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Spektrum

Spektrum

Ausgehend von der ursprünglichen Bezeichnung für die Darstellung der Spektralfarben in Abhängigkeit von der Wellenlänge bzw. der Frequenz hat der Begriff Spektrum eine komplexere Bedeutung erlangt. Im Besonderen werden unterschieden:
- allgemein: Die Gesamtheit der
- Teilgebiete (Sparten) eines Gebietes (der Wissenschaft, des Handels, der Arbeit, der Forschung u. a. ...)
- Bestandteile eines Gemisches (von Gasen, Flüssigkeiten, Festkörpern, Komponenten u. a.)
- in der Physik und Physikalischen Chemie das Ergebnis der Messwertverteilung einer Messgröße, speziell der Wellenlänge oder der Frequenz. Beispiele:
- das elektromagnetische Spektrum, speziell das Lichtspektrum
- das Linienspektrum (Absorptionsspektrum und Emissionsspektrum)
- eine Energie-Intensitätsverteilung eines Teilchenstromes, zum Beispiel ein Elektronenspektrum
- das Schallspektrum (siehe Akustik, Synthesizer, Vocoder, Formant, Vokaldreieck)
- das Massenspektrum eines Teilchenstrahls
- in der Nautik: Das Spektrum der Energiedichte von Schwerewellen als Seegangsspektrum, Brandungsspektrum
- in der Mathematik:
- in der Funktionalanalysis: siehe Spektrum (Operatortheorie)
- in der kommutativen Algebra: siehe Spektrum eines Ringes
- in der algebraischen Geometrie: siehe Spektrum einer Algebrengarbe
- in der Linearen Algebra die Menge der Eigenwerte: siehe Eigenwertproblem
- in der Politik das politische Spektrum
- die Zeitschrift Spektrum der Wissenschaft ja:スペクトル ko:스펙트럼

Spektralfarben

Unter Lichtspektrum versteht man das Licht, das von einem Objekt emittiert oder zurückgeworfen wird. Das Lichtspektrum ist Teil des elektromagnetischen Spektrums.elektromagnetischen Spektrums

Spektrumtypen

Linienspektrum

Ein Linienspektrum existiert, wenn eine Lichtquelle nur Licht diskreter Wellenlängen (wie z.B. eine Quecksilberdampflampe) emittiert. Das Licht entsteht in diesem Fall durch eine Reihe spezifischer Übergänge zwischen Energiezuständen von Atomen (selten von Molekülen). Die entstehenden, separaten und diskreten Emissionsbereiche werden als Spektrallinien bezeichnet.

Bandenspektrum

Beim Bandenspektrum handelt es sich um viele, nahe beieinander und/oder überlappende Spektrallinien, die Banden bzw. Absorptionsbanden genannt werden. Sie rühren von Energieübergängen in Molekülen her.

Kontinuierliches Spektrum

Glühlichtquellen (Temperaturstrahler) emittieren kontinuierliche Spektren. Derartige Spektren folgen teilweise dem Spektrum eines schwarzen Körpers. Reale Temperaturstrahler besitzen diskrete Lücken im kontinuierlichen Spektrum, die durch Selbstabsorption entstehen, z.B. die so genannten Fraunhoferschen Linien im Sonnenspektrum. In Leuchtstoffröhren wird erst ein Linienspektrum erzeugt, das dann von einem Leuchtstoff absorbiert wird. Dieser Leuchtstoff emittiert dann in einem weiten Wellenlängenbereich...

Emissionsspektrum

Jeder chemische Stoff (und jedes chemische Element) sendet ein charakteristisches Spektrum aus. Das Spektrum eines glühenden festen oder flüssigen "Körpers" ist stets ein kontinuierliches Spektrum, das alle Wellenlängen enthält. Anders verhalten sich glühende Gase und Dämpfe. Sie liefern im Allgemeinen diskontinuierliche Spektren, die nur aus einzelnen, durch dunkle Zwischenräume getrennten, scharfen Spektrallinien bestehen. Manche Gase weisen zusammenhängende "Banden" aus Spektrallinien auf. Die Linienspektren sind Atomspektren, die Bänderspektren rühren von Molekülschwingungen her.

Absorptionsspektrum

Ein Stoff, der bei einer bestimmten Wellenlänge Licht abstrahlt, kann oft Licht der gleichen Wellenlänge absorbieren. Daher sind Absorptionsspektren oft invers zu Emissionsspektren (Transmissionspektren). Neben Spektrallinien finden sich auch Absorptionsbanden.

Anwendungen

In der Spektralanalyse wird das von einem Testkörper ausgehende Emissions- oder Absorptions-Spektrum hinsichtlich markanter Linien untersucht. Siehe auch: MPT-AES, Sternspektrum. Kategorie:Fototechnik Kategorie:Spektroskopie ja:可視光線 ko:가시광선

Physik

Die Physik (griechisch φυσική, physike „die Natürliche“) ist die Naturwissenschaft, welche die grundlegenden Gesetze der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen untersucht. Sie befasst sich sowohl mit den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie und Feldern in Raum und Zeit als auch mit der Struktur von Raum und Zeit selbst. Die Physik beschreibt die Natur quantitativ mittels naturwissenschaftlicher Modelle, sogenannter Theorien, und ermöglicht damit insbesondere Vorhersagen über das Verhalten der betrachteten Systeme. Dazu verwendet die Physik die Sprache der Mathematik. Im Zusammenhang mit der Physik wurde auch erstmals die Frage nach der Ethik naturwissenschaftlicher Forschung aufgeworfen, ein Thema, das auch in der Literatur, etwa in dem Theaterstück Die Physiker von Friedrich Dürrenmatt, aufgegriffen worden ist.

Das Theoriengebäude der modernen Physik

Das Theoriengebäude der Physik ruht auf zwei Säulen, der Relativitätstheorie und der Quantenphysik. Beide Theorien enthalten ihren Vorgänger, die Newtonsche Physik, über das so genannte Korrespondenzprinzip als Grenzfall und haben daher einen größeren Gültigkeitsbereich als diese.

Die Relativitätstheorie

Die Relativitätstheorie führt ein völlig neues Verständnis der Phänomene Raum und Zeit ein. Danach handelt es sich nicht um universell gültige Ordnungsstrukturen, sondern räumliche und zeitliche Abstände werden von verschiedenen Beobachtern unterschiedlich beurteilt. Raum und Zeit verschmelzen dabei zu einer vierdimensionalen Raumzeit. Die Gravitation wird auf eine Krümmung dieser Raumzeit zurückgeführt, die durch die Anwesenheit von Masse bzw. Energie hervorgerufen wird. In der Relativitätstheorie wird auch erstmals die Kosmologie zu einem naturwissenschaftlichen Thema. Die Formulierung der Relativitätstheorie gilt als der Beginn der modernen Physik, auch wenn sie häufig als Vollendung der klassischen Physik bezeichnet wird.

