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  • Paarbildung und Paarvernichtung

    Treffen ein Elementarteilchen und sein Antiteilchen aufeinander, können sie in einer Paarvernichtungsreaktion zerstrahlen, d. h. sie verschwinden und es bleiben zwei oder drei Gammaquanten (Photonen) zurück, deren Summe den Energien von Teilchen und sein Antiteilchen entspricht. Außer dem Energieerhaltungssatz müssen dabei auch der Impuls- und der Drehimpulserhaltungsatz berücksichtigt werden. Umgekehrt kann man ein Teilchen und sein Antiteilchen „aus dem Nichts“ erzeugen, wenn man an einem Ort mindestens so viel Energie zusammenbringt, wie der doppelten Ruheenergie des Teilchens bzw. des...

  • Parallelschaltung

    Bei einer Parallel- oder Nebeneinanderschaltung werden elektrische Leiterstränge bzw. Bauelemente (Widerstand, Kondensator usw.) so verschaltet, dass auf der einen Seite alle Eingänge der Bauelemente miteinander verbunden sind und auf der anderen Seite die Ausgänge (Abbildung). An allen n Bauelementen liegt die gleiche Spannung U an, der elektrische Strom I teilt sich dagegen auf in die Einzelströme I1, I1, ... , In (dies lässt sich aus den Kirchhoff’schen Regeln ableiten): \(U = U_1 = U_2 = \ldots = U_n \\ I = I_1 + I_2 + \ldots + I_n\) Für die Widerstände gilt, dass dehr Kehrwert des...

  • Paramagnetismus

    Der Paramagnetismus ist eine Form des Magnetismus, bei der ein Stoff ohne äußeres Magnetfeld keine messbare Magnetisierung aufweist, in Anwesenheit eines äußeren Magnetfelds jedoch spürbare magnetisiert wird, wodurch das äußere Magnetfeld verstärkt wird. Typische paramagnetische Substanzen sind Chrom, Platin, (flüssiger) Sauerstoff und Aluminium. Die Atome oder Moleküle eines Paramagnetikums besitzen permanente magnetische Momente. Ohne äußeres Magnetfeld sind die magnetischen Dipole bei Zimmertemperatur aufgrund von Wärmebewegungen willkürlich ausgerichtet, sodass keine Magnetisierung messbar...

  • Pascal und Bar

    Das Pascal (nach Blaise Pascal) ist die SI-Einheit des Drucks, sie hat das Einheitenzeichen Pa. Die ebenfalls zulässige Einheit Bar (von griech. barys „schwer“, Einheitenzeichen bar) unterscheidet sich vom Pascal nur um einen Zehnerfaktor: 1 Pa = 10–5 bar bzw. 1 bar = 105 Pa. In den Basiseinheiten ausgedrückt ist \(1\,\text{Pa} = 1\,\dfrac{\text N}{\text m^2}\). Da besonders in der Meteorologie Drücke früher oft in Millibar angegeben wurden, taucht dort heute der sonst nur selten verwendete Einheitenvorsatz Hekto auf: 1 hPa = 1 mbar. Der normale Luftdruck auf Meereshöhe beträgt 1013,25 hPa.

  • Periode (Schwingungsdauer)

    Die Periode bzw. Schwingungsdauer T ist bei einer Schwingung oder Welle die Zeitdauer eines vollen Schwingungszyklus. Bei einem Pendel ist die Periode z. B. die Zeit, in welcher der Pendelkörper einmal hin- und hergeschwungen ist und am Ausgangspunkt wieder „in Ausgangsrichtung schaut“ (der Ausgangspunkt wird bereits nach einer halben Periode wieder erreicht, dann aber mit entgegengesetzter Bewegungsrichtung). Frequenz f und Periode T sind jeweils der Kehrwert voneinander: \(T = \dfrac 1 f \quad \text{bzw.} \quad f = \dfrac 1 T\)

  • Permeabilität und Permeabilitätszahl

    Permeabilität (lat.) bedeutet allgemein Durchlässigkeit, in der Regel meint man in der Physik mit diesem Ausdruck aber den Proportionalitätsfaktor zwischen den beiden magnetischen Vektorfeldern magnetische Flussdichte \(\vec B\) und magnetische Feldstärke \(\vec H\). Die SI-Einheit dieser Größe ist H/m, das Formelzeichen ist \(\mu\): \(\vec B = \mu \cdot \vec H = \mu_0\mu_\text r \cdot \vec H \) Man schreibt \(\mu\) als das Produkt aus der magnetischen Feldkonstante \(\mu_0\) (auch Permeabilität des Vakuums) und der dimensionslosen relativen Permeabilität oder Permeabilitätszahl \(\mu_\text r\...

