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  • Teilchenbeschleuniger

    Ein Teilchenbeschleuniger oder kurz Beschleuniger dient dazu, elektrisch geladene Elementarteilchen auf sehr hohe kinetische Energien zu bringen. Dabei kommen ihre Geschwindigkeiten der Lichtgeschwindigkeit so nahe, dass die Formeln der Relativitätstheorie angewendet werden müssen (man spricht auch von relativistischen bzw. ultrarelativistischen Teilchen). Man unterscheidet je nach Aufbau Linear- und die Kreisbeschleuniger: Bei einem Linearbeschleuniger sind mehrere Beschleunigungsstrecken auf einer geraden Linie hintereinander angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass keine Verluste durch...

  • Temperatur und Temperaturskalen

    Die Temperatur T ist ein Maß dafür, wie viel Wärmeenergie ein Körper oder physikalisches System enthält, d. h., wie groß die Energie der ungerichteten Zufallsbewegungen seiner Atome oder Moleküle im Mittel ist. Dies wird in der Wärmelehre (Thermodynamik) im Detail untersucht. Die SI-Einheit der Temperatur ist das Kelvin (nach dem Adelstitel Kelvin des Physikers William Thomson, Einheitenzeichen K). Es ist eine der sieben Basiseinheiten des SI. Ebenfalls zulässig ist die Angabe in Grad Celsius (°C); beide Einheiten unterscheiden sich lediglich in der Wahl des Nullpunkts der Temperaturskala (s...

  • Thermoelektrizität

    Unter dem Begriff Thermoelektrizität werden verschiedene Effekte zusammengefasst, bei denen sich Wärme- und elektrische Erscheinungen gegenseitig beeinflussen. Die beiden bekanntesten sind die beiden folgenden Effekte: Beim Seebeck-Effekt (nach Thomas J. Seebeck) wird Wärmenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Er tritt auf, wenn in einem Leiterkreis aus zwei aneinander gelöteten Drähten aus unterschiedlichen Metallen (oder Halbleitern) die beiden Lötstellen auf unterschiedlichen Temperaturen T1 bzw. T2 gehalten werden (Abb.). In diesem Fall entsteht im Kreis eine elektrische...

  • Thermometer

    Ein Thermometer ist ein Gerät zur Messung der Temperatur eines Körpers oder Systems. Grundsätzlich kann man entweder das Thermometer solang in direkten Kontakt mit dem Messobjekt halten, bis es dessen Temperatur durch Wärmeleitung übernommen hat (Berührungsthermometer), die Energie der vom Objekt ausgehenden Wärmestrahlung bestimmen (Strahlungsthermometer) oder thermoelektrische Effekte ausnutzen. Beim Flüssigkeitsthermometer wird die Wärmeausdehnung einer Flüssigkeit in einem senkrecht stehenden zylindrischen Glasgefäß gemessen. Aus der Steighöhe wird mithilfe einer geeichten Skala die...

  • Tieftemperaturphysik

    Die Tieftemperaturphysik ist das Teilgebiet der Physik, das sich mit der Erzeugung und Messung sehr tiefer Temperaturen befasst sowie mit der Untersuchung von Prozessen und Materialeigenschaften bei diesen tiefen Temperaturen. Historisch nahm die Tieftemperaturphysik ihren Ausgang in der Verflüssigung von Gasen wie Luft, d. h. Stickstoff und Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid. Dabei machte man sich zunächst den sog. Joule-Thompson-Effekt zunutze, der nur bei realen Gasen auftritt. Bei ausreichender Vorkühlung kann man damit auch Helium verflüssigen. Bei flüssigem Helium kann man Quanteneffekte...

  • Torsion

    Eine Torsion (von lat. torquere „drehen“), auch Verdrehung oder Verdrillung, ist eine schraubenartige Verformung, die entsteht, wenn an einem Körper an zwei Stellen entgegengesetzt gerichtete Drehmomente angreifen – z. B. wenn man die beiden Enden eines Fadens in entgegengesetzte Richtung verdreht. Wenn die Verformung elastisch ist, tritt ein rücktreibendes Drehmoment auf, und der Faden vollführt eine Drehschwingung (Torsionsschwingung). Solch eine Torsionsschwingung nutzt man beim Drehspiegelinstrument aus: Ein an einem Torsionsfaden aufgehängter Spiegel wirft einen Laserstrahl auf einen weit...

  • Totalreflexion

    Wenn eine Welle an der Grenzfläche zu einem Medium mit größerem Brechungswinkel (bei Licht: niedrigerem Brechungsindex) vollständig reflektiert wird, spricht man von Totalreflexion. Dies geschieht immer dann, der der Einfallswinkel größer als der sog. Grenzwinkel der Totalreflexion ist (s. u.). Die Totalreflexion wird technisch u. a. bei der praktisch verlustfreien Leitung von Lichtwellen in Glasfasern sowie bei der Leitung von Materiewellen genutzt, etwa bei Neutronenleitern. Das Zustandekommen der Totalreflexion kann man sich folgendermaßen erklärne: Geht ein Lichtstrahl von einem optisch...

  • Trägheitsmoment

    Das Trägheitsmoment J ist ein Maß für den Widerstand, den ein Körper der Änderung seiner Winkelgeschwindigkeit entgegensetzt. Es spielt damit bei einer Drehbewegung die gleiche Rolle wie die (träge) Masse bei einer Translationsbewegung. Dies lässt sich herleiten, wenn man die kinetische Energie \(E_\text{kin} = \dfrac 1 2 mv^2\) eines rotierenden mit Masse m in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit \(\omega = v/r\)ausdrückt, also seine berechnet: \(E_\text{rot} = \dfrac 1 2 mr^2\omega^2\) Die Dimension des T. ist somit Masse mal Länge zum Quadrat, die SI-Einheit \(\text{kg}\times\text{m}...

