Home About us Products Services Contact us Bookmark
:: wikimiki.org ::
Innere Energie

Innere Energie

Als innere Energie bezeichnet man den in einem Medium gebundenen Energiebetrag beziehungsweise den Energiegehalt einer Materiemenge, der über ihre geordnete kinetische Energie und potentielle Energie des Schwerpunktes hinausgeht. Sie ergibt sich aus den inneren Eigenschaften eines Systems teilweise auch unter dipolartiger Wechselwirkung mit äußeren Feldern. Je mehr über den Aufbau der Materie bekannt wurde, desto mehr Ursachen für die innere Energie wurden erkannt. Man unterscheidet den physikalisch-thermischen, den chemischen und den kernphysikalischen Anteil der inneren Energie und Wechselwirkungen mit äußeren Feldern.
- Der physikalisch-thermische Anteil (thermische Energie) beruht auf den gesamten ungeordneten, mikroskopischen Bewegungen der Moleküle, das heißt auf der kinetischen Energie, der Rotationsenergie und der Schwingungsenergie der Moleküle sowie auf intermolekularen Wechselwirkungskräften.
- Der chemische Anteil ist die potentielle Energie der Bindungskräfte bzw. die Bindungsenergie, die in den Molekülen enthalten ist und zum Beispiel bei einer Verbrennung in Form von thermischer Energie bzw. Wärme frei wird.
- Der kernphysikalische Anteil bezeichnet die potentielle Energie, die in den Atomkernen vorhanden ist und die bei Kernzerfällen, Kernspaltungen und Kernfusionen freigesetzt werden kann.
- Zudem können noch die Wechselwirkungen von magnetischen und elektrischen Elementardipolen und induzierter Polarisation mit elektrischen und magnetischen äußeren Feldern einen Beitrag leisten. Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik beschreibt eine Änderung der inneren Energie als Summe der Wärmezufuhren und -entzüge sowie der verrichteten Arbeit am entsprechenden System: :\qquad \mathrm dU= \delta Q + \delta W Siehe auch: Fundamentalgleichung, spezifische Innere Energie des Wassers Kategorie:Thermodynamik ja:内部エネルギー

Medium (Physik)

Der Ausdruck Medium oder Ausbreitungsmedium steht im Rahmen der Optik bzw. auch allgemeiner für eine Substanz, die den Raum ausfüllt, der von Licht- oder sonstigen Wellen durchquert wird. Für Licht hat diese – anders als das Vakuum – eine bestimmte Extinktion, die ihrerseits in einer einfachen Relation zur Lichtgeschwindigkeit in dieser Substanz (also dem Medium) steht. Ein Lichtimpuls pflanzt sich in einem Medium mit einer Signalgeschwindigkeit fort, die stets kleiner ist als die Vakuumlichtgeschwindigkeit. Kategorie:Wellenlehre

Kinetische Energie

Die kinetische Energie oder auch Bewegungsenergie ist die Energie, die in der Bewegung eines Körpers enthalten ist. Sie ist abhängig von der Ruhemasse m0 und der Geschwindigkeit v des Körpers. Sie berechnet sich für nicht relativistische geradlinige Bewegungen der Masse m mit :E_= m v^2.

Die kinetische Energie in der klassischen Physik

In der klassischen Physik ist die aus der kinetischen Energie resultierende Kraft F, die auf einen Körper einwirkt, gleich der zeitlichen Änderung seines Impulses p, also des Produktes aus Masse und Geschwindigkeit. Die durch diese Kraft verrichtete Arbeit ist gleich der Änderung der kinetischen Energie des Körpers. Damit gilt für die kinetische Energie: :E_=\int_^ F\cdot\, \mathrm d s = \int_^ \frac\cdot\, \mathrm d s Wegen \frac = \acute v und p = m_0\acute v \! gilt: :E_ = \int_^ \frac \cdot \mathrm d p = \int_^ \acute v \cdot\, \mathrm d p = \int_^ \acute v\cdot\, \mathrm d (m_0\acute v) = \int_^ \mathrm d (\fracm_0\acute v^2) = \fracm_0 v^2. Bei dem vorletzten Schritt ist zu beachten, dass die Masse nicht von der Geschwindigkeit abhängt und man somit ein totales Differential erhält, dessen Integration trivial ist. Da bei den meisten Bewegungen Reibung nicht vermieden werden kann, verliert ein antriebsloser bewegter Körper ständig an Geschwindigkeit, weil durch Gleit-, Roll- und/ oder Gasreibung die kinetische Energie nach und nach in thermische Energie umgewandelt wird. Ist die Umwandlung vollständig, kommt die Bewegung zum Stillstand. Will man eine Verlangsamung der Bewegung, also den Verlust an Bewegungsenergie verhindern, so muss dem System durch einen Antrieb, beispielsweise einen Elektromotor oder einen Verbrennungsmotor, Energie zum Ausgleich des Reibungsverlusts zugeführt werden.

Kinetische Energie und der Energieerhaltungssatz

In einem abgeschlossenen System ohne Energieaustausch mit der Umgebung und unter Vernachlässigung jedweder Reibung, gilt zu jedem Zeitpunkt der Energieerhaltungssatz der klassischen Mechanik: E_ + E_ = = E_ \!
- Epot - potenzielle Energie
- Ekin - kinetische Energie
- Eges - Gesamtenergie In Worten: Die Summe aus potenzieller und kinetischer Energie, einschließlich der Rotationsenergie, ist konstant und entspricht der Gesamtenergie des mechanischen Systems.

Die kinetische Energie in der modernen Physik

Im Jahre 1905 zeigte Albert Einstein in seiner speziellen Relativitätstheorie, dass die klassische Beziehung der kinetischen Energie nur für Geschwindigkeiten gilt, die sehr viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit sind, da die Masse eines Körpers sich mit höherer Geschwindigkeit scheinbar erhöht. Daher gilt nach der Speziellen Relativitätstheorie eine andere Beziehung: :E_= E - E_0 = m(v) c^2 - m_0 c^2 = \frac - m_0 c^2 = m_0 c^2\left(\frac - 1\right) = m_0 c^2\left(\gamma - 1\right) Hierbei ist m(v) die relativistische Masse des Körpers bei der Geschwindigkeit v; c die Lichtgeschwindigkeit und m0 die Ruhemasse ist. Für m(v) gilt: :m(v) = \frac=m_0\gamma mit \gamma=\frac Ruhemasse Da eine größere Masse eine höhere Energie nach sich zieht, steigt die kinetische Energie im Gegensatz zur Aussage der klassischen Physik nicht parabolisch, sondern hyperbolisch, an; bewegt sich ein Körper nahe der Lichtgeschwindigkeit, so strebt der Betrag der kinetischen Energie gegen unendlich. Insbesondere ist es aus diesem Grund für einen massebehafteten Körper nicht möglich sich mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen, da eine unendliche Energie notwendig wäre, um diesen Bewegungszustand zu erreichen.
Bei Geschwindigkeiten, die kleiner als 0,1 c sind, ist dieser Effekt hingegen vernachlässigbar gering und so kann die klassische Beziehung als eine gute Näherung verwendet werden. Das links abgebildete Diagramm zeigt die Graphen der relativistischen (1) sowie der klassischen (2) Beziehung für einen Körper der Masse von einem Kilogramm. Die kinetische Energie ist keine Lorenzinvariante und insofern vom Bezugssystem abhängig.

Herleitung der relativistischen kinetischen Energie

Um die relativistische Beziehung der kinetischen Energie zu erhalten, kann man ebenso vorgehen wie bei der Herleitung der klassischen Beziehung. In diesem Fall fasst man aber die resultierende Kraft F, die auf einen Körper einwirkt, als die zeitliche Änderung seines relativistischen Impulses p und die durch diese Kraft verrichtete Arbeit als die Änderung der relativistischen kinetischen Energie des nämlichen Körpers auf. Es gilt also zunächst ganz analog zum klassischen Fall: :E_ = \int_^ F\cdot\, \mathrm ds=\int_^ \frac\cdot\, \mathrm ds Nun gilt aber für den relativistischen Impuls p=\frac und damit :E_ = \int_^ v\cdot\, \mathrm dp=\int_^ v\cdot\, \mathrm d\left(\frac\right). Nun schreibt man \mathrm d p so um, dass man nach der Geschwindigkeit v integrieren kann, die gesuchte Größe sei dabei mit x bezeichnet :\mathrm d \left(\frac\right) = x \cdot \mathrm dv \Leftrightarrow \frac\left(\frac\right)=\frac\left(m_0v\left(1-\frac\right)^\right)= x :\frac\left(m_0v\left(1-\frac\right)^\right) = m_0\left(-\frac\left(1-\frac\right)^v\left(-\frac\right)+\left(1-\frac\right)^\right), siehe Kettenregel und Produktregel. :m_0\left(\left(1-\frac\right)^\frac+\left(1-\frac\right)^\right) = m_0\left(1-\frac\right)^\left(\left(1-\frac\right)^\frac+1\right) :m_0\left(1-\frac\right)^\left(\frac+1\right) = m_0\left(1-\frac\right)^\left(\frac+1\right) :m_0\left(1-\frac\right)^\left(\frac\right) = m_0\left(1-\frac\right)^\left(\frac\right) = m_0\left(1-\frac\right)^\left(\frac\right) :m_0\left(1-\frac\right)^\left(1-\frac\right)^ = m_0\left(1-\frac\right)^ \Rightarrow \mathrm d\left(\frac\right) = m_0\left(1-\frac\right)^\mathrm dv Somit erhalten wir für unser Integral :E_=\int_^v \cdot m_0\left(1-\frac\right)^\mathrm dv = m_0\int_^v \left(1-\frac\right)^\mathrm dv Es ist klar, dass der Ausdruck \left(1-\frac\right)^ durch Ableitung von \left(1-\frac\right)^ entstehen kann. Nehmen wir diese als Stammfunktion an, so haben wir :\frac\left(1-\frac\right)^ = -\frac\left(1-\frac\right)^\frac = \left(1-\frac\right)^\frac Multiplizieren wir diesen Term mit c^2, so ergibt sich gerade wieder der Integrand. Damit derselbe diese Form annimmt, klammern wir c^2 aus und erhalten schließlich :E_ = m_0c^2\int_^\frac \left(1-\frac\right)^dv=m_0c^2\left[\left(1-\frac\right)^\right]^_=m_0c^2\left[\frac\right]^_ :E_ = m_0c^2\left(\frac - 1\right) = \frac-m_0c^2 = m_0 c^2\left(\gamma - 1\right) Insbesondere ist hierbei der Klammerausdruck :c^2\left(\frac-m_0\right) lediglich die Differenz der relativistischen Masse und der Ruhemasse - das Ergebnis des gesamten Ausdrucks besitzt jedoch die Dimension einer Energie. Da die Massendifferenz nur mit c^2 multipliziert wird, stellt sich heraus, dass das Produkt m_0c^2 die Energie darstellt, welche der Körper schon besaß, ehe er die kinetische Energie aufgenommen hat. Aus diesem Grund beträgt die Ruheenergie E_0 eines Körpers
E_0=m_0c^2 \!
Da c^2 lediglich die Proportionalitätskonstante dieser Beziehung darstellt, ist hieraus ersichtlich, dass Energie und Masse in Wirklichkeit dasselbe sind und ineinander umgewandelt werden können. Die kinetische Energie eines Körpers ist damit also gerade diejenige Energie, welche der relativistischen Massenzunahme entspricht und umgekehrt. Kurz ist damit
E_=E-E_0 \!
wobei E gegenüber der Ruheenergie entsprechend die relativistische Energie darstellt, mit
E=\frac
Siehe auch: Äquivalenz von Masse und Energie, Potenzielle Energie, Rotationsenergie Eine einfache Herleitung von E=mc^2 ohne Infinitesimalrechnung findet sich in Wikibooks unter: http://de.wikibooks.org/wiki/E%3Dmc%5E2 E=mc^2. Kategorie:Mechanik Kategorie:Spezielle Relativitätstheorie ja:運動エネルギー ko:운동 에너지 ms:Tenaga kinetik simple:Kinetic energy