Die Quantenphysik

Die Quantenphysik beschreibt die Naturgesetze im atomaren und subatomaren Bereich und bricht noch radikaler mit klassischen Vorstellungen als die Relativitätstheorie. Viele physikalische Größen erweisen sich in bestimmten Situationen als quantisiert, das heißt sie nehmen stets nur bestimmte diskrete Werte an und ändern sich in Form von Quantensprüngen. Materie erweist sich als Phänomen, das nur in Portionen, den sogenannten Elementarteilchen oder Quanten, in Erscheinung tritt. Ihr Aufenthaltsort lässt sich nicht mehr durch eine Bahn im Raum beschreiben sondern durch Wellen, über die eine Wahrscheinlichkeit dafür angegeben werden kann, das Teilchen bei einer Messung in einem bestimmten Raumgebiet zu finden. Man spricht von einem Welle-Teilchen-Dualismus. Der Aufenthaltsort eines Teilchens zwischen zwei solcher Messungen ist nicht nur unbekannt, sondern sogar nicht definiert. Die meisten Physiker folgern daraus, dass letztlich die Vorstellung von der Existenz einer vom Beobachter unabhängigen Realität aufgegeben werden muss. Hinsichtlich der Eigenschaften dieser Teilchen spielen Symmetrieeigenschaften eine zentrale Rolle. Die Gesetze der Quantenphysik entziehen sich weitgehend der menschlichen Anschauung, und über ihre Interpretation herrscht auch heute noch kein Konsens (Deutungen der Quantenphysik). Dennoch zählt sie hinsichtlich ihres empirischen Erfolges zu dem am besten gesicherten Wissen der Menschheit überhaupt.

Die vier Grundkräfte

Die moderne Physik kennt die folgenden vier Grundkräfte:
- Die Gravitation oder Schwerkraft,
- die elektromagnetische Wechselwirkung,
- die schwache Wechselwirkung, die beispielsweise für bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse verantwortlich ist und
- die starke Wechselwirkung, die die Atomkerne zusammenhält. Eines der Ziele der Physik ist es, alle Grundkräfte in einem vereinheitlichten Gesamtkonzept zu beschreiben. Bisher ist es jedoch lediglich gelungen, die elektromagnetische Wechselwirkung als Vereinigung der elektrischen und der magnetischen Wechselwirkung darzustellen und ebenso die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung zu einer sogenannten elektroschwachen Wechselwirkung zu vereinigen. Zur Vereinigung der elektroschwachen- und starken Wechselwirkung wurde die Theorie der Supersymmetrie erdacht, deren Gültigkeit allerdings umstritten ist. Die größten Schwierigkeiten treten im Bereich der Gravitationskraft auf, da über sie - auch wenn schon lange bekannt - doch nur wenig gesichertes Wissen vorliegt. Maßgebliches Problem hierbei ist ihr kaum messbarer Einfluss auf alle Systeme, im Labormaßstab. Zu diesen fundamentalen Wechselwirkungen kommt noch ein fundamentales Prinzip der Quantenphysik, das Pauli-Prinzip. Aus diesem Prinzip leitet sich mittelbar eine weitere Wechselwirkung ab, die Austauschwechselwirkung.

Derzeitige Grenzen der physikalischen Erkenntnis

Das Ziel der heutigen Physik ist es, sämtliche Vorgänge der Natur durch eine möglichst geringe Anzahl von möglichst einfachen Naturgesetzen zu beschreiben und auf die Wechselwirkung weniger Elementarteilchen zurückzuführen. Inwieweit dieses Ziel prinzipiell oder praktisch erreichbar ist, ist völlig offen. Immerhin ist der Gültigkeitsbereich der bekannten physikalischen Gesetze äußerst weitreichend. Ungeklärte Phänomene der Physik lassen sich zwei grundsätzlich verschiedenen Gruppen zuordnen:
- Phänomene, deren zugrundeliegende Gesetze noch unbekannt sind. Dazu zählen insbesondere Phänomene der Teilchenphysik und solche, zu deren Beschreibung die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik zugleich erforderlich sind, wie beispielsweise der Urknall. Der Grund hierfür ist, dass es bisher nicht gelungen ist, eine in sich geschlossene Quantenfeldtheorie zu formulieren, welche die Quantenphysik und die Relativitätstheorie vollständig vereinigt.
- Phänomene, die zwar bekannten Gesetzen gehorchen, deren Beschreibung jedoch an der mathematischen Komplexität scheitert. Für solche Situationen versucht man berechenbare Näherungsmodelle zu entwickeln, deren Qualität und Gültigkeitsbereich sich oft nur experimentell ermitteln lassen. Eins der bedeutendsten ungelösten Probleme in diesem Zusammenhang ist das des menschlichen Bewusstseins. Insbesondere die Frage, zu welcher der beiden Problemgruppen es zu zählen ist, wird kontrovers diskutiert. Die Physik ist prinzipiell nicht in der Lage, Aussagen über das Wesen der Dinge an sich zu treffen. Sie beschränkt sich darauf, die Gesetzmäßigkeiten zu ergründen, denen die Dinge unterworfen sind. Warum die Natur überhaupt gewissen Gesetzen gehorcht, ist letztlich unbekannt. Eine partielle Antwort gibt lediglich das anthropische Prinzip, indem es feststellt, dass es in einem Kosmos ohne Naturgesetze niemanden geben würde, der sich über deren Abwesenheit wundern könnte.

Themenbereiche der Physik

Im Folgenden werden die verschiedene Themenbereiche der Physik mit Kurzkommentar dargestellt und zwar nach übergeordnetem, theoretischen Rahmen eingeordnet und gleichzeitig weitgehend chronologisch sortiert. Viele der aufgeführten Themen lassen sich nicht eindeutig einer Theorie zuordnen. So sind beispielsweise viele Phänomene der Thermodynamik nur auf Basis der Quanten- und Relativitätstheorie erklärbar. In diesen Fällen ist das Thema unter der ältesten Theorie eingeordnet und bestehende maßgebliche Bezüge zu jüngeren Theorien sind mit (RT) für die Relativitäts- und (QT) für die Quantentheorie angedeutet. Die Liste enthält sowohl phänomenorientierte Sachgebiete als auch Querschnittstheorien (QST) mit gebietsübergreifendem Anwendungsbereich. Siehe auch das Physik-Portal mit unkommentierten, aber nach verschieden Kriterien sortierten Themenlisten sowie die alphabetische Liste physikalischer Themen.