  • Perpetuum mobile

    Ein Perpetuum mobile (lat. „das ewig sich Bewegende“) ist ein physikalisch unmögliches Objekt, das grundlegende Erhaltungssätze verletzt – allerdings unermesslichen Reichtum bringen würde, wenn es doch möglich wäre … Ein Perpetuum mobile 1. Art ist eine Maschine, die ohne Energiezufuhr dauernd Arbeit leistet. Der Erhaltungssatz der Energie bzw. der erste Hauptsatz der Wärmelehre verbietet eine solche Maschine. Auch wenn die Maschine keine Arbeit leisten, sondern sich lediglich ohne Energiezufuhr bewegen würde, ist sie unter realen Bedingungen nicht möglich – schon die kleinste Reibung würde im...

  • Phase (Schwingslehre)

    In der Schwingungslehre versteht man unter dem Begriff Phase den augenblicklichen Schwingungszustand eines schwingenden Systems, also gewissermaßen wie lange der letzte Beginn eines Schwingungszyklus her ist bzw. wie viel vom aktuellen Zyklus bereits „durch“ ist. Bei einer Sinusschwingung wird die Phase durch den Phasenwinkel \(\varphi\) charakterisiert (oft nennt man \(\varphi\) auch einfach nur „Phase“). Der Phasenwinkel ist in der Schwingungsgleichung \(y = A \cdot \sin(\omega t + \varphi_0)\) (A: Amplitude, \(\omega\): Kreisfrequenz) das Argument des Sinus, es ist also: \(\varphi = \omega...

  • Phasenübergang

    Ein Phasenübergang ist der Wechsel eines Stoffes von einem Aggregatzustand in einen anderen, etwa Schmelzen, Kondensieren oder Sieden. In der modernen Physik werden auch noch anderen Zustandsänderungen als Phasenübergang bezeichnet, etwa wenn Eisen bei Erwärmung über die Curie-Temperatur nicht mehr ferromagnetisch ist, oder das Einsetzen der Supraleitung bei Abkühlung geeigneter Metalle oder Keramiken unter die sog. Sprungtemperatur. Bei vielen, aber nicht allen Phasenübergängen ändern sich wichtige Systemparameter sprunghaft, etwa die Dichte beim Verdampfen einer Flüssigkeit.

  • Photon

    Ein Photon (Lichtquant) ist das Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, oder anders ausgedrückt, die kleinste Portion, in der elektromagnetische Felder auftreten können. Die umfassende Theorie, welche das Verhalten von Photonen und elektrisch geladenen Elementarteilchen beschreibt, ist die Quantenelektrodynamik. Viele Eigenschaften des Photons und elektromagnetischer Wellen lassen sich aber auch schon mit einfacheren Modellen erklären. Das Symbol für das Photon ist ein kleines \(\gamma\) („gamma“), etwas inkonsequent werden aber nur besonders energiereiche Photonen als...

  • Physik

    Die Physik (von griech. physikos „die Natur betreffend“) war ursprünglich – in der frühen Neuzeit – ganz allgemein die Lehre von den Naturvorgängen, die aus Messungen und Experimenten auf allgemeine mathematische Gesetzmäßigkeiten schloss. Diese wurden in der Folge vielfach zu abgeschlossenen Theorien weiterentwickelt, aus denen sich im Prinzip alle Naturgesetze mathematisch ableiten lassen, Als sich später die Naturwissenschaften weiter ausdifferenzierten, wurde die Physik zur Wissenschaft von den Grundkräften Schwerkraft, Elektromagnetismus (und noch später die starke und schwache Kernkraft)...

  • Physikalische Einheiten

    Unter einer physikalischen Einheit versteht man einen per Konvention festgelegten Wert einer physikalischen Größe, der als Vergleichsmaß bei Messungen dieser Größe dient. Früher wurden Einheiten durch tatsächlich Vergleichskörper (Prototypen) definiert – im Mittelalter etwa durch einen am Rathaus angebrachten Stab, der genau eine Elle lang war, oder später durch das Urmeter. Heute wird nur noch das Kilogramm durch einen solchen Prototypen festgelegt, ab 2018 soll auch dies durch eine physikalische Definition ersetzt werden. Heute werden Einheiten durch eine Messvorschrift (z. B. das Ampere)...

  • Physikalische Größen

    Der Begriff der physikalische Größe ist ein so wichtiger wie zentraler Aspekt der gesamten Physik. Er erlaubt quantitative Aussagen über ein messbares Einzelmerkmal eines physikalischen Sachverhalts, Systems oder Effekts. Um physikalische Größe zahlenmäßig erfassen und vergleichen zu können, braucht man „Maßstäbe“ bzw. standardisierte Vergleichswerte, dies sind die physikalischen Einheiten. Zu jeder Größe gibt es (mindestens) eine Einheit. Jeder spezielle Wert einer physikalischen Größe lässt sich als Produkt ausdrücken: Größenwert = Zahlenwert mal Einheit. Physikalische Gesetze sind fast...

