nachdem, ob dabei die rechte oder die linke Hand benutzt wird, spricht man auch von Rechte-Hand-Regeln bzw. Linke-Hand-Regeln. Bei einem stromdurchflossenen geraden Leiter geben die gekrümmten Finger der rechten Hand den Umlaufsinn der magnetischen Feldlinien an, wenn der Daumen in Stromrichtung (vom Plus- zu Minuspol) zeigt. Bei einer stromdurchflossenen Spule zeigt der Daumen der rechten Hand in Richtung der magnetischen Feldlinien im Inneren der Spule, wenn die gekrümmten Finger in...

  • Hebel und Hebelgesetz

    Ein Hebel ist eine einfache Maschine, die aus einer drehbar gelagerten Stange, dem Hebelarm, besteht und mit der sich eine starke Kraft mit einer schwachen kompensieren lässt, die weiter außen angreift. Am einsetigen (einarmigen) Hebel wirken alle Kräfte auf einer Seite der Drehachse, am zweisetigen (zweiarmigen) Hebel (Abb.) beiderseits. Der Abstand zwischen Drehpunkt und Angriffspunkt einer Kraft heißt Hebelarm. Die Drehwirkung ist umso größer, je stärker die Krafteinwirkung und je länger der Hebelarm ist. Sie wird durch das Drehmoment M beschrieben, dass bei senkrecht angreifenden Kräften...

  • Heisenberg’sche Unschärferelation

    Die Heisenberg’sche Unschärferelation (nach Werner Heisenberg) ist eine fundamentale quantenmechanische Beziehung, nach der es unmöglich ist, für ein Teilchen den Impuls p und den Ort x zur gleichen Zeit beliebig genau zu messen. Für die Unschärfe (Ungenauigkeit) \(\Delta p\) des Impulses und die des Ortes \(\Delta x\) eines Teilchens gilt vielmehr die Ungleichung: \(\Delta p \cdot \Delta x \ge \dfrac h{4\pi} = \dfrac \hbar 2\) (h: Planck’sches Wirkungsquantum). Je genauer die eine Größe bestimmt wird, desto ungenauer ist die andere zu bestimmen. Die Heisenberg’sche Unschärferelation ist nicht...

  • Hertz

    Das Hertz (nach Heinrich Hertz) ist die SI-Einheit der Frequenz. Es ist definiert als Kehrwert der Basiseinheit Sekunde: \(1\,\text{Hz} = \dfrac 1 {1\,\text s}\).

  • Hertz’scher Dipol

    Ein Hertz’scher Dipol (nach Heinrich Hertz) ist ein elektrischer Dipol, in dem die beiden Ladungen (bzw. Ladungsschwerpunkte) +Q und –Q periodisch gegeneinander schwingen. Dabei wechselt die elektromagnetische Feldenergie periodisch zwischen elektrischen und magnetischen Feldern, die sich in den Außenraum ausbreiten und als elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden. Eine praktische Ausführung ist die Dipolantenne.

  • Higgs-Boson

    Das Higgs-Boson (nach Peter Higgs) ist ein fundamentales Austauschteilchen, das in den 1960er Jahren theoretisch vorhergesagt und 2012 experimentell nachgewiesen wurde. Es ist, wie der Name schon andeutet, ein Boson, hat allerdings anders als die übrigen Austauschbosonen den Spin 0. Seine Masse (genauer: Ruheenergie) beträgt etwa 125 GeV, damit ist es das schwerste bekannte wirklich elementare Teilchen. Genau wie das Photon zum elektromagnetischen Kraftfeld und die Gluonen zum Quantenfeld der starken Wechselwirkung (Farbkraft) gehören, ist auch das Higgs-Boson quasi ein Wellenpaket einer Art...

  • Himmelsblau

    Die blaue Farbe des Himmels entsteht durch Streuung des Sonnenlichts an den Molekülen der Atmosphäre. Da der kurzwellige, blaue Anteil des Sonnenlichts wesentlich stärker gestreut wird als der langwelligere, rote Anteil, erscheint der Taghimmel blau. Entsprechend erscheint die Sonne in gelbem Licht, obwohl ihr Strahlungsmaximum eigentlich bei grünen Wellenlängen liegt, da ein Teil des blauen Sonnenlichtanteils durch die Atmosphäre weggestreut wird (im Weltraum erscheint die Sonne weiß). Die starke Wellenlängenabhängigkeit der Streuung an Atomen oder Molekülen (Rayleigh-Streuung) gilt nicht für...