Die newtonsche Physik einschließlich der Elektrodynamik

... ist der Bereich der Physik, der bis zur Entdeckung der Relativitätstheorie bekannt war.
- Die klassische Mechanik von Isaac Newton war die erste geschlossene physikalische Theorie überhaupt. Sie beschreibt die Bewegung von Körpern unter der Einwirkung von Kräften, einschließlich solcher Kräfte, die zwischen den Körpern wirken (Wechselwirkungskräfte).
- Die Akustik behandelt die Eigenschaften von Schallwellen.
- Die Optik behandelt die Eigenschaften des Lichtes und dessen Beeinflussung durch Materie.
- Die Wellenlehre als theoretische Disziplin bildet die mathematische Grundlage für Beschreibungen von Schwingungsvorgängen in Akustik, Optik und Atomphysik (QST/QT).
- Die Elektrodynamik beschreibt elektrische und magnetische Phänomene. Obwohl bereits früher bekannt, erhielt sie erst durch die Entdeckung der speziellen Relativitätstheorie ihr theoretisches Fundament (RT).
- Die Thermodynamik, auch statistische Mechanik oder Wärmelehre behandelt alle Vorgänge, bei denen Wärme und Temperatur eine Rolle spielen. Ihr Anwendungsbereich reicht jedoch weit darüberhinaus (QST/RT/QT).
- Die Kontinuumsmechanik ist die Verallgemeinerung der klassischen Mechanik auf kontinuierliche Medien.
- Die Strömungslehre behandelt die Dynamik von Fluiden, das heißt nicht fester Substanzen. Untergebiete sind die Hydrodynamik (Dynamik der Flüssigkeiten) und die Aerodynamik (Dynamik von Gasen).
- Die nichtlineare Dynamik und die Physik der komplexen Systeme befassen sich unter anderem mit Chaostheorie, Strukturbildung und Selbstorganisation (QST).

Die Relativitätstheorie

... befasst sich mit der Struktur von Raum und Zeit sowie mit dem Wesen der Gravitation. Die Einheit von newtonscher Physik, Elektrodynamik und Relativitätstheorie wird als Klassische Physik bezeichnet.
- Die spezielle Relativitätstheorie beschreibt das Verhalten von Raum, Zeit und Massen aus der Sicht von Beobachtern, die sich relativ zueinander bewegen. Dabei werden primär konstante Geschwindigkeiten betrachtet (QST).
- Die allgemeine Relativitätstheorie baut auf der speziellen auf und führt das Phänomen der Gravitation auf eine Krümmung von Raum und Zeit zurück.

Die Quantenphysik

... ist zur Beschreibung von Phänomenen im Mikrokosmos erforderlich, wo die Gesetze der klassischen Mechanik an ihre Grenze gelangen. Während sie experimentell immer wieder hervorragend bestätigt wird und die gesamte moderne Technologie auf ihr basiert, wird bis heute über ihre korrekte Interpretation gestritten. Im folgenden sind insbesondere Themen der nichtrelativistischen Quantenmechanik aufgeführt, bei denen sich die Zahl der beteiligten Teilchen nicht ändert.
- Aufgabe der Atomphysik ist es, den Aufbau und die Eigenschaften der Atome und ihre Spektren zu erklären. Sie beschränkt sich dabei in der Regel auf einen Energiebereich, in dem der Atomkern als strukturlos angesehen werden kann (RT).
- Die Molekularphysik beschreibt das Zusammenwirken verschiedener Atome und stellt die Verbindung zur Chemie und physikalischen Chemie her.
- Die Kernphysik studiert alle mit dem Atomkern zusammenhängenden Phänomene, die Kernstruktur und Kernreaktionen (RT).
- Die Laserphysik ist ein Teilgebiet der Optik. Ihre Aufgabe ist die Entwicklung und wissenschaftliche Untersuchung der verschiedenen Laser-Typen (RT).
- Die Plasmaphysik untersucht die Eigenschaften von Plasmen, d. h. hochgradig ionisierten Materiezuständen (RT).
- Gegenstand der Tieftemperaturphysik ist Untersuchung von Ordnungsphänomenen in Materie, die bei höheren Temperaturen aufgebrochen werden.
- Die Physik kondensierter Materie beschreibt Phänomene (korrelierter) Vielteilchensysteme. Die Physik der Kondensierten Materie unterscheidet sich grundlegend von der freier Teilchen.
- Die Festkörperphysik und Halbleiterphysik befasst sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand, insbesondere (aber nicht ausschließlich) von fester Materie mit periodischem Aufbau.
- Die Physik der Flüssigkeiten ist ein Teilgebiet der Fluidmechanik und befasst sich mit Materie im flüssigen Aggregatzustand. Die Bausteine der Flüssigkeit weisen eine gegenseitige Beweglichkeit auf (Translation und Rotation). Dennoch sind (im Unterschied zum idealen Gas) bei Flüssigkeiten im Nahbereich Korrelationen beobachtbar.
- Die Physik der Flüssigkristalle beschreibt die Physik von Materie, die sowohl Elemente einer kristallinen Ordnung aufweisen als auch die einer ungeordneten Flüssigkeit: Die Bausteine von Flüssigkristallen weisen die Beweglichkeit einer Flüssigkeit auf (genauer Translation), besitzen jedoch eine wohldefinierte gegenseitige Orientierung.
- Die Physik der weichen Materie beschreibt die Eigenschaften von Polymeren, Kolloiden und Membranen.
- Die Grenzflächenphysik beschreibt die besonderen physikalischen Phänomene an der Oberfläche kondensierter Materie. Ein Spezialfall der Grenzflächenphysik ist die Oberflächenphysik.

Die relativistische Quantenphysik

... befasst sich mit Phänomenen, zu deren Beschreibung die Quantenphysik und die Relativitätstheorie zugleich erforderlich sind.
- Die Elementarteilchenphysik, auch Teilchenphysik oder Hochenergiephysik, ist die Lehre von den elementarsten Grundbausteinen der Materie und ihrem Verhalten.
- Die Quantenfeldtheorie ist die quantenmechanische Beschreibung von Feldern und ist für die Teilchenphysik relevant. Das Standardmodell ist eine Quantenfeldtheorie, die alle bekannten Teilchen und Kräfte bis auf die Gravitation einheitlich beschreibt:
- die Dirac-Theorie ist eine relativistische Beschreibung von Fermionen und begründet die Basis für die Konzepte Spin und Antimaterie
- die Quantenelektrodynamik stellt die Verbindung zwischen Photonen und elektromagnetischen Feldern her und beschreibt die Wechselwirkung mit Ladungen als Austausch von virtuellen Photonen
- die Quantenchromodynamik beschreibt die starke Wechselwirkung zwischen Quarks als Austausch von Gluonen
- Quantengravitation ist ein Überbegriff für Ansätze, die vier Grundkräfte der Physik mit einer gemeinsamen Theorie zu beschreiben und dadurch insbesondere die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik zu vereinen (QST):
- die Stringtheorie beschreibt Elementarteilchen als Strings und geht von verborgenen Dimensionen der Raumzeit aus
- die Loop-Quantengravitation beschreibt die Raum-Zeit als Spin-Netzwerk bzw. Spin-Schaum
- die Quantengeometrie
- die Supersymmetrie