Thermische Energie

Thermische Energie, umgangssprachlich meist falsch als Wärme, Wärmeenergie oder auch Temperatur bezeichnet, ist die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Atome oder Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. Sie wird im SI-Einheitensystem in Joule (Einheitenzeichen: J) gemessen und ist Teil der inneren Energie. Die Thermische Energie Eth eines Stoffes ist definiert als E_ = m \; c \; T \! Hierbei stehen die einzelnen Formelzeichen für folgende Größen:
- T - absolute Temperatur
- m - Masse
- c - spezifische Wärmekapazität Eine Wärmezufuhr steigert die Bewegung der Moleküle und damit die thermische Energie, eine Wärmeabfuhr verringert sie. Ist die kinetische Energie der einzelnen Atome eines Stoffes gleich Null, so ist, da m und c stets größer Null sind, seine Temperatur am absoluten Nullpunkt. Die Kelvin-Temperaturskala verwendet diesen als Bezugspunkt. Kommen zwei Systeme mit unterschiedlichen Temperaturen zusammen, so gleichen sich die Temperaturen dieser Systeme durch Wärmeaustausch an. Dabei wird jedoch, ohne zusätzliche Hilfe, niemals thermische Energie vom System niedrigerer Temperatur in das höherer Temperatur übergehen, was im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begründet liegt. Diese Angleichung erfolgt so lange, bis keine Temperaturdifferenz zwischen den Systemen mehr auftritt und sich die Systeme demnach in einem thermischen Gleichgewicht befinden. Diesen Vorgang nennt man Wärmeübertragung. Umgangssprachlich werden Wärme, thermische Energie und Temperaturmessung oft verwechselt. Ein Beispiel, das die Zusammenhänge zwischen Wärme und Temperatur verdeutlicht, ist ein Schmelzvorgang. Hat man Eis mit einer Temperatur von 0 °C muss man, um es zu schmelzen, seine thermische Energie erhöhen. Dazu muss man Wärme zuführen. Die Temperatur steigt während des Schmelzvorganges jedoch nicht an, da die gesamte zugeführte Wärme für den Phasenübergang vom Feststoff zur Flüssigkeit benötigt wird (Schmelzwärme). Eine Begründung, warum Wärme und thermische Energie nicht gleichzusetzen sind, kann bei Wärmeenergie nachgelesen werden. Kategorie:Thermodynamik ja:熱

Mikroskopisch

Als Mikroskopie wird jedwede Technik bezeichnet, die zur Erzeugung von Bildern von Strukturen und Details verwendet wird, die ansonsten zu klein wären um vom menschlichen Auge wahrgenommen zu werden. Die direkt den menschlichen Sinnen zugängliche Größenordnung wird als mesoskopisch und die darüber hinausgehende als makroskopisch bezeichnet. Sie wird dem Bereich der Optik zugeordnet.

Geschichte

Das Mikroskop entwickelte sich aus der Lupe, die als Linse einen Wassertropfen einsetzte. Durch die Weiterentwicklung der Linsenschleiftechnik in Westeuropa, deren Ursprünge im arabischen Raum zu finden sind, entwickelten sich Teleskope aber auch Mikroskope. Die Technik der Lichtmikroskopie wurde durch den Einsatz von künstlicher Beleuchtung, einem besseren Verständnis der mathematischen Grundlagen und weiters durch den Einsatz von Feinmechanik, Motorik und Computereinsatz verbessert. Fortschritte im Verständnis der Wellenausbreitung des Lichts, aber auch von Elektronen ermöglichte eine schlagartige Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten. Als Beispiel der kontinuierlichen Weiterentwicklung ist hier das Mikroskop von John Cuff, einem britischen Mikroskopbauer gezeigt. Sein Mikroskop zeichnete sich vor allem durch den besseren Zugriff auf das Untersuchungsobjekt aus, indem er auf die zuvor üblichen Dreibeinständer verzichtete und einen Einhand Fokussiermechanismus einbaute.

Abbildende Mikroskopie

Bei der klassischen Lichtmikroskopie wird dafür Licht, das von dem zu betrachtenden Objekt reflektiert wird oder durch dieses hindurchgeleitet wird, durch eine Reihe von Linsen gelenkt um dann vom Auge oder einer Kamera aufgenommen zu werden. Die Entwicklung der Mikroskopie revolutionierte vor allem die Biologie und bleibt ein wesentliches Hilfsmittel in den Naturwissenschaften. Da hierbei das Auflösungsvermögen von der Wellenlänge des Lichts abhängig ist wurden seit den 1930er Jahren Elektronenmikroskope entwickelt, die Elektronenstrahlen anstelle von Licht verwenden. Da Elektronenstrahlen eine kleinere de Broglie Wellenlänge haben, wird dadurch die erreichbare Auflösung stark erhöht. Im elektromagnetischen Berich ist auch die Röntgenmikroskopie zu nennen.

Rasternde Mikroskopie

Bei einigen Arten von Mikroskopie wird das betrachtete Objekt Linie für Linie mit Hilfe eines sehr feinen Fühlers abgetastet. Beispiele hierfür sind das Rasterkraftmikroskop und das Rastertunnelmikroskop, sowie im optischen Bereich das Nahfeldmikroskop. Verbesserungen des Lichtmikroskopes in Verbindung mit rasternden Verfahren bieten die konfokale Mikroskopie, bei der die Strahlung durch eine Lochblende eingeengt wird, die Fluoreszenzmikroskopie, wo das "Nachleuchten" von Fluorenzenszfarbstoffen zur Auflösungsverbesserung genutzt wird, oder die Multiphotonenmikroskopie, die ebenfalls die Auflösung verbessert - hier aber mit probeneigenen Markermolekülen. Ein weiterer Schritt ist die Verbesserung der Tiefenauflösung, die einerseits durch Abrastern in der Tiefe erreicht werden kann, oder durch Ausnützung weiterer Wellenphänome, wie z.B. Holografie oder Optische Kohärenztomografie.

Strukturanalyse

Die Strukturanalyseverfahren wie die Transmissionselektronenmikroskopie und Röntgenstrukturanalyse bilden den Übergangsbereich zu den abbildende Verfahren.

Weblinks


- http://micro.magnet.fsu.edu/micro/gallery.html (Engl.)
- [http://www.wissenschaft.de/wissen/news/259013.html www.wissenschaft.de: Froschschenkel im Minimaßstab] - Moderne Version des Galvani-Experiments ermöglicht Mikroskopie biologischer Substanzen in extrem hoher Auflösung Kategorie:Optik Kategorie:Mikroskopie

Molekül

Ein Molekül (älter auch: Molekel) ist ein Teilchen, das aus mindestens zwei zusammenhängenden Atomen besteht, welche durch kovalente Bindungen verbunden sind. Moleküle stellen die kleinsten Teilchen dar, die die Eigenschaften des zugrundeliegenden Stoffes haben. Es gibt Moleküle, die aus einem einzigen Element aufgebaut sind (O2, N2, P4 u.v.m), die meisten Moleküle sind aber Verbindungen aus Nichtmetallen mit einem (oder mehr) weiteren Nichtmetallen oder Halbmetallen. Einen etwas größeren Verbund von gleichartigen Atomen nennt man Cluster.

Bindungsart in Molekülen

In Molekülen halten die verbundenen Atome über gemeinsame Elektronenpaare zusammen. Man nennt solche Bindungen auch Atombindung, Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung. Wenn auch die einzelnen Atome keine vollen Elementarladungen haben, also nicht als Ionen vorliegen, kann es durch unsymmetrisch verteilte Bindungselektronenpaare zu Teilladungen kommen. Man unterteilt deshalb die Atombindungen in:
- kovalente Bindung / unpolare Atombindung - Differenz der Elektronegativität der Bindungspartner ist 0. Diese Art der Bindung kommt genau genommen nur bei Elementmolekülen, d.h. bei Molekülen, die nur aus einer Atomart zusammen gesetzt sind, vor. Man fasst im weiteren Sinne allerdings auch Bindungen zwischen Atomen (z.B. zwischen C und H) als kovalente Bindungen auf, deren Differenz der Elektronegativität größer 0 und kleiner 0,4 ist.
- polare Bindung - Differenz der Elektronegativität der Bindungspartner ist größer 0,4 und kleiner 1,8.

Zwischenmolekulare Kräfte (sortiert nach abnehmender Stärke)

Zwischen den Molekülen können verschiedene Kräfte wirken, die sich zum Beispiel auf die Siede- und Schmelztemperatur und die Löslichkeitseigenschaften auswirken können.
- Wasserstoffbrückenbindung
- Dipol-Dipol-Kräfte
- van-der-Waals-Kräfte

Darstellung

Der Aufbau eines Moleküls kann auf verschiedene Arten beschrieben werden. Die Summenformel eignet sich für einfache Moleküle, insbesondere anorganische Moleküle, z.B. H2O für Wasser oder NH3 für Ammoniak. Sie enthält die Atomsymbole der im Molekül enthaltenen Elementsorten, deren Anzahl über einen Index (die tiefgestellte Zahl) angegeben ist. Die Wirkung von Intermolekularen Kräften ist auch bei kleineren Molekülen von der räumlichen Struktur der Moleküle abhängig. Zur Beschreibung dieser Struktur dient die VSEPR-Theorie. Bei komplexeren Molekülen, wie sie vor allem in der organischen Chemie vorkommen, liefert eine Summenformel oft keine ausreichende Beschreibung, da es verschiedene Moleküle mit der gleichen Summenformel (Isomere) geben kann. Deshalb wird dazu die Strukturformel verwendet, die den Aufbau graphisch darstellt. In einigen Fällen, spiegelbildlich gebauten Molekülen, den Enantiomeren, gibt auch die Strukturformel nicht ausreichend Aufschluss über die nach außen wirksame Struktur. Hier werden Fischer- und Haworth-Projektion verwendet. Bei hochkomplexen Molekülen wie Proteinen oder polymeren Kohlenhydraten spielt die räumliche Darstellung eine noch größere Rolle. Man versucht, räumliche Darstellungen über Farbgebung zu erreichen (Bsp.: Hämoglobin). Man spricht dann - je nach Ebene - von der Primärstruktur (bei Proteinen durch die Abfolge der Aminosäuren definiert), der Sekundärstruktur (Auffaltung zu einer Helix oder einem Faltblatt), der Tertiärstruktur (Auffaltung der Sekundärstruktur zu Kugeln oder Fasern ) und der Quartärstruktur. (siehe hierzu: Protein)