  • Hochspannung

    Als Hochspannung bezeichnet man elektrische Spannungen oberhalb von 1000 V (1 kV). Kleinere Spannungen nennt man Niederspannung, die in der lokalen Elektrizitätsversorgung auftretenden Spannungswerte 230 V und 400 V heißen Netzspannung. Hochspannung dient vor allem zur verlustarmen Übertragung von elektrischer Energie mit Hochspannungsleitungen. Die elektrische Leistung eines Kraftwerks ist \(P_\text{el} = U \cdot I\) (U: Spannung, I: Stromstärke), die Verlustleistung aufgrund der Erzeugung von Joule’scher Wärme des Übertragungskabels beträgt dagegen \(P_\text V = R \cdot I^2\) (R: Widerstand)...

  • Hooke’sches Gesetz

    Das Hooke’sche Gesetz (nach Robert Hooke) besagt, dass die relative Verlängerung eines elastischen Körpers, die Dehnung, proportional zur erforderlichen Kraft bzw. der dabei auftretenden Rückstellkraft ist. Dies ist bei vielen Materialien bei nicht zu großen Dehnungswerten der Fall. Der Quotient aus dem Betrag der dehnenden Kraft F und der durch sie bewirkten Verlängerung \(\Delta l\) ist dann die Federkonstante D: \(F = D \cdot\Delta l\) Trägt man in einem sog. Spannungs-Dehnungs-Diagramm die Verlängerung einer Feder gegen die dehnende Kraft auf, ergibt sich bei Gültigkeit des Hooke’schen...

  • Huygens’sches Prinzip

    Das Huygens’sche Prinzip (nach Christiaan Huygens, sprich „Höichens“) ist eine wichtige Modellvorstellung, nach der jeder Punkt einer Wellenfront als Ausgangspunkt einer neuen Welle, einer sog. Elementarwelle, betrachtet werden kann. Diese Elementarwellen breiten sich mit derselben Geschwindigkeit aus wie die ursprüngliche Welle, und zwar in der Ebene als Kreiswellen und im Raum als Kugelwellen. Die Wellenfront der ursprünglichen Welle zu einem späteren Zeitpunkt ergibt sich einfach aus der Überlagerung (Interferenz) der sich ausbreitenden Elementarwellen. Sie ist die Einhüllende der...

  • Hydrostatik und Hydrodynamik

    Die Hydrostatik (von griech. hydor „Wasser“ und lat. stare „stehen“) ist die Lehre vom Gleichgewicht in ruhenden Flüssigkeiten bei Einwirkung äußerer Kräfte. Die grundlegende Aufgabe der Hydrostatik ist die Bestimmung der Druckverteilung in einer ruhenden Flüssigkeit. Ein zentraler Begriff ist dabei der hydrostatische Druck. Darunter versteht man den Druck in einer ruhenden, inkompressiblen (nicht zusammendrückbaren) Flüssigkeit. Er setzt sich grundsätzlich zusammen aus dem Druck, der von der auf die Flüssigkeit wirkenden Schwerkraft herrührt (Schweredruck), und aus einem durch andere Kräfte...

  • Hydrostatischer Auftrieb und archimedisches Prinzip

    Das Archimedische Prinzip (nach Archimedes) ist die Aussage, dass sich das Gewicht (die Gewichtskraft) eines in Gas oder Flüssigkeit eintauchenden Körpers um so viel verringert, wie die von ihm verdrängte Gas- oder Flüssigkeitsmenge wiegt. Diese der Gewichtskraft entgegegerichtete, nach oben wirkende Kraft ist der hydrostatische Auftrieb. Der hydrostatische Auftrieb beruht auf der hydrostatischen Druckdifferenz zwischen Unter- und Oberseite des eintauchenden Körpers. Dieser hydrostatische Druck in einer Flüssigkeit wirkt von allen Seiten, seine Stärke nimmt jedoch mit der Tiefe zu (bzw. nimmt...

  • Hysterese

    Unter einer Hysterese (von griech. hysteresis „Verspätung“) versteht man das Zurückbleiben einer Wirkung hinter der sie verursachenden, zeitlich veränderlichen physikalischen Größe. Bekanntestes Beispiel ist das Magnetisierungsverhalten von ferromagnetischen Stoffen: Bringt man ein Eisenstück in ein äußeres Magnetfeld, so baut sich die Magnetisierung in dem Metall erst verzögert auf. Entfernt man das Eisenstück aus dem Feld (oder schaltet das Feld ab), bleibt eine Restmagnetisierung zurück, die Remanenz MR – das Eisenstück ist zum Dauermagneten geworden. Die Remanenz wird erst durch ein...