Interdisziplinäre und technisch orientierte Themenbereiche

- Die Astrophysik wendet physikalische Methoden auf das Studium astronomischer Phänomene an.
- Bei der physikalischen Chemie handelt es sich um den Grenzbereich zwischen Physik und Chemie. Physikalische Chemiker wenden die Methodik der Physik auf die Anschauungsobjekte der Chemie an.
- Die Technische Physik ist jenes Teilgebiet der Physik, das sich mit den technischen Anwendungen physikalischen Wissens befasst.
- In der Biophysik werden die physikalischen Gesetzmäßigkeiten, denen Lebewesen und ihre Wechselwirkung mit der Natur unterliegen, untersucht.
- Die Geophysik nutzt physikalische Modelle zur Erklärung geologischer Strukturen und Vorgänge.
- Quantenelektronik ist ein relativ junges Forschungsgebiet und wendet die Ergebnisse der Quantentheorie auf die Entwicklung elektronischer Schaltkreise an.
- In der Theorie der Quantencomputer tritt die Physik in interdisziplinäre Zusammenarbeit mit der Informatik. Hier werden unter anderem Algorithmen mit geringerer Komplexität als bei klassischen Computern möglich.
- Die Beschleunigerphysik beschaftigt sich mit der Entwicklung von Teilchenbeschleunigern. Diese werden benötigt, um die Energiedichten der Elementarteilchenphysik zu erreichen, aber auch als Strahlenquelle für Untersuchungen in einem weiteren naturwissenschaftlichen Bereich.
- Die Reaktorphysik beschäftigt sich mit der technischen Beherrschung von Kernreaktionen in Kernreaktoren.
- Die Umweltphysik beschäftigt sich in ihrer Forschung vor allem mit den Bereichen Energie und Klima.
- Soziophysik und Wirtschaftsphysik wenden physikalische und statistische Methoden auf gesellschaftliche, wirtschaftliche, kulturelle und politische Phänomene an.

Methodik der Physik

Der Prozess der Erkenntnisgewinnung in der Physik verläuft in enger Verzahnung von Experiment und Theorie, besteht also aus empirischer Datengewinnung und -auswertung und gleichzeitig dem Erstellen theoretischer Modelle zu ihrer Erklärung. Dennoch haben sich im Verlauf des 20. Jahrhunderts Spezialisierungen herausgebildet, die insbesondere die professionell betriebene Physik heute prägen. Demnach lassen sich grob Experimentalphysik und theoretische Physik voneinander unterscheiden.

Experimentalphysik

Während manche Naturwissenschaften wie etwa die Astronomie und die Meteorologie sich methodisch weitgehend auf die Beobachtungen ihres Untersuchungsgegenstandes beschränken müssen, steht in der Physik das Experiment im Vordergrund. Dabei versucht die Experimentalphysik, durch Entwurf, Aufbau, Durchführung und Auswertung von Experimenten Gesetzmäßigkeiten in der Natur aufzuspüren und mittels empirischer Modelle zu beschreiben. Sie versucht einerseits physikalisches Neuland zu betreten, andererseits überprüft sie von der theoretischen Physik gemachte Vorhersagen. Grundlage eines physikalischen Experimentes ist es, die Eigenschaften eines zuvor präparierten physikalischen Systems, zum Beispiel eines Teilchenbeschleunigers, einer Vakuumkammer mit Detektoren oder eines geworfenen Steins durch Messung in Zahlenform auszudrücken, etwa als Länge einer Teilchenspur, Impulshöhe eines elektrischen Spannungspulses oder als Aufprallgeschwindigkeit. Konkreterweise werden entweder nur die zeitunabhängigen (statischen) Eigenschaften eines Objektes gemessen oder man untersucht die zeitliche Entwicklung (Dynamik) des Systems, etwa in dem man Anfangswerte und Endwerte einer Messgröße vor und nach dem Ablauf eines Vorgangs bestimmt oder alternativ kontinuierliche Zwischenwerte feststellt.

Theoretische Physik

Die Aufgabe der Theoretischen Physik wiederum besteht darin, die empirischen Modelle der Experimentalphysik mathematisch auf bekannte Grundlagentheorien zurückzuführen oder, falls dies nicht möglich ist, durch eine möglichst kleine Anzahl von Grundannahmen (Hypothesen) zu beschreiben. Sie leitet weiterhin aus bereits bekannten Modellen empirisch überprüfbare Voraussagen ab. Bei der Entwicklung eines Modells wird grundsätzlich die Wirklichkeit idealisiert; man konzentriert sich zunächst nur auf ein vereinfachtes Bild, um dessen Aspekte zu überblicken und zu erforschen; nachdem das Modell für diese Bedingungen ausgereift ist, wird es weiter verallgemeinert. Zur theoretischen Beschreibung eines physikalischen Systems benutzt man die Sprache der Mathematik. Seine Bestandteile werden dazu durch mathematische Objekte wie zum Beispiel Skalare oder Vektoren repräsentiert, die in durch Gleichungen festgelegten Beziehungen zueinander stehen. Der Zweck des Modelles ist es, aus bekannten Größen unbekannte zu errechnen und damit zum Beispiel das Ergebnis einer experimentellen Messung vorherzusagen. Phänomene der Welt, die sich nicht mathematisch beschreiben lassen, wie beispielsweise das menschliche Bewusstsein, werden gemeinhin nicht als Gegenstand der Physik angesehen. Das fundamentale Maß für die Qualität einer Theorie ist, wie in vielen Naturwissenschaften auch, die Übereinstimmung mit reproduzierbaren Experimenten. Durch den Vergleich mit dem Experiment lässt sich der Gültigkeitsbereich und die Genauigkeit einer Theorie ermitteln, allerdings lässt sie sich niemals „beweisen“. Um eine Theorie zu widerlegen, bzw. um die Grenzen ihres Gültigkeitsbereiches zu demonstrieren, genügt im Prinzip ein einziges Experiment, sofern es reproduzierbar ist. Experimentalphysik und theoretische Physik stehen also in steter Wechselbeziehung zueinander. Es kann allerdings vorkommen, dass Ergebnisse der einen Disziplin der anderen vorauseilen: So sind derzeit viele Voraussagen der Stringtheorie nicht experimentell überprüfbar; andererseits sind viele teilweise extrem genau gemessene Werte aus dem Gebiet der Teilchenphysik zum heutigen Zeitpunkt am Anfang des 21. Jahrhunderts durch die zugehörige Theorie, die Quantenchromodynamik, nicht berechenbar.

Mathematische Physik und Angewandte Physik

Zusätzlich zu dieser grundlegenden Teilung der Physik unterscheidet man manchmal noch zwei weitere Unterdisziplinen, die mathematische Physik und die angewandte Physik. Erstere wird gelegentlich als Teilgebiet der theoretischen Physik betrachtet, unterscheidet sich von dieser jedoch darin, dass ihr Studienobjekt nicht konkrete physikalische Phänomene sind, sondern die Ergebnisse der theoretischen Physik selbst. Sie abstrahiert damit von jedweder Anwendung und interessiert sich stattdessen für die mathematischen Eigenschaften eines Modells, insbesondere seine tiefer liegenden Symmetrien und Invarianzen. Auf diese Weise entwickelt sie Verallgemeinerungen und Varianten bereits bekannter Theorien, die dann wiederum als Arbeitsmaterial der theoretischen Physiker in der Modellierung empirischer Vorgänge Einsatz finden können. Die angewandte Physik steht dagegen in (unscharfer) Abgrenzung zur Experimentalphysik, teilweise auch zur theoretischen Physik. Ihr wesentliches Kennzeichen ist, dass sie ein gegebenes physikalisches Phänomen nicht um seiner selbst willen erforscht, sondern um die aus der Untersuchung hervorgegangenen Erkenntnisse zur Lösung eines (in der Regel) nicht-physikalischen Problems einzusetzen. Ihre Anwendungen liegen z. B. auf dem Gebiet der Technik oder Elektronik, in Medizin, Chemie oder Astronomie, aber auch in den Wirtschaftswissenschaften, wo z. B. im Risikomanagement Methoden der theoretischen Festkörperphysik zum Einsatz kommen.