Siehe auch:


- Chemische Bindung
- Atombindung
- Ionenbindung
- Molekularphysik
- Molekülbaukasten
- Ölfleckversuch Kategorie:Chemie Kategorie:Genetik Kategorie:Atomphysik als:Molekül ja:分子 ko:분자 simple:Molecule th:โมเลกุล Kategorie:Chemie

Rotationsenergie

Rotationsenergie ist die kinetische Energie eines starren Körpers, der um eine feste Achse rotiert. Diese Energie ist abhängig von dem Trägheitsmoment und der Winkelgeschwindigkeit des Körpers. Je mehr Masse von der Rotationsachse entfernt ist, desto mehr Energie wird benötigt, um einen Körper auf eine bestimmte Rotationsgeschwindigkeit zu bringen. Dies lässt sich durch folgendes Experiment verdeutlichen: Zwei gleich schwere Kugeln mit identischen Radien werden auf eine schiefe Ebene gelegt und rollen herunter. Eine Kugel besteht aus einem leichten Material wie Kunststoff und ist massiv gefertigt. Die andere Kugel jedoch ist hohl, besteht aber aus einem dichteren und somit schwereren Material wie Metall. Die hohle Kugel wird langsamer rollen, da bei ihr die gesamte Masse auf einer dünnen Schale mit großem Abstand zur Rotationsachse verteilt ist. Die massive Kugel mit derselben Masse rollt schneller, weil prozentual mehr Masse nahe der Rotationsachse liegt und sich daher langsamer auf der Kreisbahn bewegen muss. Ein mit der Winkelgeschwindigkeit \omega um die x-Achse rotierender Körper besitzt die Rotationsenergie E_ = \frac I_x \omega^2 mit
- I_x : Trägheitsmoment des Körpers um die x-Achse
- \omega : Winkelgeschwindigkeit Allgemein lässt sich dies ausdrücken als E_= \frac \sum_^ I_ \vec^2
- I_: Trägheitsmoment
- \vec: Winkelgeschwindigkeit Um die Energie eines um eine beliebige Achse rotierenden Körpers anzugeben, wird die Winkelgeschwindigkeit nun durch ihre Vektorkomponenten ausgedrückt: \vec = \omega \cdot \beginn_1\\n_2\\n_3\end wobei die Komponenten für n die Komponenten in x-, y- und z-Achsenrichtung darstellen und für die Rotationsenergie nun gilt: E_ = \frac \sum_^ n_ n_ I_ \omega^2 Die Indizes \alpha und \beta können hier jeweils Werte von 1 bis 3 annehmen. Für ein quaderförmiges Objekt, welches beispielsweise um die Diagonale durch seine xy-Fläche rotiert, würde die Winkelgeschwindigkeit wie folgt aussehen: \vec = \omega \cdot \begin1\\1\\0\end Siehe auch: potenzielle Energie, kinetische Energie Kategorie:Mechanik ms:Tenaga kinetik sudut

Schwingung

Eine Schwingung (auch Oszillation) bezeichnet den Verlauf einer Zustandsänderung, bei der ein mechanisches oder nichtmechanisches System nach einer Störung/Auslenkung durch eine gegenläufige Wirkung wieder in den Ausgangszustand gebracht wird. Außer der zeitlichen Änderung der Auslenkung schwingen dabei auch andere Größen: Geschwindigkeit und Energie. Diese Zustandsänderung kann periodisch verlaufen; dann wird der Ausgangszustand periodisch wieder erreicht. Man kann es auch noch allgemeiner formulieren: Eine Schwingung ist eine Funktion, die eine physikalische Zustandsgröße in Abhängigkeit von der Zeit definiert. In diesem Zusammenhang können mechanische, elektrische oder auch hydraulische Zustandsgrößen betrachtet werden:
- Mechanische Zustandsgrößen: Elongation (Auslenkung), Schwinggeschwindigkeit, Schwingbeschleunigung, Drehwinkel, Winkelgeschwindigkeit, Winkelbeschleunigung, Kraft, Moment
- Elektrische Zustandsgrößen: Strom, Spannung, Leistung, Ladung, Induktivität, Kapazität, Widerstand
- Hydraulische Zustandsgrößen: Volumenstrom (Förderstrom), Druck, Geschwindigkeit, Massendichte, Fallhöhe (Förderhöhe) Im Rahmen der Anschauung wird hier die harmonische Schwingung als ein wichtiger Spezialfall betrachtet: Das Bild auf der rechten Seite zeigt eine ungedämpfte harmonische Schwingung mit der Elongation (Schwingweg) y(t), der Amplitude y_0 und der Periodendauer T. Die Elongation y(t) zu einem Zeitpunkt t gibt den momentanen, die Amplitude den maximal möglichen Wert der Größe y an. Die Periode (Physik) oder die Schwingungsdauer ist die Zeit, die verstreicht, während ein schwingungsfähiges System genau eine Schwingungsperiode durchläuft, d. h. nach der es sich wieder im selben Schwingungszustand befindet. Der Kehrwert der Periodendauer T ist die Frequenz f, also :T = \quad.
Eine weitere Bezeichnungsform der Frequenz ist \nu (sprich: "nü") und deren Einheit Hz. Eine Schwingung ist harmonisch, wenn die Rückstellgröße (z.B. die rückstellende Kraft) proportional zur Elongation (z.B. Auslenkung eines Pendels) ist. Hierbei spricht man auch von einem linearen System, da die rückstellende Kraft sich linear mit der Elongation ändert: Verdoppelt sich die Auslenkung, verdoppelt sich auch die rückstellende Kraft. Eine solche Schwingung lässt sich beschreiben durch : y(t)=y_0\cdot\cos(2\pi f t+\varphi_0) mit :y_0  = Amplitude und :\varphi_0  = Anfangsphase der Schwingung. Mit : \varphi (t) = 2 \pi f t+\varphi_0 wird die (Gesamt-)Phase bezeichnet, und f oder \nu ist die Frequenz der Schwingung. Das 2\pi fache der Frequenz, \omega = 2\pi \cdot f, ist die Kreisfrequenz der Schwingung.

Unterscheidungen

Man unterscheidet:
- gedämpfte und ungedämpfte Schwingungen,
- freie, erzwungene (oder fremderregte), selbsterregte und parametererregte Schwingungen,
- lineare und nichtlineare Schwingungen,
- Schwingungen mit einem Freiheitsgrad, mit endlich vielen Freiheitsgraden und mit unendlich vielen Freiheitsgraden (kontinuierliche Schwinger). Alle diese Eigenschaften können kombiniert sein.

Gedämpfte und ungedämpfte Schwingungen

Tatsächliche physikalische Systeme sind immer gedämpft, da sie, z. B. durch Reibung, immer Energie an die Umgebung abgeben. Überlässt man ein solches System sich selbst (freie Schwingung), so führt dies letztendlich zum „Stillstand“, wie aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik hervorgeht. Perpetua Mobilia sind also (schon wegen des Energieerhaltungssatzes) nicht möglich. Im Falle einer freien gedämpften Schwingung ist die Abnahme der Amplitude durch die Dämpfungsgröße bestimmt. In der Realität ist die Dämpfungskraft häufig proportional zur Geschwindigkeit (lineares System) (allgemein: zu \dot(t), der ersten zeitlichen Ableitung von y(t)). In diesem Fall nimmt die Amplitude exponentiell ab, d.h. die Einhüllende ist eine Exponentialkurve. Das Bild auf der rechten Seite zeigt den zeitlichen Verlauf einer solchen gedämpften Schwingung. Ein Beispiel für geschwindigkeitsproportionale Reibung ist die Reibung in einem Fluid (Flüssigkeit oder Gas), etwa ein Pendel mit Luftreibung. Eine solche Schwingung (Schwingfall) lässt sich beschreiben durch : y(t)=y_0\,e^\cos(2\pi f\, t+\varphi_0), wobei \delta die Dämpfung im geschwindigkeitsproportionalen Fall ist. Voraussetzung dafür ist, dass die Dämpfung einen kritischen Wert (kritische Dämpfung) nicht erreicht oder nicht überschreitet. Anderenfalls findet keine Schwingung im eigentlichen Sinne (Oszillation) statt, sondern das System kriecht in die Ruhelage zurück (Kriechfall). Die Grenze zwischen den beiden Fällen bildet der aperiodische Grenzfall.

Freie oder erzwungene Schwingungen

Freie Schwingungen führt ein schwingfähiger Körper aus, der nach einer Störung/Auslenkung sich selbst überlassen, oszillierend (oder im Falle der kritischen bzw. überkritischen Dämpfung kriechend) in den Gleichgewichtszustand zurückkehrt (s. oben). Die Frequenz der freien Schwingungen ist die Eigenfrequenz des Schwingers. Bei Schwingungen mit mehreren Freiheitsgraden gibt es entsprechend viele Eigenfrequenzen. Erzwungene Schwingungen führt ein Schwinger aus, der durch zeitveränderliche äußere Einwirkung zum Schwingen angeregt (gezwungen) wird. Praktisch bedeutsam sind vor allem periodische Erregungen und darunter die harmonische, sinusförmige Erregung. Die Frequenz der periodischen Erregung wird als Erregerfrequenz bezeichnet. Es gibt auch mehrfrequente Erregungen. Aber auch Erregungen durch Zufallsprozesse (stochastische Schwingungen) werden untersucht. Im Falle der harmonischen Erregung führt ein lineares System i.allg. 2 Schwingungen gleichzeitig aus:
- die freie Schwingung (mit der Eigenfrequenz bzw. mehreren Eigenfrequenzen), deren Größe von den Anfangsbedingungen abhängt und die durch die stets vorhandene Dämpfung während der Einschwingzeit abklingt und
- die erzwungene Schwingung im engeren Sinn mit der/den Erregerfrequenz(en), deren Amplitude(n) konstant ist (sind) und durch die Stärke der Erregung, das Verhältnis zwischen der Erregerfrequenz (oder einer der Erregerfrequenzen) und der Eigenfrequenz (oder einer der Eigenfrequenzen) sowie die Dämpfung des Schwingungssystems bestimmt wird. In der Technischen Mechanik sind die wichtigste Erregungsmechanismen die Wegerregung, die Krafterregung und die Unwuchterregung. Die Amplitude der erzwungenen Schwingung nimmt im Falle der Resonanz ein Maximum an. Bei fehlender Dämpfung und Gleichheit von (einer) Erregerfrequenz und (einer) Eigenfrequenz wird die Amplitude unendlich. Mit wachsendem Dämpfungswert verschiebt sich die Resonanzstelle geringfügig und die Resonanzamplitude nimmt ab.