  • Transformator

    Ein Trafo bzw. Transformator (von lat. transformare „umwandeln“) ist ein Gerät, das mithilfe der elektromagnetischen Induktion die Amplitude einer Wechselspannung verändern kann, wobei dessen Frequenz gleich bleibt. Im einfachsten Fall besteht ein Trafo aus zwei Spulen mit N1 (Primärspule) bzw. N2 (Sekundärspule) Wicklungen, die um einen gemeinsamen Eisenkerns in Form eines eckigen Torus gewickelt sind (Abb.). Diesen Aufbau nennt man auch Kern- oder Einphasentrafo. Eine andere Möglichkeit besteht darin, beide Spulen konzentrisch zu wickeln, dabei muss die mit der kleineren Windungszahl innen...

  • Transistor

    Ein Transistor (von engl. transfer „Übertragung“ und resistor „(elektrischer) Widerstand“) ist ein elektronisches Schaltelement, das auf der Kombination von Übergängen zwischen p- und n-leitenden Schichten in einem Halbleiter beruht. Der Transistor dient zum Steuern und Verstärken von Strömen oder Spannungen. Früher wurden hierfür vor allem Trioden eingesetzt. Wie die Triode hat ein Transistor (mindestens) drei Anschlüsse: zwei als Ein- und Ausgangselektrode des zu beeinflussenden Signals eine (mindestens) einer zur Beeinflussung des Signals. Bei der einfachsten Bauart, dem Bipolartransistor...

  • Treibhauseffekt und Klimawandel

    Unter dem Klima versteht man die für einen Ort, eine Region oder die ganze Erde typischen, nur langfristig schwankenden atmosphärischen Bedingungen (Luftdruck, Temperatur, Niederschläge, Windverhältnisse usw.). Dagegen bezeichnet die Meteorologie kurz- und mittelfristige atmosphärische Schwankungen als Wetter bzw. Witterung. Einer der wichtigsten Faktoren für das Erdklima ist der sog. Treibhauseffekt. Darunter versteht man allgemein die die Erwärmung eines Raumes, der von einem Medium umschlossen wird, das für Sonnenlicht transparent ist, infrarote Wärmestrahlung dagegen absorbiert (also z. B...

  • Triode

    Eine Triode (von griech. tri- „drei-“ und hodos „Weg“) ist eine Elektronenröhre (Vakuumröhre) mit drei Anschlüssen, die früher zur Steuerung und Verstärkung von Strömen oder Spannungen benutzt wurde. Heute benutzt man bei den meisten Anwendungen Transistoren. Nur gelegentlich verwendet man noch Trioden-Verstärker, z. B. im Hi- Fi-Bereich oder als Bass- bzw. Gitarrenverstärker sowie in der Leistungselektronik. Zwischen Glühkathode K und Anode A befindet sich die Steuer- oder Gitterelektrode G. Zwischen Gitter und Kathode liegt eine Gleichspannung UG an, mit deren Hilfe man den Anodenstrom IA...

  • Tscherenkow-Strahlung

    Als Tscherenkow-Strahlung (nach Pawel A. Tscherenkow) bezeichnet man elektromagnetische Wellen, die von Teilchen emittiert wird, welche sich durch ein Medium mit einer Geschwindigkeit \(v\) bewegen, die größer als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium ist. Die Tscherenkow-Strahlung ist das elektromagnetische Analogon zum Mach-Kegel bei einem Überschallflugzeug („Schallmauer „). Wie dort kann die Tscherenkow-Strahlung den Bereich außerhalb des Mach-Kegels nicht erreichen; die Photonen der Tscherenkow-Strahlung werden unter einem Winkel \(\vartheta\) zur Bewegungsrichtung des Teilchens...

  • Tunneleffekt

    Der quantenmechanische Tunneleffekt ist das mit den Gesetzen der klassischen Physik nicht zu erklärende Phänomen, dass ein Quantenobjekt eine Potenzialbarriere überwinden kann, deren Höhe (potenzielle Energie) größer ist als seine eigene Energie. Ein einfaches Beispiel ist ein Alphateilchen in einem radioaktiven Atomkern, das den von den Kernkräften erzeugten Potenzialwall durchtunnelt. Im Wellenbild kann man den Tunneleffekt so deuten, dass ein Teil der Wahrscheinlichkeitswelle des einfallenden Teilchens am Potenzialwall reflektiert wird, während der andere eindringt und dort exponentiell...

  • Turbulenz

    Eine turbulente Strömung (von lat. turbulentus „stürmisch“, „ungeordnet“) in einem Gas oder einer Flüssigkeit weist – im Gegensatz zur laminaren Strömung – unregelmäßige Geschwindigkeits- und Druckschwankungen in Form von regellosen Wirbeln auf sowie scheinbar chaotische dreidimensionale Strömungsmuster. Turbulenz ist daher auch eines der Forschungsthemen der Chaostheorie. Man unterscheidet zwischen turbulenten und laminaren Strömungen anhand der sog. Reynolds-Zahl Re, die proportional zum Verhältnis aus Fließgeschwindigkeit und Viskosität (Zähigkeit) der Flüssigkeit bzw. des Gases ist. In...