Simulation/Computerphysik

Mit der fortschreitenden Entwicklung der Rechensysteme hat sich in den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts und beschleunigt seit etwa 1990 die Computersimulation als neue Methodik innerhalb der Physik entwickelt. Computerphysiker sind keine reinen Theoretiker, da sie durch ihre Simulationen Theorien zu testen versuchen, aber auch keine reinen Experimentatoren, da ihre Experimente ausschließlich in der Welt des Rechners stattfinden. Die Bandbreite möglicher Simulationen deckt die komplette Spanne von der mathematischen Physik über Simulationen kosmologischer Modelle bis hin zur angewandten Physik ab. Naturgemäß hat dieser Bereich der Physik zahlreiche Anknüpfungspunkte an die Informatik.

Verhältnis zu anderen Wissenschaften

Abgrenzung zu anderen Wissenschaften

Zur Abgrenzung gegenüber der Biologie wird die Physik oftmals als die Wissenschaft von der unbelebten Natur bezeichnet. Eine Abgrenzung gegenüber der Chemie ist nicht so eindeutig; der Übergang von der Physik der Elektronenhülle, also der Atom- und Molekülphysik, zur Quantenchemie ist fließend. Die Mathematik beschreibt im Gegensatz zur Physik keine realen Objekte, sondern abstrakte Begriffe und deren Eigenschaften.

Wechselwirkung mit anderen Wissenschaften

Die Physik gilt als die grundlegende Naturwissenschaft, auf der alle anderen wie beispielsweise die Astronomie, die Chemie, die Geologie und letztlich auch die Biologie aufbauen. Physikalische Prinzipien und Modelle finden ihre Anwendung auch in Disziplinen jenseits der Naturwissenschaften, besonders im technischen Bereich, wie in den Ingenieurwissenschaften, aber auch in den quantitativen Wirtschaftswissenschaften. Umgekehrt haben auch oft Erkenntnisse aus anderen Fachgebieten wie der Mathematik oder der Astronomie die physikalische Forschung bereichert und stimuliert. Auch in der Philosophie finden die Erkenntnisse der Physik Beachtung: So versucht der philosophische Zweig der Metaphysik Erklärungen für das Wesen der Natur zu finden, während sich die Physik auf ihre Beschreibung beschränkt.

Physik als Studium

Das Physikstudium gliedert sich im deutschsprachigen Sprachraum in ein zweijähriges Grundstudium, an dass sich nach einer Vordiplom genannten Zwischenprüfung das Hauptstudium anschließt. Den Kern der Ausbildung bilden Experimentalphysik nebst Physikalischen Praktika und Theoretische Physik, dazu kommen Vorlesungen in Mathematik und Nebenfächern wie Chemie, Astronomie oder Informatik. In der Experimentalphysik folgt auf einen Grundkurs bestehend aus den Gebieten Mechanik, Schwingungs- und Wellenlehre, Akustik, Strömungslehre, Spezieller Relativitätstheorie, Elektrizitätslehre, Magnetismus, elektromagnetische Wellen, Optik und Wärmelehre eine Vorlesung über semiklassische Quantentheorie, Molekül- und Atomphysik. Danach schließen sich spezialisierte Vorlesungen über die modernen Forschungsgebiete der experimentellen Physik wie Plasmaphysik, Kernphysik, Teilchenphysik, Festkörper- und Halbleiterphysik an. Die Theoretische Physik wird im Rahmen des Studiums meist in einen Zyklus aus vier Gebieten eingeteilt: # Mechanik (Newton'sche Mechanik, Analytische Mechanik, Spezielle Relativitätstheorie, Hamilton'sche Mechanik) # Elektrodynamik (Elektro- und Magnetostatik, Maxwell'sche Elektrodynamik, Elektromagnetische Wellen, Spezielle Relativitätstheorie) # Quantenmechanik (Schrödinger'sche Wellenmechanik, Heisenbergsche Matrizenmechanik, Dirac-Notation, Grundzüge der Theoretischen Atomphysik, Einführung in die Relativistische Quantenmechanik) # Thermodynamik und Statistische Physik (Wärmelehre, Statistische Physik, Quantenstatistik, Vielteilchentheorie) Die Allgemeine Relativitätstheorie, Quantenfeldtheorien, Theoretische Festkörperphysik und weitere Gebiete sind an den meisten Universitäten als Spezialvorlesungen vertreten, gehören aber nicht zum Grundkanon.

Geschichte

Die neuzeitliche Geschichte der Physik wurzelt in antiken Vorarbeiten vor allem griechischer Gelehrter (insbesondere von Aristoteles) und beginnt etwa ab dem Jahr 1500. Seit dieser Zeit kann man von der Physik als eigenständiger Wissenschaft sprechen, obwohl es schon vorher physikalische Entdeckungen und Lehren gab, zum Beispiel über das Feuer, das Rad, das von Archimedes formulierte Hebelgesetz und seine Anwendung in einfachen Maschinen, erste Erkenntnisse in der Optik, der Flüssigkeitslehre und Vorstellungen vom Aufbau der Körper (Demokritsches Teilchenmodell).
- 1543 Veröffentlichung des heliozentrischen Weltbildes in „De Revolutionibus Orbium Coelestium“ („Von den Umdrehungen der Himmelskörper“) durch Nikolaus Kopernikus
- 1589 Fallgesetze (Galileo Galilei)
- 1609 Planetengesetze (Johannes Kepler)
- 1638 und 1650 Luftdruck und Vakuum entdeckt und angewendet (Evangelista Torricelli, Otto von Guericke)
- 1687 Grundgesetz der Mechanik (newtonsche Gesetze durch Isaac Newton)
- 1786 Elektrisches Grundgesetz (coulombsches Gesetz: zur Bestimmung der Kraft zwischen Ladungen)
- 1865 Theorie der elektromagnetischen Wellen (Maxwellgleichungen durch James Clerk Maxwell)
- 1895 Entdeckung der Röntgenstrahlung (X-Strahlung) durch Wilhelm Conrad Röntgen
- 1898 Entdeckung der natürlichen Radioaktivität einiger chemischer Elemente durch Marie und Pierre Curie
- 1900 Begründung der Quantenphysik durch Max Planck
- 1905 Formulierung der speziellen Relativitätstheorie durch Albert Einstein
- 1916 Veröffentlichung der allgemeinen Relativitätstheorie durch Albert Einstein
- 1938 Atomkernspaltung künstlich herbeigeführt durch Otto Hahn
- 1947 Entwicklung des Transistors durch William B. Shockley
- 1960 Entwicklung des ersten Lasers durch Theodore Maiman
- 1970 Erste kontrollierte Kernfusion im Fusionsreaktor Tokamak 3
- 1995 Erfolgreiche Bose-Einstein-Kondensation von Atomen Siehe auch: Portal:Physik, Physiker, Computerphysik, Einheitensystem, Naturkonstante, Physik für die Schule, Physikalisches System, Auf den Schultern von Giganten, Liste der Kurzschreibweisen (Physik), Liste physikalischer Sätze