Selbsterregte Schwingungen

Schwingungssysteme, bei denen eine Energiezufuhr durch den Schwingungsvorgang selbst gesteuert wird, führen selbsterregte Schwingungen aus. In den Differentialgleichungen wirkt sich diese Erscheinung so aus, dass der Dämpfungswert negativ wird. Ein typisches Beispiel sind die Schwingungen der Saiten einer Violine. Diese werden dadurch verursacht, dass die Haftreibung zwischen Bogen und Saite größer ist als die Gleitreibung und die Gleitreibung mit wachsender Differenzgeschwindigkeit noch abnimmt. Ein weiteres Beispiel ist das Tönen von Gläsern durch Reiben des Randes. Selbsterregte Schwingungen sind praktisch immer nichtlinear, anderenfalls würden - wenn die Erregung zeitlich unbegrenzt wirkt - die Amplituden exponentiell anwachsen und zur Zerstörung des Schwingungssystems führen .

Parametererregte Schwingungen

Eine parametererregte Schwingung tritt dann auf, wenn sich Parameter des Schwingungssystems (Trägheitsgrößen, Dämpfungswerte oder Federkonstanten) periodisch ändern. So können z. B. bei Dampflokomotiven parametererregte Schwingungen zwischen den Treibachsen auftreten, weil sich die Steifheit der Verbindung durch die Koppelstangen mit der Radstellung ändert.

Lineare und nichtlineare Schwingungen

Lineare Schwingungen sind dadurch gekennzeichnet, dass in den Differentialgleichungen des Schwingungssystems alle Abhängigkeiten von der schwingenden Größe und ihren zeitlichen Ableitungen linear sind. Bei nichtlinearen Schwingungen ist das nicht der Fall. Nichtlineare freie Schwingungen und nichtlineare erzwungene Schwingungen mit harmonischer Erregung sind nicht mehr streng sinusförmig, sondern enthalten höhere Harmonische. Von größerer praktischer Bedeutung ist jedoch, dass sich auch das Resonanzverhalten erzwungener Schwingungen ändert und die Amplituden selbsterregter Schwingungen beschränkt bleiben.

Schwingungen mit einem Freiheitsgrad oder mit endlich vielen Freiheitsgraden

Schwingungen mit einem Freiheitsgrad sind solche, die sich mit einer schwingenden Größe vollständig beschreiben lassen. Ein Beispiel dafür sind Schwingungen des ebenen Fadenpendels. Lässt man beim Pendel räumliche Bewegungen zu, so handelt es sich bereits um einen Schwinger mit zwei Freiheitsgraden. Wenn ein mechanisches Schwingungssystem mehrere Massen hat, deren Bewegung durch mindestens je eine Koordinate beschrieben werden muss, führt dieses ebenfalls Schwingungen mit mehreren Freiheitsgraden aus. Das gilt z. B. für die Torsionsschwingungen einer Kurbelwelle oder für die Horizontalschwingungen eines mehrgeschossigen Bauwerkes unter Erdbebeneinfluss. Das Schwingungsverhalten eines Schwingers mit n Freiheitsgraden kann durch n Differentialgleichungen zweiter Ordnung beschrieben werden. Diese sind in der Regel über die schwingenden Größen, ihre ersten oder/und zweiten Ableitungen gekoppelt. Bei linearen Schwingungssystemen kann durch Einführung sog. Hauptkoordinaten mittels einer Koordinatentransformation eine Entkopplung der Differentialgleichungen bei den Koordinaten (Weggrößen) und ihren zweiten Ableitungen (Beschleunigungsgrößen) erreicht werden. In den meisten Fällen begeht man keinen großen Fehler, wenn man dann auch die Wirkung der ersten Ableitungen (Dämpfungsgrößen) als entkoppelt ansetzt. Aus den entkoppelten Differentialgleichungen bestimmt man die Eigenfrequenzen des Systems. Nach der Lösung der Differentialgleichungen kann die Zeitabhängigkeit der ursprünglichen Koordinaten dann durch Rücktransformation ermittelt werden. Bei nichtlinearen Schwingungssystemen ist eine Entkopplung der Differentialgleichungen in geschlossener Form nicht möglich. Es existieren jedoch Näherungsverfahren, die ausgehend von einer Linearisierung der Differentialgleichungen eine iterative Lösung ermöglichen.

Schwingungen mit unendlich vielen Freiheitsgraden

Unendlich viele Freiheitsgrade und damit unendlich viele Eigenfrequenzen haben Schwingungen der Kontinua, von praktischem Interesse sind in der Technik vor allem die Schwingungen von Saiten, Stäben, Platten und Schalen.

Weitere Beispiele

Typische Alltagsbeispiele für Schwingungen sind einfache Fadenpendel, die Schwingung des Quarzkristalls in der Quarzuhr, das Schaukeln auf einer Schaukel, uvm. Doch auch die Atome in einem Kristallgitter schwingen um eine Gleichgewichtslage. Aber auch die Änderung der Jahreszeiten, die Drehung der Erde, der Herzschlag oder die Bewegung der Blätter im Wind sind genaugenommen Schwingungen. Hier gibt es überall zeitliche Änderungen von Zustandsgrößen. Eine Schwingung des Fadenpendels beginnt damit, dass einem sich im Gleichgewicht befindlichen Körper eine Energie zugeführt wird (z.B. durch Auslenkung der Pendelmasse eines Fadenpendels, d.h. Zuführung von potentieller Energie). Im Prinzip kann dem Pendel auch eine Anfangsgeschwindigkeit (kinetische Energie) zugeführt werden. Die sog. rücktreibende Kraft ist hier die Schwerkraft, die das Pendel nach unten zieht. Wieder in der anfänglichen Gleichgewichtslage angekommen, ist die gesamte zugeführte potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt, das Pendel bewegt sich durch die Gleichgewichtslage hindurch und erreicht im Idealfall nichtvorhandener Reibung wieder dieselbe Höhe. Gleichgewicht stellt sich dann ein, wenn das System seine potentielle Energie minimiert hat. Das Fadenpendel führt nur im Grenzfall sehr kleiner Amplituden eine harmonische Schwingung aus. Werden die Auslenkungen größer, so wird die rückstellende Kraft nicht proportional zur Auslenkung wachsen. Dieses ist also ein Beispiel für ein nichtlineares System, welches sich für kleine Auslenkungen aber annähernd wie ein lineares System verhält. Schwingungen können jedoch auch gleichzeitig von mehreren Kräften beeinflusst werden, oder ein Körper kann mehrere Schwingungen gleichzeitig, d. h. überlagert, ausführen. Man kann jede beliebige Bewegung eines Körpers im Raum in voneinander unabhängige Bewegungsrichtungen zerlegen. Das heißt, ein Körper kann in die drei Raumrichtungen (sie stehen senkrecht zueinander) bewegt werden, und sich noch um drei gedachte Bewegungsachsen (sie stehen ebenfalls aufeinander senkrecht) drehen. Somit hat jeder starre Körper im Raum sechs Bewegungsfreiheitsgrade. Die entstehenden Überlagerungsfiguren werden nach ihrem Entdecker Lissajous-Schleifen genannt.

Weblinks


- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-periodendauer.htm Umrechnung von Schwingungsdauer oder Periodendauer T in Frequenz f und zurück] Kategorie:Wellenlehre Kategorie:Technische Mechanik ja:振動 ko:진동

Chemie

Die Chemie (von arabisch al-kimiya' ) ist die Lehre vom Aufbau, Verhalten und der Umwandlung der chemischen Elemente und ihren Verbindungen sowie den dabei geltenden Gesetzmäßigkeiten. Die Chemie entstand in ihrer heutigen Form als exakte Naturwissenschaft im 17. und 18. Jahrhundert allmählich aus der Anwendung rationalen Schlußfolgerns auf Beobachtungen und Experimente der Alchemie. Einige der ersten großen Chemiker waren Robert Boyle, Humphry Davy, Jöns Jacob Berzelius, Joseph Louis Gay-Lussac, Joseph-Louis Proust, Marie und Antoine Lavoisier und Justus von Liebig. Justus von Liebig

Was ist Chemie?

Definition

Die Chemie ist die Wissenschaft, die sich mit Stoffen (Substanzen), deren Umsetzung(en) (chemischen Reaktionen), sowie der Darstellung (Synthese), der Bestimmung und der Anwendung dieser Stoffe (bzw. deren Eigenschaften) beschäftigt. Da die für die Chemie relevanten Eigenschaften der Atome fast ausschließlich in ihrer elektronischen Struktur (Elektronenhülle) begründet liegen, können grundlegende Aufgabengebiete der Chemie auch als „Physik der äußeren Elektronenhülle“ betrachtet werden. Der Atomkern hat praktisch keinen Einfluss auf chemische Prozesse. Untersuchungen zum Aufbau von Atomkernen fallen nicht in den Bereich der Chemie, sondern sind Bestandteil der Kernphysik.

Stoff und Stoffumsetzung

Die chemisch kleinsten Grundbausteine, aus denen alle uns umgebenden Materialien bestehen, sind die Elemente, welche sich zu chemischen Verbindungen zusammenschließen. Eine Stoffumsetzung nennt man chemische Reaktion; sie steht im Zentrum der Chemie. In einer chemischen Reaktion kommt es niemals zu Elementumwandlungen, was die Chemie als Naturwissenschaft grundsätzlich von der mittelalterlichen Vorstellung der Alchemie abgrenzt. Elementumwandlungen sind rein physikalische Prozesse (z.B. radioaktiver Zerfall).

Atom und Molekül

Alchemieen umkreisen einen Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen]] Atome sind für den Chemiker die Grundbausteine der Materie, da sie sich chemisch nicht in kleinere Einheiten spalten lassen. Ein chemisches Element besteht aus Atomen mit einer bestimmten Anzahl an Protonen im Kern. Chemische Elemente können dennoch aus verschiedenen Atomen (Isotope) bestehen, die sich in der Anzahl an Neutronen im Kern unterscheiden. Verschiedene Isotope zeigen gleiches chemisches, aber unterschiedliches physikalisches Verhalten (z.B. Siedepunkt, Schmelzpunkt). Die chemischen Elemente können in mannigfaltiger Weise chemische Bindungen untereinander eingehen. Dann spricht man von einer chemischen Verbindung. Je nach Polarität der Bindung zwischen den Elementen unterscheidet man unpolare kovalente Bindungen, polare kovalente Bindungen und ionische Bindungen, in denen mindestens ein Elektron der miteinander eine chemische Verbindung eingehenden Elemente oder Moleküle ganz bei einem Bindungspartner lokalisiert ist. Verbindungen, in denen die Elemente kovalent miteinander gebunden sind nennt man Moleküle. Verbindungen, die ionisch aufgebaut sind, nennt man Salze. Von Molekülionen spricht man, wenn elektrisch geladene Moleküle vorliegen. Des weiteren spricht man von einer metallischen Bindung, wenn die äußeren Elektronen, die für eine chemische Bindung zur Verfügung stehen, zwischen den Atomen delokalisiert und frei beweglich sind. Die chemischen Elemente selbst liegen als Metalle, als Moleküle (z.B. die zweiatomigen Gase der 2. Periode: O2, N2, F2) oder als Atome (ausschließlich die Edelgase: He, Ne, Ar, Kr, Xe und Rn) vor. Die Art und Weise, wie sich die Atome eines Elementes verbinden, kann dabei immer noch unterschiedlich sein und zu so unterschiedlichen Substanzen wie Graphit und Diamant führen, beides Modifikationen elementaren Kohlenstoffs. Auch kann ein Element als eine metallische und als eine Modifikation mit kovalenten Bindungen vorliegen, z.B. Zinn. Für die chemischen Eigenschaften einer Verbindung ist es jedoch nicht nur entscheidend, welche Atome sie enthält, sondern wie diese miteinander verbunden sind (siehe Chemische Bindung). Bei bestimmten chemischen Verbindungen, vor allem bei Proteinen, sind nicht nur die Bindungen zwischen den Atomen maßgeblich für die chemischen Eigenschaften sondern auch die räumliche Ausrichtung dieser Bindungen. Die Herausforderung bei der chemischen Synthese besteht in der Regel darin, selektiv Bindungen zwischen einzelnen Atomen der Reaktandmoleküle zu lösen und/oder zu knüpfen, um dadurch eine gewünschte Substanz (Reaktionsprodukt) herzustellen.