  • Physikalische Theorien

    Eine physikalische Theorie (von griech. theorein „anschauen“) ist ein umfassend ausgearbeiteter mathematischer Formalismus, der ein abgegrenztes Teilgebiet der Physik beschreibt. Eine Theorie muss durch Experimente nachprüfbare Vorhersagen treffen – solange kein Experiment diese Vorhersagen widerlegt, wird die Theorie akzeptiert. Ein allgemein anerkanntes, wiederholbares Experiment, das der Theorie widerspricht, bringt sie dagegen zu Fall. Beispielsweise reichte das Ergebnis des Michelson-Versuchs, um die Newton’sche Mechanik zum Einsturz zu bringen und durch die Relativitätstheorie zu...

  • Physikalisches System

    In der Physik versteht man unter einem System (griech. „(zusammengesetztes) Gebilde“) eine Gruppe von gemeinsam untersuchten, meist in Wechselwirkung stehenden Teilen, z. B. das Planetensystem, ein Bleiatom, die Bestandteile eines Mobiles oder Autos im Stau auf der Autobahn. Im Gegensatz zu einem Körper können die einzelnen Elemente eines Systems von ganz unterschiedlicher Art sein. Besonders wichtig in der Physik sind abgeschlossene Systeme, die sich dadurch auszeichnen, das sie nicht mit der Außenwelt wechselwirken. Das Gegenteil davon ist ein offenes System. In einem abgeschlossenen System...

  • Piezoelektrizität

    Piezoelektrizität (von griech. piézein „drücken“) ist eine Ladungstrennung an der Oberfläche von bestimmten Kristallen infolge einer Verformung (Deformation). Durch die Deformation werden in piezoelektrischen Kristallen elektrisch positive und negative Gitterbausteine so verschoben, dass ein elektrisches Dipolmoment entsteht. Dieses Dipolmoment führt zum Auftreten von elektrischer Ladung an der Oberfläche. Wichtige piezoelektrische Kristalle sind Quarz, Turmalin, Seignettesalze und Zinkblende. Auf der Piezoelektrizität basieren verschiedene Drucksensoren. Die Umkehrung der Piezoelektrizität...

  • Planck’sches Wirkungsquantum

    Das Planck’sche Wirkungsquantum (nach Max Planck, auch: Planck-Konstante) h ist eine fundamentale Naturkonstante, die in den Gesetzen der Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik auftritt. Sie ist u. a. der Proportionalitätsfaktor zwischen der Energie E eines Photons und der Frequenz f der ihm entsprechenden elektromagnetischen Strahlung: \(E = h \cdot f\). Das Planck’sche Wirkungsquantum hat den Wert: \(h = 6,626 \cdot 10^{-34}\,\text{Js}\) und damit die Dimension einer Wirkung (also Energie mal Zeit). Gleichzeitig ist dies auch die Dimension eines Drehimpulses, tatsächlich ist der Quotient \...

  • Plasma

    Ein Plasma (griech. „Gebilde“) ist ein meist sehr heißes Gemisch aus frei beweglichen Elektronen, Ionen und neutralen Atomen oder Molekülen. Ein Plasma enthält außerdem immer viele Photonen. All diese Plasmateilchen treten ununterbrochen miteinander in Wechselwirkung (z. B. Stöße, Anregung, Ionisation, Emission und Absorption von Strahlung, Dissoziation und Rekombination bei Molekülen). Durch ständige Ladungsverschiebungen sind kleine Bereiche im Plasma elektrisch geladen; insgesamt erscheint das P. aber elektrisch neutral (quasineutral), da in der Summe gleich viele positive und negative...

  • Plattenkondensator

    Ein Kondensator, der aus zwei parallelen, elektrisch leitenden Platten besteht. Im aufgeladenen Zustand ergibt sich im Inneren ein annähernd homogenes elektrisches Feld, das senkrecht auf den Plattenoberflächen steht (Abb.). Der Betrag E der elektrischen Feldstärke ist umso größer, je größer die Spannung U am Kondensator und je kleiner der Abstand d zwischen den Platten ist: \(E=\dfrac U d\) Die Leiterplatten sind Äquipotenzialflächen, die übrigen Äquipotenzialflächen im Inneren sind parallel zu den Platten. Weiter ist die Kapazität C des Plattenkondensators proportional zur Fläche A einer...