Literatur

- Tipler, Paul A.; Mosca, Gene: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure. Spektrum Akademischer Verlag 2. Auflage 2004 ISBN 3-827-41164-5
- Feynman, Leighton, Sands: Vorlesungen über Physik. Oldenbourg 1999 ISBN 3-486-25857-5
- Gerthsen; Meschede: Gerthsen Physik. Springer-Verlag 22. Auflage 2004 ISBN 3-540-02622-3
- Demtröder: Experimentalphysik 3. Auflage Springer 2004 ISBN 3-540-26034-X
- Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Thomas Dorfmüller, Wilhelm T. Hering, Klaus Stierstadt:Lehrbuch der Experimentalphysik.de Gruyter 10. Auflage 1998 ISBN 3-110-12870-5

Weblinks

- Physik allgemein
- [http://www.dpg-physik.de/ Deutsche Physikalische Gesellschaft e.V.]
- [http://www.ptb.de/ Physikalisch-Technische Bundesanstalt]
- Physik-Portale
- [http://www.weltderphysik.de/ Welt der Physik]
- [http://www.pro-physik.de/Phy/External/PhyH/ Findemaschine pro-physik.de]
- [http://www.ptb.de/de/blickpunkt/interviews/_index.html Was ist Physik? Antworten prominenter Physiker]
- [http://www.gym-hartberg.ac.at/gym/physik/them.htm Zusammenstellung wichtiger Themen der Physik]
- [http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/cover.html Physik einfach erklärt] ! als:Physik ja:物理学 ko:물리학 ms:Fizik simple:Physics th:ฟิสิกส์ zh-min-nan:Bu̍t-lí-ha̍k

Physikalische Chemie

Bei der physikalischen Chemie, auch chemische Physik genannt, handelt es sich um den Grenzbereich zwischen Physik und Chemie. Während in der präparativen Chemie (Organik, Anorganik) die Fragestellung z. B. ist: "Wie kann ich einen Stoff erzeugen", beantwortet die physikalische Chemie stärker quantitative Fragen, z. B. "Unter welchen Bedingungen findet eine Reaktion statt?" (Thermodynamik), oder "Wie schnell ist die Reaktion" (Kinetik). Die an Bedeutung gewinnende theoretische Chemie, Quantenchemie oder Molekularphysik versucht, Eigenschaften von Stoffen, chemischer Reaktionen und Reaktionsmechanismen anhand von physikalischen Modellen, wie z. B. der Quantentheorie oder Quantenelektrodynamik und numerischen Berechnungen zu ergründen. Die Physikalische Chemie wurde um 1890 vor allem von Svante Arrhenius, Jacobus Henricus van 't Hoff und Wilhelm Ostwald begründet. Letzterer war auch erster Herausgeber der 1887 gemeinsam mit van 't Hoff gegründeten Zeitschrift für physikalische Chemie und hatte in Leipzig den ersten deutschen Lehrstuhl für Physikalische Chemie inne. Das erste eigenständige Institut für Physikalische Chemie wurde 1895 von Walther Nernst, der sich bei Ostwald habilitiert hatte, in Göttingen gegründet. Weitere spezifisch der Physikalischen Chemie gewidmete Institute folgten dann in rascher Folge in Leipzig, Karlsruhe, Breslau, Berlin und andernorts. Ein Physikochemiker untersucht meist nur wenige Stoffe oder Reaktionen, diese dafür um so gründlicher. Die Physikalische Chemie ist eines der Hauptfächer der Chemie und gehört zum Pflichtprogramm im Chemiestudium. Einige Anwendungsgebiete der physikalischen Chemie:
- Chemische Sensorik, z. B. Abgasanalyse mit der Lambda-Sonde;
- Elektrochemie (Elektrolyse, Batterien, Akkus, Brennstoffzellen, Galvanotechnik);
- Atmosphärenchemie, z. B. Ozonloch;
- Prozessanalytik: Beobachten und Regeln von Produktionsanlagen;
- Spektroskopie, z. B. zum Entwickeln neuer analytischer Verfahren;
- Phasenlehre: LCD-Flachbildschirme;
- Magnetochemie Kategorie: Teilgebiet der Chemie

Siehe auch

(Diese Begriffe sollten in den Text eingebaut werden): Enthalpie, Entropie, Freie Enthalpie, endergonisch, exergonisch, endotherm, exotherm, Chemisches Gleichgewicht, Phase, Phasendiagramm, Zustandsgleichung, Kinetische Gastheorie
- Bunsen-Gesellschaft ja:物理化学 ko:물리화학 th:เคมีฟิสิกส์

Messgröße

Eine Messgröße ist eine Eigenschaft eines physikalischen Systems, die mit Hilfe eines Messgerätes bestimmt werden kann. Der Wert einer Messgröße ist stets ein Vielfaches einer Maßeinheit. In der klassischen Physik hat eine Messgröße für jedes System stets einen definierten Wert. Die Messung dient dazu, diesen Wert zu erfahren.

Formale Definition

Eine Messgröße ist der zu untersuchende Gegenstand einer nachvollziehbaren Methode, die auf Beobachtungsdaten anzuwenden ist, die in einem bestimmten Versuch von einem bestimmten physikalischen System gesammelt wurden. Die so zu erhaltenden Werte einer bestimmten Messgröße sind von Versuch zu Versuch und zwischen verschiedenen Systemen zueinander kommensurat; sie stellen Eigenschaften der betreffenden Systeme in den jeweiligen Versuchen dar, die miteinander verglichen werden können. Man unterscheidet dimensionslose Messgrößen (z.B. Gleichzeitigkeit von Anzeigenpaaren, Brechungsindex, Exzentrizität der Bahn eines Satelliten usw.), deren Werte unmittelbar als rationale Zahlen zu erhalten sind, und dimensionsbehaftete Messgrößen (z.B. Dauer, Ladung, Dichte), deren Werte jeweils mit Werten der selben Dimensionalität zu vergleichen sind. Diese Vergleichbarkeit wird dadurch ausgedrückt, dass man den Wert einer dimensionsbehafteten Messgröße als Vielfaches einer bestimmten Maßeinheit angibt. Die Anwendung einer bestimmten Messmethode auf gegebene Beobachtungsdaten eines bestimmten Versuches, um den jeweiligen (wahren) Wert der Messgröße festzustellen, bzw. um diesen Wert der Messgröße zumindest als Messwert abzuschätzen, nennt man Messung. Eine bestimmte gegebene Menge von Beobachtungsdaten ist dabei aber nicht in jedem Fall geeignet, um genau einen bestimmten Wert einer bestimmten Messgröße im entsprechenden Versuch festzustellen; bzw. nicht unbedingt ausreichend, um überhaupt einen bestimmten Wert dieser Messgröße zu ermitteln. Sind z.B. Beobachtungen zweier bestimmter Beobachter (A und B) gegeben, die diesen im Prinzip erlauben, genau einen bestimmten Wert

x( A B )

ihrer Distanz

\hat()

zueinander zu ermitteln, dann reichen genau diese Beobachtungsdaten zwangsläufig nicht dazu aus, einen bestimmten Wert der Messgröße zu ermitteln, die formal als der Operator