Bedeutung der Chemie

Geschichte der Chemie

Hauptartikel: Geschichte der Chemie Die Chemie entwickelte sich aus der Alchemie, die in China, Europa und Indien schon seit Jahrtausenden praktiziert wurde. Alchemie war die Untersuchung von Materie, wobei die Vorstellungswelt der Alchemisten nicht auf wissenschaftlichen Untersuchungen basierte, sondern auf Erfahrungstatsachen und empirischen Rezepten. Das Ziel ihrer Untersuchungen war eine Substanz mit dem Namen Stein der Weisen, die Stoffe wie Blei in Gold verwandeln sollte. Alchemisten führten eine große Auswahl Experimente mit vielen Substanzen durch, um diesen Stoff zu finden. Sie notierten ihre Entdeckungen und verwendeten für ihre Aufzeichnungen die gleichen Symbole, wie sie auch in der Astrologie üblich waren. Die mysteriöse Art ihrer Tätigkeit und die dabei fabrizierten farbigen Flammen, Rauch oder Explosionen führten dazu, dass sie als Magier und Hexer bekannt und teilweise verfolgt wurden. Für ihre Experimente entwickelten die Alchemisten die gleichen Apparaturen, wie sie heute noch in der chemischen Verfahrenstechnik verwendet werden. Ein bekannter Alchemiker war Albertus Magnus. Er befasste sich als Kleriker mit diesem Themenkomplex und fand bei seinen Experimenten ein neues chemisches Element, das Arsen. Kein Alchemiker hat allerdings je den Stein der Weisen entdeckt und im 17. Jahrhundert wurde die alchemistische Arbeitsweise durch wissenschaftliche Methodik ersetzt. Einiges vom Wissen der Alchemisten wurde von den ersten Chemikern verwendet, die ihre Arbeit auf logische Schlussfolgerungen ihrer Beobachtungen gründeten und nicht auf der Idee, beispielsweise Blei in Gold zu verwandeln. wissenschaft Entscheidende Impulse erhielt die Chemie als Wissenschaft im 19. Jahrhundert. Die Arbeiten von Justus von Liebig über die Wirkungsweise von Dünger begründeten die Agrarchemie und lieferten wichtige Erkenntnisse über die anorganische Chemie. Die Suche nach einem synthetischen Ersatz für den Farbstoff Indigo zum Färben von Textilien waren der Auslöser für die bahnbrechenden Entwicklungen der organischen Chemie und der Pharmazie. Auf beiden Gebieten hatte man in Deutschland bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts eine absolute Vorrangstellung. Dieser Wissensvorsprung ermöglichte es beispielsweise, den zur Führung des ersten Weltkrieges notwendigen Sprengstoff statt aus importierten Nitraten mit Hilfe der Katalyse aus dem Stickstoff der Luft zu gewinnen (siehe Haber-Bosch-Verfahren). Die Autonomiebestrebungen der Nationalsozialisten gaben der Chemie als Wissenschaft weitere Impulse. Um von den Importen von Erdöl unabhängig zu werden, wurden Verfahren zur Verflüssigung von Steinkohle entwickelt (Fischer-Tropsch-Synthese). Ein weiteres Beispiel war die Entwicklung von synthetischem Kautschuk für die Herstellung von Fahrzeugreifen. In der heutigen Zeit ist die Chemie ein wichtiger Bestandteil der Lebenskultur geworden. Chemische Produkte umgeben uns überall, ohne dass wir uns dessen bewusst sind. Allerdings haben Unfälle der chemischen Großindustrie wie beispielsweise die von Seveso und Bhopal der Chemie ein sehr negatives Image verschafft, so dass Slogans wie "Weg von der Chemie!" sehr populär werden konnten. Die Forschung entwickelte sich um die Wende zum 20. Jahrhundert soweit, dass vertiefende Studien des Atombaus nicht mehr zum Bereich der Chemie gehören, sondern zur Atomphysik bzw. Kernphysik. Diese Forschungen lieferten dennoch wichtige Erkenntnisse über das Wesen der chemischen Stoffwandlung und der chemischen Bindung. Weitere wichtige Impulse gingen dabei auch von Entdeckungen in der Quantenphysik aus (Elektronen-Orbitalmodell).

Chemie im Alltag

Chemische Reaktionen im Alltag finden zum Beispiel beim Kochen, Backen oder Braten statt, wobei oft gerade die hier ablaufenden, recht komplexen Stoffumwandlungen zum typischen Aroma der Speise beitragen. Weiterhin wird Nahrung chemisch zerlegt und mit körpereigenen Abbauvorgängen in Bestandteile und auch Energie umgewandelt (Biochemie). Eine gut beobachtbare chemische Reaktion ist die Verbrennung. Haarfärbung, Verbrennungsmotoren, Handy-Displays, Waschmittel, Dünger, Arzneimittel u.v.m. sind weitere Beispiele für Anwendungen der Chemie im alltäglichen Leben. Im Alltag wird der Begriff 'Chemie' oft in einem eingeschränkten Sinn als Abkürzung für 'Produkt der chemischen Industrie' verwendet, zum Beispiel bei der 'Chemischen Reinigung': Diese reinigt Textilien mit (synthetischen) Lösungsmitteln. Der Reinigungsvorgang selbst ist in der Regel ein Lösen der Verunreinigung (beispielsweise eines Fettflecks) im Lösungsmittel und damit kein chemischer Prozess (Stoffumwandlung) im eigentlichen Sinne, sondern ein physikalischer Vorgang (Lösen)! Im Gegensatz dazu ist das manchmal als 'Putzen ohne Chemie' gepriesene Auflösen von Kalkflecken mit Essig oder Zitronensaft sehr wohl ein chemischer Vorgang, da dabei festes Calciumcarbonat (Kalk) durch die Säuren zu löslichem Hydrogencarbonat bzw. Kohlenstoffdioxid umgesetzt wird.

Chemie als Wissenschaft

Die Chemie befasst sich mit den Eigenschaften der Elemente und Verbindungen, mit den möglichen Umwandlungen eines Stoffes in einen anderen, macht Vorhersagen über die Eigenschaften für bislang unbekannte Verbindungen, liefert Methoden zur Synthese neuer Verbindungen und Messmethoden um die chemische Zusammensetzung unbekannter Proben zu entschlüsseln. Obwohl alle Stoffe aus vergleichsweise wenigen "Bausteinsorten", nämlich aus etwa 80 bis 100 der 118 bekannten Elemente aufgebaut sind, führen die unterschiedlichen Kombinationen und Anordnungen der Elemente zu einigen Millionen sehr unterschiedlichen Verbindungen, die wiederum so unterschiedliche Materieformen wie Wasser, Sand, Pflanzen- und Tiergewebe aufbauen. Die Art der Zusammensetzung bestimmt schließlich die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Stoffe und macht damit die Chemie zu einer recht umfangreichen Wissenschaft.
Wie in allen Naturwissenschaften ist auch in der Chemie das Experiment die tragende Säule. An ihm werden Theorie über die Art der Umwandlung eines Stoffes in einen anderen Stoff entworfen, überprüft, erweitert und wenn nötig auch verworfen. Fortschritte in den verschiedenen Teilgebieten der Chemie sind oftmals die unabdingbare Voraussetzung für neue Erkenntnisse in anderen Disziplinen, besonders in den Bereichen Biologie und Medizin, aber auch im Bereich der Physik (zum Beispiel Herstellung neuer Supraleiter). An der Schnittstelle zwischen Chemie und Biologie hat sich als weites Fachgebiet die Biochemie etabliert, die für das Verständnis der Lebensvorgänge, die untrennbar mit Stoffumsätzen verbunden sind, unentbehrlich ist. Dieser Sachverhalt wird manchmal mit dem Satz "Alles Leben ist Chemie" zum Ausdruck gebracht, da die meisten 'greifbaren' und messbaren Vorgänge im lebenden Organismen auf chemischen Reaktionen beruhen. Für die Medizin ist die Chemie bei der Suche nach neuen Medikamenten und bei der Herstellung von Arzneimitteln unentbehrlich. Die Ingenieurwissenschaften suchen häufig je nach Anwendung nach maßgeschneiderten Materialien (leichte Materialien im Flugzeugbau, beständige und belastbare Baustoffe, hochreine Halbleiter...). Hier hat sich als Schnittstelle zwischen Chemie und den Ingenieurswissenschaften die Materialwissenschaft entwickelt.

Wirtschaftliche Bedeutung der Chemie

Die chemische Industrie ist - gerade auch in Deutschland - ein sehr bedeutender Wirtschaftszweig: In Deutschland liegt der Umsatz der Chemieindustrie bei über 100 Milliarden Euro, die Zahl der Beschäftigten lag nach der Wiedervereinigung Deutschlands bei über 700 000 und ist jetzt unter 500 000 gesunken. Sie stellt einmal Grundchemikalien wie beispielsweise Schwefelsäure oder Ammoniak her - oft im Maßstab von Millionen von Tonnen jährlich -, die sie dann zum Beispiel zur Produktion von Düngemitteln und Kunststoffen verwendet. Andererseits produziert sie viele komplexe Stoffe, insbesondere Medikamente, maßgeschneidert für spezielle Zwecke. Auch die Herstellung von Computern, Kraft- und Schmierstoffen für die Automobilindustrie und vielen anderen technischen Produkten ist ohne industriell hergestellte Chemikalien unmöglich.

Ansehen der Chemie

Die Chemie hat in der Öffentlichkeit - auch aufgrund von Chemiekatastrophen und Umweltskandalen - ein relativ schlechtes Ansehen. Viele Fachleute empfinden dies angesichts des Nutzens und der allgemeinen Bedeutung der Chemie und bezogen auf die heutige Situation in Europa für nicht gerechtfertigt, weil hier unter anderem durch eine ziemlich strikte Gesetzgebung (Chemikaliengesetz, Gefahrstoffverordnung) eine vergleichsweise sichere Handhabung von Chemikalien gewährleistet ist. Um dem entgegenzuwirken, wurde das Jahr 2003 von verschiedenen Trägerorganisationen zum "Jahr der Chemie" ([http://www.jahr-der-chemie.de Netseite]) erklärt.