  • Pol

    In der Geophysik und in der Geometrie von Kugeloberflächen sind Nord- und Südpol diejenigen beiden Punkte, an denen sich alle Längenkreise schneiden und an denen die Erdachse die Erdoberfläche durchstößt. In der Theorie des Elektromagnetismus sind die Pole eines elektrischen oder magnetischen Dipolfelds die Stellen, an denen die Feldlinien entspringen bzw. enden. Dabei spricht man bei elektrischen Feldern von Plus- und Minuspol und bei magnetischen von Nord- und Südpol. Achtung: Da der magnetische Nordpol einer Kompassnadel (ungefähr) in Richtung des geografischen Nordpols der Erde zeigt, muss...

  • Polarisation (Optik)

    In der Optik versteht man unter Polarisation (von lat. polaris „Polarstern“) die Ausrichtung der elektrischen und magnetischen Feldstärke eines Lichtstrahls bzw. einer elektromagnetischen Welle in einer Vorzugsrichtung. Man spricht auch von polarisiertem Licht bzw. von einer polarisierten Welle. Schwingt der elektrische Feldstärkevektor ständig in einer Ebene, spricht man von linearer Polarisation bzw. von linear polarisiertem Licht (Abb.). Dabei stehen der elektrische und der magnetische Feldstärkevektor senkrecht zueinander und beide jeweils senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Die Ebene, in...

  • Potenzielle Energie (Lageenergie)

    Unter der potenziellen Energie eines Körpers oder physikalischen Systems versteht man diejenige Energie, die allein auf die Lage des Körpers oder Systems in einem Kraftfeld beruht. Sie wird daher auch Lageenergie genannt. Als „Kraftfeld“ kommen dabei vor allem zwei Felder in Betracht: das Schwerefeld und das elektrische Feld. Ihnen liegen die beiden physikalischen Grundkräfte Gravitation und Elektromagnetismus zugrunde. Anschaulich kann man die potenzielle Energie auch als die Energie bezeichnen, die man gewinnt, wenn man bergab oder in Richtung eines elektrischen Felds läuft (oder verliert...

  • Potenziometer

    Eine Bauart eines stetig regelbaren elektrischen Widerstands. Ein Potenziometer kann als Schiebewiderstand oder als Drehwiderstand ausgeführt sein. Beim Potenziometer in der Abbildung lässt sich der Schleifkontakt entlang des Widerstands R verschieben. Über den gesamten Widerstand mit der Länge l fällt eine feste Spannung U ab. An der Position l1 wird dementsprechend die Teilspannung U1 abgegriffen. Diese verhält sich zur Gesamtspannung U wie der Teilwiderstand R1 zum Gesamtwiderstand R, nämlich wie die Länge l1 zur Gesamtlänge l . Man nennt solch eine Schaltung auch einen Spannungsteiler.

  • Prisma

    In der Optik ist ein Prisma (griech. „das Zersägte“) ein durchsichtiger Körper zur Beeinflussung von Lichtstrahlen durch Brechung, Dispersion oder Reflexion. In aller Regel handelt es sich dabei um geometrisches Prisma mit einem gleichseitigen Dreieck als Querschnitt, es gibt aber auch Ausnahmen. Ein optisches Prisma hat immer mindestens zwei nicht parallele ebenen Flächen, die sog. brechenden Flächen. Den Winkel und die Kante, die die brechenden Flächen miteinander bilden, bezeichnet man als brechenden Winkel bzw. brechende Kante. Ein Schnitt senkrecht zur brechenden Kante heißt Hauptschnitt...

  • Probeladung

    Eine Probeladung ist eine gedachte Ladung, mit der man das Verhalten von elektromagnetischen Feldern untersucht. Sie ist punktförmig und beeinflusst das untersuchte Feld nicht (diese beiden Annahmen sind natürlich Idealisierungen, die in der Realität nicht vollständig erfüllt sein können).

  • Proton

    Das Proton (von griech. protos „erster“) p ist wie das Neutron einer der beiden Kernbausteine (Nukleonen). Es trägt eine positive Elementarladung (\(e = 1,602 \cdot 10^{-19}\,\text C\)) und hat die Ruhemasse \(m_\text p = 1,673 \cdot 10^{-27}\,\text{kg} = 1,0073\,\text u\), dies entspricht etwa dem 1836-Fachen der Elektronenmasse me und einer Ruheenergie von 938,272 MeV. Das Proton wird zwar oft als Elementarteilchen bezeichnet, hat aber tatsächlich eine messbare Ausdehnung von knapp 2 fm und besteht im Inneren aus drei Quarks, zwei Up und einem Down. Jedes der drei Quarks trägt eine andere...