\hat()

dargestellt wird. Solche Beobachtungsdaten sind also nicht ausreichend, um in diesem Versuch irgendeinen bestimmten Wert des Impulses

\hat() = \frac \hat()

eines dieser Beobachter gegenüber dem anderen festzustellen. Man unterscheidet entsprechend, ob Messgrößen (bzw. die sie definierenden Messoperatoren) paarweise miteinander kompatibel sind, so dass die Werte beider im selben Versuch messbar sind, oder nicht. Umgekehrt, falls die Werte zweier inkompatibler Messgrößen ermittelt wurden, so geschah das zwangsläufig in Auswertung zweier verschiedener Mengen von Beobachtungsdaten, also zweier verschiedener Versuche. Die sorgfältige, nachvollziehbare Definition von Messgrößen, die Untersuchung der definitionsbedingten Zusammenhänge zwischen den entsprechenden Operatoren und Berücksichtigung ihrer Kompatibilität oder Inkompatibilität zeichnet insbesondere die Quantenphysik aus; während die klassische Physik die Kompatibilität aller Messgrößen ohne weiteres annahm. Siehe auch: Observable Kategorie:Messtechnik

Frequenz

Mit Frequenz von lat.: frequentia, "Häufigkeit", Formelzeichen f oder manchmal auch der griechische Buchstabe

\nu

, bezeichnet man allgemein die Anzahl von Ereignissen innerhalb eines bestimmten Zeitraums. Im Speziellen sind mit diesen Ereignissen Perioden gemeint, somit ist die Frequenz der Kehrwert der Periode. Neben einer Ereignishäufigkeit pro Zeitintervall kann Frequenz auch eine Ereignishäufigkeit in einem bestimmten Gebiet bezeichnen, siehe dazu Ortsfrequenz. Die Einheit der Frequenz in Hertz, kurz: Hz ist abgeleitet von der SI-Basiseinheit Sekunde (s): :

1\mathrm=\frac

Ausgesprochen heißt die Formel: Die Frequenz ist die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Die Einheit der Frequenz ist nach dem deutschen Physiker Heinrich Rudolf Hertz benannt.

Spezielle Frequenzbegriffe

Umlauffrequenz

Unter dem Begriff Umlauffrequenz oder Drehzahl n versteht man das Verhältnis der Anzahl der Umdrehungen U in einer benötigten Zeit, z.B. n = U/min. z ist die Anzahl der Umdrehungen während der Zeit t. t ist die Zeit und Dauer der Rotation. Der Drehwinkel ist φ. T ist die Umlaufdauer (Dauer einer Umdrehung). T = 1/n. Drehzahl n und Zahl der Umdrehungen z müssen sorgfältig unterschieden werden.
z = φ / 2 · π :

f =

T = Periodendauer :

f =

n = Schwingungsanzahl und t = Zeit
Weiterhin wird in der Physik häufig die Kreisfrequenz ω benutzt und anstatt der Frequenz f wird gern der griechische Buchstabe ν (Ny, sprich „nü“) genommen.

Frequenzen bei Wellen

Für die Frequenz f gilt:

f=\frac

, wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in einem Medium und $\lambda$ (lambda) seine Wellenlänge ist.
- λ = Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle oder
- λ = Wellenlänge einer Schallwelle meistens in Luft
- c = Geschwindigkeit von Licht im Vakuum (Lichtgeschwindigkeit) = 299 792,458 km/Sekunde ~ 300 000 km/s = 300 000 000 m/s oder
- c = temperaturabhängige Geschwindigkeit von Schall in Luft (Schallgeschwindigkeit) = 343 m/s bei 20 °C.

Frequenzspektren

Rein sinusförmige Schwingungen kommen in der Natur nicht vor. Dies ist nicht nur in der Wellenform der Schwingung begründet, sondern auch in der zeitlichen Begrenztheit des Schwingungsvorgangs. Eine mathematisch exakte Sinuswelle ist dagegen zeitlich unbegrenzt, damit wäre der mit ihr verbundene Energieinhalt unendlich. Jeder zeitlich begrenzte Schwingungsvorgang, selbst wenn er ansonsten die Form einer Sinuskurve hat, ist dagegen immer eine Überlagerung mehrerer Frequenzen. Diese können in einem Frequenzspektrum dargestellt werden. Ein physikalisch realistischer Schwingungsvorgang besteht aus einem Gemisch unendlich vieler Frequenzen mit jeweils infinitesimalen Anteil der Einzelfrequenzen. Mathematisch kann man Frequenzen deshalb als Einheitsvektoren eines Vektorraums auffassen, die selbst nicht mehr Elemente dieses Vektorraumes sind. Jeder periodische Vorgang lässt sich durch die Summe der in ihm vorhandenen Frequenzen mit Hilfe der Fourieranalyse darstellen.

Beispiele

- Dauert eine Periode eine 0,01 Sekunde (10 ms), so ergibt sich eine Frequenz von: :

f==100 \ \mathrm

- Die Frequenz des Kammertons a' (eingestrichenes a), nach dem ein Orchester gestimmt wird, beträgt heute 440 Hz (oder geringfügig höher).
- Ein Kleinkind hört Töne mit Schwingungen bis ca. 20.000 Hz, Erwachsene hören diese hohe Frequenz nicht mehr.
- Die Frequenz des Wechselstroms im europäischen Stromnetz ist genau 50 Hz, etwa der Ton G.
- Im US-amerikanischen Stromnetz ist die Frequenz 60 Hz, etwa der Ton B. In älteren Tonaufnamen kann man manchmal ein tiefes Brummen von der Netzfrequenz hören. An der Tonhöhe kann man dann erkennen, ob eine Tonaufnahme z. B. in USA gemacht wurde. In den us-amerikanischen Stromnetzen brummt es eine kleine Terz höher als in denen Europas. Durch die Gleichrichtung der Wechselspannung ist die doppelte Netzfrequenz zu hören.
- Für Mobiltelefone (ugs. "Handy") werden unterschiedliche Frequenzbänder genutzt. Beispielhaft seien hier die Mobilfunknetze von GSM und UMTS genannt. Bei den GSM-Mobilfunknetzen wird beim D-Netz (in Deutschland D1 T-Mobile, D2 Vodafone) ein Frequenzband bei 900 MHz genutzt, das E-Netz (in Deutschland E-Plus, O₂ Germany) benutzt ein Frequenzband bei 1.800 MHz. Bei den UMTS-Mobilfunknetzen wird weltweit (bis auf Nordamerika) ein Frequenzband bei 2.100 MHz genutzt. In Nordamerika verwenden die Netze dagegen - sowohl für GSM- als auch UMTS-Mobilfunknetze - überwiegend das 1900 MHz-Band und das 850 MHz-Band.
- in der Medizin gilt: Der Puls f oder