Fachrichtungen

Üblicherweise wird die Chemie in drei große Bereiche eingeteilt.
- Anorganische Chemie (Chemie der Elemente und der Verbindungen ohne Kohlenstoffkette)
- Organische Chemie (Chemie der Kohlenstoffverbindungen)
- Physikalische Chemie (Anwendung mathematisch-physikalischer Methoden auf chemische Problemstellungen) Die traditionelle aber auch etwas willkürliche Unterscheidung zwischen anorganischer und organischer Chemie wird auch heute noch beibehalten. Ein Grund besteht darin, dass die organische Chemie stark vom Molekül bestimmt wird, die anorganische Chemie oft von Ionen, Kristallen, Komplexverbindungen und Kolloiden. Ein Gebiet, in dem sich die beiden Fachbereiche stark überlappen, ist die Organometallchemie. Die Physikalische Chemie unterscheidet sich von Anorganik und Organik nicht durch das Untersuchungsobjekt, sondern dadurch, dass hier versucht wird, selbiges mittels physikalischer Modelle zu beschreiben. Neben diesen drei großen Bereichen gibt es noch eine ganze Reihe weiterer Fachgebiete, die oft in einem Grenzbereich zu einer anderen Wissenschaft angesiedelt sind.
- Die Allgemeine Chemie befasst sich mit den Grundlagen der Chemie
- Die Technische Chemie beschäftigt sich mit der Umsetzung von chemischen Reaktionen im Labormaßstab auf großmaßstäbliche Industrieproduktion.
- Die in lebenden Organismen vorkommenden und umgesetzten Stoffe sind Thema der Biochemie
- Die für lebende Organismen schädlichen Substanzen werden in der Toxikologie behandelt
- Die Kernchemie, auch Radiochemie genannt, behandelt die Eigenschaften und Umsetzungen radioaktiver Stoffe
- Die Theoretische Chemie versucht durch Rechnung und/oder Computersimulation Eigenschaften von Stoffen vorherzusagen und physikalische Modelle zu entwickeln.
- Die Makromolekulare Chemie befasst sich mit Polymeren
- Die Chemie im Weltall wird von der Kosmochemie behandelt
- Das Hauptziel der Computerchemie ist es, Software zu erstellen und anzuwenden, um Eigenschaften von Molekülen zu berechnen.
- Die Geochemie beschäftigt sich mit dem stofflichen Aufbau der Erde
- ... Eine weitere Möglichkeit ist es, die Chemie nach der Zielrichtung in die untersuchende, 'zerlegende' Analytische Chemie und in die aufbauende, produktorientierte Präparative- oder Synthetische Chemie aufzuspalten. In der Lehrpraxis der Universitäten ist die Analytische Chemie oft als Unterrichtsfach vertreten, während die Synthetische Chemie im Rahmen der organischen oder anorganischen Chemie behandelt wird.

Chemie in der Wikipedia

Das Wikipedia-Chemie-Portal

Allgemeine Chemie

:Chemische Grundbegriffe :Elemente (alphabetisch) :Periodensystem der chemischen Elemente :Atommodell :Substanzen :Chemische Reaktionen :Verbindungen :Chemikalienliste :Liste der Säuren :Liste der Laborgeräte :chemische Gefahrenzeichen :Liste der Liganden-Abkürzungen

Anorganische Chemie

:Metalle :Nichtmetalle :Festkörperchemie :Komplexchemie

Organische Chemie

:Namensreaktionen :Nomenklatur :Kunststoffchemie :Naturstoffchemie :Petrochemie :Stereochemie

Physikalische Chemie

:Thermodynamik :Kinetik :Quantenmechanik :Elektrochemie :Kristallographie :Molekülspektroskopie

Biochemie

:Genetik :Biotechnologie :Medizinische Chemie :Pharmazeutische Chemie

Theoretische Chemie

:Quantenmechanik :Quantenchemie :Thermodynamik :Statistische Mechanik

Analytische Chemie

:Qualitative Analyse :Quantitative Analyse :Anorganische analytische Chemie :Organische analytische Chemie :Lebensmittelchemie :Mikrochemie und Spurenanalyse :Klinische Chemie (vgl. Labormedizin) und Toxikologie :Chemometrik :Chromatographische Analysenverfahren :Spektroskopische Analysenverfahren

Technische Chemie

:Chemische Verfahrenstechnik :Chemische Reaktionstechnik

Spezielle Chemie

:Bioanorganische Chemie :Geochemie :Kosmochemie :Lebensmittelchemie :Metallorganische Chemie (oder Organometallchemie) :Umweltchemie :Wasserchemie

Chemische Grundbegriffe


- Chemische Grundbegriffe

Chemischer Formalismus


- chemischer Formalismus

Berühmte Chemiker


- Bedeutende Chemiker (chronologisch) (nach Geburtsdatum geordnet)
- Bedeutende Chemiker (alphabetisch)
- Bedeutende Chemiker (Kategorien) (nach den Fachgebieten geordnet, dort alphabetisch)
- Liste der Nobelpreisträger für Chemie, Nobelpreisträger

Literatur


- Eine Zusammenstellung von ausgewählten Beiträgen aus Spekturm der Wissenschaft: Digest: Moderne Chemie. Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg, Juni 1995,
- Pedro Cintas: Der Weg zu chemischen Namen und Eponymen: Entdeckung, Priorität und Würdigung. Angewandte Chemie 116(44), S. 6012 - 6018 (2004),
- Joachim Kranz; Manfred Kuballa: Chemie im Alltag, Berlin, 2003, 3-589-21692-1

Weblinks


- [http://dc2.uni-bielefeld.de Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie]
- [http://www.versuchschemie.de Chemieforum und Experimente]
- [http://www.chemikalien.de Portal mit Forum zur Chemie]
- [http://www.chemie-lk.de Chemie-Portal mit Forum für den Chemie-Leistungskurs]
- [http://www.TOMCHEMIE.de Chemie-Portal mit Forum und einem Chemiechat, Tomchemie]
- [http://www.chemie.de Deutsches Chemie-Portal]
- [http://www.Netchemie.de Netchemie - Chemie für Schule Studium und Alltag: Lexika, Versuche, Software und Forum]
- [http://www.cci.ethz.ch/de/start.html Chemische Experimente auf dem WEB] - Ziel dieses Angebotes der ETHZ ist es, den Studierenden und Dozierenden auf Video aufgezeichnete Experimente jederzeit bereitzustellen
- [http://www.experimentalchemie.de Experimentalchemie.de] - Chemische Experimente für Unterricht und zu Showzwecken ---- ! als:Chemie ja:化学 ko:화학 ms:Kimia simple:Chemistry th:เคมี

Kernphysik

Die Kernphysik ist der Teilbereich der Physik, der sich mit dem Aufbau und dem Verhalten von Atomkernen beschäftigt. Die Kernphysik kann sowohl theoretisch als auch experimentell betrieben werden. Neben der Kernstruktur, also dem Aufbau der Atomkerne, sind auch Kernreaktionen Gegenstand der Untersuchungen. Typische Größenordnungen im Bereich der Kernmaterie sind
- Längen: 1 Fermi = 1 fm = 10^ m
- Energie: 100 keV bis 100 MeV Bei der Beschreibung von Kernreaktionen ist der Begriff des Wirkungsquerschnitts von Bedeutung. Der Wirkungsquerschnitt misst die Wahrscheinlichkeit für die Reaktion beim Einfall von Teilchen auf Materie. Dabei können Streuvorgänge von Elementarteilchen an Atomkernen oder an andere Elementarteilchen ausgelöst werden. Die Bausteine der Kerne sind die Nukleonen: Neutronen und Protonen. Die Anzahl Z der Protonen in einem Kern ist gleich der Anzahl der Elektronen im neutralen Atom. Z bestimmt die chemischen Eigenschaften der Atome und heißt deshalb Ordnungszahl (oder bezogen auf den Atomkern auch Kernladungszahl). Die Masse des Atomkerns wird durch die Anzahl A aller Nukleonen bestimmt und wird deshalb auch Massenzahl genannt. Wie man sehen kann, ist die Neutronenzahl N = A - Z. Atome mit der gleichen Ordnungszahl und unterschiedlicher Massenzahl werden Isotope genannt, da sie sich chemisch gleich verhalten. Die physikalischen Eigenschaften des Kerns dagegen sind sowohl von der Ordnungszahl als auch von der Neutronenzahl beeinflußt. Näheres siehe unter dem Hauptartikel Atomkern.

Geschichte

Antoine Henri Becquerel, Pierre Curie und Marie Curie erhielten für ihre Versuche zur Radioaktivität, die man als den historischen Beginn der modernen Kernforschung bezeichnen könnte, 1903 den Nobelpreis in Physik. Radioaktivität ist immer mit einer Kernumwandlung verbunden, so dass sich Stoffe beim Zerfall in andere Stoffe umwandeln. Dies wurde von Ernest Rutherford entdeckt, wofür er 1908 den Nobelpreis in Chemie erhielt. Der Rutherfordsche Streuversuch, bei dem Alpha-Teilchen an Goldfolie gestreut werden, von Hans Geiger, Ernest Marsden und Ernest Rutherford im Jahr 1909 markiert einen Wendepunkt in der modernen Vorstellung vom Aufbau der Atome. Aus den Rutherfordschen Interpretationen der Ergebnisse war die Idee vom Atomkern geboren. Im Kern ist fast die gesamte Masse des Atoms vereinigt, jedoch nimmt er einen ausgesprochen kleinen Volumenanteil des Atoms ein. Die Kenntnis der Bindungsenergie der Atomkerne, halb-empirisch zuerst in der Bethe-Weizsäcker-Formel formuliert, zählt zu den großen Fortschritten in der Geschichte der Kernphysik. Otto Hahn und Lise Meitner entdeckten 1938, dass unter Bestrahlung mit Neutronen Urankerne gespalten werden. Später wurde nachgewiesen, dass bei diesem Prozess Energie und weitere Neutronen freigesetzt werden, wodurch eine Kettenreaktion möglich wurde. In Los Alamos forschten unter der Regie von Robert Oppenheimer die Physiker Enrico Fermi, Hans Bethe, Edward Teller, Felix Bloch, um nur die bekanntesten zu nennen. In Deutschland forschten unter anderem Carl Friedrich von Weizsäcker und Werner Heisenberg an der Weiterentwicklung eines Reaktors zunächst in Berlin und später in Haigerloch mit dem umstrittenen Fernziel einer militärischen Nutzung der Forschungsergebnisse. Die Erkenntnisse der Kernspaltung fanden von Beginn an auch eine zivile Nutzung in der Energiegewinnung aus den Kernreaktoren (auch Atomreaktor genannt). Kaum ein Gebiet der Physik hat durch seine Ambivalenz der friedlichen als auch zerstörerischen Nutzung die öffentliche Diskussion mehr angeheizt: für Fortschrittskritiker war die Kernphysik die Büchse der Pandora, für Fortschrittsgläubige eine der wichtigsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts. Man kann sicher zurecht sagen, dass die Kernphysik der Auslöser einer neue Wissenschaftsethik war (Hans Jonas, Carl Friedrich von Weizsäcker). Die politische Auseinandersetzung um den vernünftigen und verantwortbaren Umgang mit der Kernenergie findet bis heute in der Auseinandersetzung um den Kernenergieausstieg Deutschlands statt. Da Protonen sich aufgrund ihrer positiven elektrischen Ladung abstoßen, benötigt man ein neues Konzept für die Stabilität von Kernen. Die Kraft, die den Kern zusammenhält, nennt man starke Wechselwirkung. Die Wechselwirkung, die für \beta-Zerfälle verantwortlich ist, heißt schwache Wechselwirkung. Da die Atomkerne subatomar klein sind, unterliegen sie den Gesetzen der Quantenphysik. Die einzelnen Zerfallarten werden im Artikel Kernchemie behandelt Zur Kernphysik gehören unter anderem die Themenbereiche Radioaktivität, Kernfusion und Kernspaltung.

Siehe auch


- Portal:Physik
- Mößbauer-Effekt
- Atomphysik

Weblinks


- http://cdsweb.cern.ch/ Dokumentenserver zur Kernphysik mit 360 000 Volltextdokumenten und 800 000 Einträgen
- [http://www.nndc.bnl.gov/index.jsp National Nuclear Data Center (engl.)] umfangreiche Homepage des Brookhaven National Laboratory zu verschiedensten Aspekten der Kernphysik (besonders interessant: die "Nuclear Wallet Cards")
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/materialseiten/m11_kerne.htm Versuche und Aufgaben zur Kernphysik]
- http://atom.kaeri.re.kr/ton/index.html sehr umfangreiche Nuklidkarte mit Zerfallsarten, Massen, Bindungsenergien und anderen charakteristischen Werte für alle bekannten Nuklide kategorie:Kernphysik ko:핵물리학 ja:原子核物理学

Magnetismus

Magnetismus ist ein fundamentales physikalisches Phänomen, das sich als anziehende und abstoßende Kraft zwischen Magneten, magnetisierbaren Gegenständen und stromdurchflossenen Leitern äußert. Alle Erscheinungsformen von Magnetismus können letztlich auf die Bewegung von elektrischen Ladungen oder den Spin von Elementarteilchen zurückgeführt werden. Der Magnetismus gehört zum Elektromagnetismus, welche eine der vier Grundkräfte der Physik ist. :Dieser Artikel erklärt derzeit (per Weiterleitung) auch die Begriffe Magnetfeld, Magnetisierung. Ergänzende Informationen finden sich im Artikel Magnet. Der Elektromagnetismus wird derzeit im Artikel Elektrodynamik abgehandelt.

Überblick

Magnetismus als fundamentale Naturkraft

Magnetismus ist zu unterscheiden von anderen Naturkräften wie der Massenanziehung (Gravitation) und der Anziehung oder Abstoßung zwischen elektrisch geladenen Körpern (Elektrostatik). Während die Gravitation zwischen allen (massebehafteten) Körpern und die elektrische Anziehung oder Abstoßung zwischen allen geladenen Körpern wirkt, ist der Magnetismus in der Hauptsache auf einige wenige Materialien, wie insbesondere Eisen, Kobalt und Nickel, beschränkt (Ferromagnetismus); der schwache Magnetismus der meisten übrigen Materialien (Diamagnetismus, Paramagnetismus) ist nur mit empfindlichen Messgeräten nachweisbar. Neben dem statischen Magnetismus aufgrund von Materialeigenschaften gibt es auch die dynamischen magnetischen Effekte (Elektrodynamik) im (Induktionsfeld) oder (Nahfeld) stromdurchflossener Leiter oder im (Strahlungsfeld) oder (Fernfeld) elektrischer Antennen. Dabei treten elektrische und magnetische Wechselfelder immer gleichzeitig auf. Ein tieferer Unterschied zwischen der Gravitation auf der einen Seite und den elektrischen und magnetischen Kräften auf der anderen Seite besteht darin, dass sich Massen stets gegenseitig anziehen, wohingegen sich elektrische Ladungen und magnetische Pole sowohl anziehen als auch abstoßen können, was man durch ein Vorzeichen zum Ausdruck bringt (positive und negative Ladungen; magnetischer Süd- und Nordpol). Der grundlegende Unterschied zwischen elektrischen und magnetischen Kräften besteht darin, dass man elektrische Ladungen räumlich trennen kann (Monopole als Quellen und Senken von Feldlinien), wohingegen auch der kleinste Magnet stets zwei Pole aufweist (Dipol).

Magnetismus als Fernwirkung

Magnetismus ist eine Wechselwirkung zwischen räumlich getrennten Körpern, also eine Fernwirkung. In der physikalischen Theorie arbeitet man mit der Vorstellung, dass Fernwirkungen über Felder vermittelt werden. Felder Felder Richtung und Stärke magnetischer Kräfte kann man durch Feldlinien anschaulich darstellen. Ein Magnet ruft ein magnetisches Feld (=Magnetfeld) hervor und wird von diesem durchströmt; seine Pole sind die Oberflächenbereiche, in denen der überwiegende Teil des Magnetfeldes ein- beziehungsweise austritt. Die Berechnung von Feldlinien in der Umgebung eines Magneten ist Aufgabe der Magnetostatik. Außer durch magnetische Materialien werden Magnetfelder durch elektrische Ströme verursacht; umgekehrt erfahren stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Kräfte. Dieser Elektromagnetismus wird unter anderem in Elektromagneten, Transformatoren, Motoren, Generatoren sowie bei der Datenspeicherung technisch ausgenutzt. Darüberhinaus können sich oszillierende elektromagnetische Felder von Materie ablösen und als Wellen im Raum ausbreiten: Zu diesen elektromagnetischen Wellen zählen Rundfunksignale, Mikrowellen, UV- und Röntgenstrahlung ebenso wie sichtbares Licht.

Magnetfelder

Feldlinien

Magnetische Feldlinien können durch die Ausrichtung von Eisenfeilspänen sichtbar gemacht werden; für dreidimensionale Demonstrationen kann man die Eisenfeilspäne zum Beispiel in Silikonöl suspendieren. suspendieren In der Elektrostatik verlaufen Feldlinien von positiven zu negativen Ladungen. In der Magnetostatik hingegen gibt es keine Ladungen (magnetische Monopole sind mathematisch denkbar; alle experimentellen Tatsachen sprechen aber gegen ihre Existenz). Somit ist das Magnetfeld «quellenfrei»; magnetische Feldlinien haben keinen Anfang und kein Ende, sondern verlaufen als geschlossene Bahnen. Die Richtung der Feldlinien stimmt in jedem Punkt mit der Richtung des Magnetfeldes überein. Der Abstand zwischen benachbarten Feldlinien ist ein Anhaltspunkt für die Stärke des Magnetfeldes: je dichter die Feldlinien, desto stärker das Feld.

Magnetische Kraftwirkung

In der Elektrostatik ist die Wirkung des Feldes leicht zu verstehen: eine positive Probeladung (eine sehr kleine Ladung, die die Wirkung eines Feldes erfährt, ohne dieses selbst nennenswert zu verändern) wird in Richtung der Feldlinie beschleunigt, unabhängig davon, ob die Probeladung vorher in Ruhe war oder nicht. Das magnetische Feld hingegen wirkt nicht auf ruhende, sondern nur auf bewegte Ladungen (Lorentzkraft) oder auf Magnete und magnetisierbare Körper. Im einfachsten Fall kann man diese Probekörper als Dipole beschreiben (siehe magnetischer Dipol). Das Magnetfeld übt auf den Probekörper ein Drehmoment aus und richtet ihn parallel zu den Feldlinien aus. Dieser Effekt wird zum Beispiel beim magnetischen Kompass ausgenutzt, in dem sich die Kompassnadel, ein magnetischer Dipol, nach dem Erdmagnetfeld ausrichtet. Die Anziehung zwischen zwei Stabmagneten ist hingegen ein komplizierterer Effekt, der durch den Gradienten des Magnetfeldes verursacht wird: zwei entgegengesetzte Pole ziehen sich an, weil in ihrer Nähe die Feldlinien dichter sind als an den entgegengesetzten Polen.

Größen und Einheiten

Die Stärke eines Magnetfeldes kann durch zwei verschiedene physikalische Größen ausgedrückt werden, die magnetische Feldstärke (Einheit: A/m) und die magnetische Flussdichte (Einheit Tesla). Während die magnetische Feldstärke bei Berechnungen mit elektrischen Strömen von Vorteil ist, verwendet man die magnetische Flussdichte zum Berechnen von induzierten Spannungen oder der Lorentzkraft. Die beiden Feldgrößen sind über einen materialabhängigen Umrechnungsfaktor, der Permeabilität genannt wird, miteinander verknüpft. Im Vakuum ist dies eine Konstante, die sich aus der Wahl des Einheitensystems ergibt.

Elektromagnetismus

Magnetische Kräfte werden durch die Bewegung elektrischer Ladungen erzeugt. Die Geschwindigkeit (in Betrag und Richtung), sowie die Größe (Betrag und Vorzeichen) der bewegten Ladungen bestimmen die Stärke und Richtung der magnetischen Kräfte. Für eine abstraktere Darstellung des Elektromagnetismus siehe den Artikel Elektrodynamik. Elektrodynamik Eine konstante Bewegung von Ladungsträgern bewirkt ein magnetisches Feld, das folgenden Regeln folgt:
- Für einen elektrischen Strom, der durch einen Draht fließt, lässt sich die Richtung des Magnetfelds mit Hilfe der Rechte-Hand-Regel bestimmen: Der Leiter wird so umfasst, dass der abgespreizte Daumen die konventionelle/technische Stromrichtung (entgegen dem Elektronenfluss) anzeigt, dann zeigen die Finger die Richtung des entstehenden Magnetfeldes an.
- Für einen Kreisstrom gilt: Wenn die Finger der rechten Hand in Richtung des Elektronenflusses gekrümmt sind, zeigt der Daumen in Richtung des magnetischen Nordpols.
- Eine andere Regel hierzu ist die so genannte Rechtsschraubenregel.
- Messung von magnetischen Feldern ist u.a. mit Hallsonden möglich. In elektrischen Leitern, die sich durch ein magnetisches Feld bewegen, wird eine Spannung und gegebenenfalls ein Stromfluss induziert. Zeitlich veränderliche Bewegung von Ladungsträgern resultiert in einer differenzialen Veränderung im elektrostatischen und magnetischen Feld ihrer Umgebung. Man spricht von elektromagnetischen Wellen wenn die Frequenz der Veränderung sich in gegebenen Medien ausbreitet. Licht (egal ob sichtbar oder unsichtbar) und Rundfunk sind die bekanntesten Formen dieses Prinzipes. Aber auch in der Metallverarbeitung (Induktionsöfen) und zum Erhitzen von sogar nichtleitenden Substanzen kommt diese Form des Elektromagnetismus zur Anwendung (Mikrowellenherd).

Magnetismus in Materie

Der Magnetismus von Festkörpern hat seinen Ursprung im Magnetismus der Atome/Ionen und Elektronen, aus denen er aufgebaut ist. Im engeren Sinne spricht man nur dann von einem magnetischen Material, wenn die elementaren magnetischen Momente so ausgerichtet sind, dass sie sich zumindest nicht vollständig gegenseitig kompensieren, der Stoff also eine makroskopische Magnetisierung aufweist. Bekannte Beispiele sind die ferromagnetischen Metalle Nickel und Kobalt oder auch das Mineral Magnetit. Aber auch wenn ein Stoff keine makroskopische Magnetisierung aufweist, kann er von Magnetfeldern beeinflusst werden; solche Effekte sind in der Regel jedoch viel zu schwach, um sie im Alltag beobachten zu können. Die Magnetochemie, ein Teilbereich der Physikalischen Chemie untersucht die magnetischen Eigenschaften von Substanzen.

Magnetisches Moment von Elementarteilchen

Elementarteilchen besitzen ein jeweils charakteristisches Magnetisches Moment \mu.

Magnetisches Moment von Atomen

Das magnetische Moment eines Atoms setzt sich zusammen aus dem Beitrag der Elektronenhülle (Hüllenmoment), und dem im allgemeinen viel schwächeren Kernbeitrag (Kernmoment). Zum Hüllenmoment tragen das Bahnmoment, das mit dem Bahndrehimpuls der Elektronen verknüpft ist, und das durch den Elektronenspin bestimmte Spinmoment bei. Die Summe der magnetischen Momente der Elektronen einer voll gefüllten (Sub-)Schale ergibt jeweils null, sodass Atome, die keine teilgefüllten Schalen besitzen, kein permanentes Hüllenmoment aufweisen. Im äußeren Magnetfeld wird jedoch ein magnetisches Moment induziert, das seiner Entstehung entgegenwirkt (abstoßende Kraft im inhomogenen Magnetfeld). Atome mit dieser Eigenschaft nennt man diamagnetisch. Atome mit teilgefüllten Schalen weisen hingegen ein permanentes Hüllenmoment auf. Solche Atome heißen paramagnetisch. Auch wenn das Kernmoment sehr klein ist, lässt es sich nicht nur nachweisen (NMR, "Nuclear Magnetic Resonance" = Kernmagnetische Resonanz), sondern auch praktisch anwenden (z.B. Kernspintomografie).

Magnetismus von Festkörpern

Beim Magnetismus von Festkörpern handelt es sich um ein kooperatives Phänomen. Selbst wenn die Bausteine (Atome, Ionen, quasifreie Elektronen), aus denen der Festkörper aufgebaut ist, nichtverschwindende magnetische Momente tragen, weisen nur wenige Materialien eine makroskopische Magnetisierung auf. In der Regel sind die elementaren magnetischen Momente so ausgerichtet, dass sie sich gegenseitig kompensieren. Der Grund dafür ist, dass die Valenzelektronen, die die magnetischen Eigenschaften der Atome bestimmen, nun zur chemischen Bindung beitragen. Bei der Verteilung der Elektronen auf die neuen Bindungszustände wird die gegenseitige Orientierung der Elektronen durch die Austauschwechselwirkung bestimmt. Diese ist in der Regel für eine parallele Ausrichtung der magnetischen Momente energetisch ungünstig. Eine Ausnahme davon stellen z.B. die Übergangsmetalle Eisen, Nickel und Kobalt dar. Solche Stoffe nennt man ferromagnetisch (von lat. ferrum, Eisen). Ab einer bestimmten Temperatur, der sog. Curie-Temperatur (nach Pierre Curie und Marie Curie, Nobelpreis Physik 1903), überwiegt die thermische Energie die Energie der Austauschwechselwirkung, und die ferromagnetische Ordnung wird aufgebrochen. Der Festkörper geht dann in die paramagnetische Phase über. Zu Domänen im Ferromagneten siehe auch Ferromagnetismus. Die ferromagnetische Ordnung ist ein Spezialfall der magnetischen Ordnung. Neben dem ungeordneten Zustand gibt es noch andere Formen der magnetischen Ordnung, darunter Antiferromagnetismus und Spindichtewellen. Eine graphische Darstellung des Austauschintegrals ist durch die Bethe-Slater-Kurve gegeben. In dieser graphischen Darstellung kann man erkennen, welche Stoffe ferromagnetisch, antiferromagnetisch oder paramagnetisch sind.

Magnetismus in der Biologie

Magnetische Wechselfelder können über Induktion elektrische Ströme im Gewebe auslösen und können so einen (schwachen) Einfluß auf das Nervensystem haben. Beispielsweise sind bei entsprechenden Feldern sogenannte Magnetophosphene, gemeint sind optische Sinneswahrnehmungen, zu beobachten. Auch der motorische Cortex (Großhirn) kann derartig mit Hilfe der Transkraniellen Magnetstimulation (TMS) stimuliert werden, daß es zu unwillkürlichen Muskelkontraktionen kommt. Des weiteren ist seit langem bekannt, daß magnetische Wechselfelder die Sekretion von Hormonen (Beispiel Melatonin) beeinflussen können. Hier fehlt z.B. ein Verweis auf die Orientierung von Vögeln mittels des Erdmagnetfelds. Siehe dazu den Artikel Erdmagnetfeld Der Arzt Franz Anton Mesmer entwickelte eine Theorie, die 1784 von der französischen Akademie der Wissenschaften geprüft und verworfen wurde, nach der ein Fluid, das Mesmer als Magnetismus animalis bezeichnete, von Mensch zu Mensch übertragbar sei und bei der Hypnose und bestimmten Heilverfahren (Mesmersche Streichungen) eine Rolle spielen sollte.

Magnetismus als Metapher

Umgangssprachlich wird der Begriff Magnetismus auch für menschliche Verhaltensweisen gebraucht. Man spricht davon, dass jemand von einer Person oder Sache magnetisch angezogen wird. Ein "Zuschauermagnet" ist eine Sache, bei der die Leute stehen bleiben und sie sich ansehen. Wenn jemand eine Person liebt und immer zu ihr hin will, sagt man auch: "Sie/Er zieht ihn/sie magnetisch an".

Siehe auch


- Durchflutung
- Johann Ulrich Wirth
- Elementarmagnet

Weblinks


- [http://www.mineralienatlas.de/phpwiki/index.php/Magnetismus Mineralienatlas (Magnetismus)]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph07_g8/materialseiten/05_magnetismus.htm Versuche und Aufgaben zum Magnetismus]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph12/materialseiten/m02_magnetik.htm Versuche und Aufgaben zum Magnetfeld] Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Mineralogie Kategorie:Physik Kategorie:Magnetismus ja:磁性

Elektrizität

Elektrizität (von griechisch ήλεκτρο (ilektro) „Bernstein“) ist der Oberbegriff für alle Phänomene, die ihre Ursache entweder in ruhender elektrischer Ladung oder bewegter Ladung (Ströme) sowie deren elektrischen und magnetischen Feldern haben. Die Träger der elektrischen Ladung sind negativ geladene Elektronen und positiv geladene Protonen und Ionen. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen ziehen einander an. Wegen der Wechselwirkungskräfte kommt der Elektrizität auch eine Bedeutung als Energieträger zu. Elektrische Ladungen sind die Quellen des elektrischen Feldes, bewegte Ladungen die Ursache für magnetische Felder. Elektromagnetische Wellen (wie z.B. Licht) sind Erregungen des elektromagnetischen Feldes und können sich nach Entstehung unabhängig von Ladungsträgern im Raum (als Photonen) ausbreiten d.h. fortbewegen, sie wechselwirken aber auch mit Materie. Bewegung elektrischer Ladung findet in elektrischen Leitern durch Bewegung freier Elektronen und in Flüssigkeiten durch Ionenbewegung statt. Bei den Festkörpern unterscheidet man zwischen Leitern, Nichtleitern und Halbleitern.

Elektrische Phänomene in der Natur

Halbleiter Das wohl bekannteste und spektakulärste natürliche Auftreten von Elektrizität ist der Blitz. Mit einem Blitz entladen sich hohe, durch Reibung in den Gewitterwolken aufgebaute elektrostatische Ladungen. Im Verlauf einer solchen Entladung werden sowohl positive wie auch negative Ladungen bewegt. Aber Elektrizität tritt auch in weniger spektakulärer Form auf. So beruht z. B. die Informationsverarbeitung im Nervensystem von Lebewesen zum Teil auf elektrischen Signalen. Verschiedene Fische (z.B. der Zitterrochen und der Zitteraal) können hohe elektrische Spannungen aufbauen, um sich damit zu verteidigen. Umgekehrt gelingt es ihnen durch Wahrnehmung elektrischer Signale, die durch die Muskelbewegungen der Fische ausgelöst werden, ihre Beute zu orten.

Elektrizität im Alltag

Umgangssprachlich wird unter Elektrizität meist elektrische Energie verstanden. Zur Charakterisierung von elektrischer Energie wird im Sprachgebrauch meist nur von Strom oder Spannung gesprochen. Dies ist in vielen Fällen falsch, da Auswirkungen von Elektrizität nur bei gemeinsamer Betrachtung von Strom und Spannung zu erklären sind. So erzeugen beispielsweise piezoelektrischen Feuerzeugzünder sehr hohe Spannungen (~1 kV), sind jedoch wegen der geringen Stromstärke nahezu unschädlich. Analog dazu ist das Beispiel bei einer Autobatterie, die eine Spannung von 12 V liefert, aber dabei vergleichsweise hohe Ströme erzeugt. Im heutigen Alltag ist Elektrizität im Sinne von elektrischer Energie kaum mehr entbehrlich, was dem Menschen meist erst durch Ausfälle von Versorgungsnetzen wieder bewußt wird. Seit über einem Jahrhundert bestimmen Anwendungen von Elektrizität, wie Licht, Wärme und Kraft mehr und mehr das menschliche Leben. Eine ständig wachsende Bedeutung erlangt heute elektrische Energie in der Kommunikations- und Informationstechnologie. Elektrizität hat je nach Stärke unterschiedliche Auswirkungen auf den menschlichen Körper. Entscheidend für die Auswirkung ist die Stärke der Durchströmung in der Maßeinheit A(Ampere). Geringe Durchströmungen werden beispielsweise zur Förderung von Heilungsprozessen in der Elektrotherapie eingesetzt oder als Impulsgeber für das Herz (Herzschrittmacher). Starke Durchströmungen ab ca. 50 mA können gefährlich und tödlich wirken. Die Elektroschockpistole beispielsweise gibt mehrfach starke elektrische Impulse an das Opfer ab und verursacht schmerzhafte nicht kontrollierbare Muskelkontraktionen. Bei empfindlichen Personen können Atemlähmungen und Herzstillstand auftreten. Derartige Durchströmungen werden auch eingesetzt, um Menschen gezielt zu töten, wie dies auch mit dem elektrischen Stuhl geschieht.

Behandlung in den Naturwissenschaften

Die verschiedenen Phänomene der Elektrizität sind Betrachtungsgegenstände in Teilen der Physik und der Chemie:
- Elektrostatik - ruhende elektrische Ladungen, Ladungsverteilungen und elektrische Felder geladener Körper
- Elektrodynamik - elektromagnetische Wellen, elektrische und magnetische Felder, Potenziale und Dynamik elektrisch geladener Teilchen und Objekte