\nu

(griechisch: ny) wird in Anzahl der Pulsschläge (Perioden) pro Minute gemessen. Siehe auch: Kreisfrequenz, Fourieranalyse, Liste interessanter Frequenzen

Weblinks

- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-wellenlaenge.htm Umrechnung von Frequenz in Wellenlänge und zurück bei Schallwellen (Schall in Luft) und Radiowellen (Licht)]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-periodendauer.htm Umrechnung von Frequenz f in Periodendauer T und zurück] Kategorie:Digitale Signalverarbeitung Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Wellenlehre ja:周波数 ko:진동수 th:ความถี่

Elektromagnetisches Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum beschreibt die verschiedenen Arten elektromagnetischer Wellen geordnet nach der Wellenlänge. An einem Ende des Spektrums sind Radiowellen, deren Wellenlänge von wenigen Zentimetern bis zu vielen Kilometern reichen. Am anderen Ende des Spektrums sind die sehr kurzwelligen und damit energiereichen Gammastrahlen, deren Wellenlänge bis in atomare Größenordnungen reicht. atomare Die Umrechnung von der Wellenlänge in eine Frequenz erfolgt mit der einfachen Formel Frequenz

\ \nu = c / \lambda

also Lichtgeschwindigkeit geteilt durch die Wellenlänge. Laut Quantenmechanik kann Licht auch als Ansammlung von Teilchen beschrieben werden, den Photonen, deren Energie gemäß der Formel

E = h \cdot \nu

von der jeweiligen Frequenz abhängt. Hierbei ist

\ h

das plancksche Wirkungsquantum. Diese Energie ist in der SI-Einheit Joule sowie, der oftmals einfacheren Zahlen wegen, in der Einheit Elektronenvolt eV angegeben. Siehe auch Vorsilben für Maßeinheiten und Frequenzband.

Weblinks

- [http://www.fbmn.fh-darmstadt.de/home/blendowske/TO/em-spektrum.pdf Wellenlängen verschiedener Spektralbereiche - Übersicht] Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Elektrodynamik

Lichtspektrum

Unter Lichtspektrum versteht man das Licht, das von einem Objekt emittiert oder zurückgeworfen wird. Das Lichtspektrum ist Teil des elektromagnetischen Spektrums.elektromagnetischen Spektrums

Spektrumtypen

Linienspektrum

Bandenspektrum

Kontinuierliches Spektrum

Emissionsspektrum

Absorptionsspektrum

Anwendungen

Absorptionsspektrum

]] Ein Absorptions- oder Absorptionslinienspektrum ist ein durch dunkle Bereiche gekennzeichnetes elektromagnetische Spektrum. Das Gegenstück zu einem Absorptionsspektrum bildet ein Emissionsspektrum. Diese Bereiche sind die Absorptionslinien, welche darauf beruhen, dass bestimmte Wellenlängenbereiche durch Teilchen absorbiert wurden. Das Absorptionsspektrum stellt daher die Frequenzverteilung der eingestrahlten und in der Probe geschwächten Strahlungsintensität dar. In ihm sind materialtypische Spektrallinien - eben die dunklen Absorptionslinien - und Banden erkennbar, durch die eine Materialanalyse möglich wird. Eine große Bedeutung haben Absorptionsspektren daher auch in der Astronomie, da man über sie die stoffliche Zusammensetzung leuchtender Himmelskörper ermitteln kann (siehe das Beispiel des Sonnenspektrums rechts). Die Linien entsprechen jeweils der Energiedifferenz zwischen zwei verschiedenen Zuständen des Atoms. Diese Energiedifferenz wird durch das absorbierte Lichtteilchen, das Photon, aufgebracht oder in Form eines Photons abgegeben. Kategorie:Spektroskopie Kategorie:Atomphysik Kategorie:Astronomie Kategorie:Astrophysik

Emissionsspektrum

Ein Emissionsspektrum oder Emissionslinienspektrum ist ein durch Emissionslinien gekennzeichnetes elektromagnetische Spektrum. Es unterteilt sich in ein Linienspektrum und Kontinua. Das Gegenstück eines Emissionsspektrums bildet das Absorptionsspektrum.

Atomspektrum

Ein Atomspektrum ist ein gesondertes Emissionsspektrum eines einzelnen isolierten Atoms bzw. des von ihm ausgesandten (emittierten) Lichts. Die Linien entsprechen jeweils der Energiedifferenz zwischen zwei verschiedenen Zuständen des Atoms. Diese Energiedifferenz wird durch das absorbierte Lichtteilchen, das Photon, aufgebracht oder in Form eines Photons abgegeben. Sie ist daher diskret, kann also nicht beliebige Werte anehmen, was auch bedingt, dass jedes Atom - entsprechend seiner Elektronenkonfiguration - nur diskrete Wellenlängen emittieren kann. Die emittierten Wellenlängen sind daher spezifisch für ein bestimmtes Atom und so dessen jeweiliges Element. Wird durch Absorption eines Photons ein Elektron ganz vom Atom gelöst, spricht man von einer Ionisierung des Atoms. Hierfür ist, abhängig vom Ausgangszustand des Elektrons, eine bestimmte Mindestenergie notwendig. Da für einen kontinuierlichen Energiebereich über der Mindestenergie eine Ionisierung möglich ist, spricht man von einem Kontinuum. Der umgekehrte Vorgang, die Emission eines Photons beim Einfangen eines Elektrons, nennt man Rekombination des Elektrons mit dem positiven Ion.

Emissionsspektrum eines Körpers

Körper, die aus einer Vielzahl unterschiedlicher Elemente bestehen - insbesondere selbstleuchtende Himmelskörper - besitzen ebenfalls ein Emissionsspektrum. Dieses setzt sich aus der Wirkung der einzelnen Atomspektren zusammen. Kategorie:Spektroskopie Kategorie:Atomphysik Kategorie:Astronomie

Schall

Schall (von althochdeutsch scal) bezeichnet allgemein das Geräusch, den Klang, den Ton, wie er von Menschen und auch von Tieren vernommen werden kann. Schall stellt die Ausbreitung von kleinsten Druck- und Dichtestörungen in einem elastischen Medium (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper) dar. Man unterscheidet den Nutzschall, wie Musik oder die Stimme beim Gespräch, und den Störschall, wie Baustellen- oder Verkehrslärm.

Definition

Physik

Physikalisch gesehen ist Schall eine Welle. In Gasen und in Flüssigkeiten ist Schall immer eine Longitudinalwelle, also auch im wichtigsten Medium, in Luft. In Festkörpern gibt es auch Transversalwellen. Schallwellen transportieren Schwingungen und Informationen. Sie bewegen Mediumteilchen (meistens Luft) um einen mittleren Zustand und breiten sich mit einer charakteristischen Geschwindigkeit, der Schallgeschwindigkeit c aus. Diese beträgt 343 m/s in Luft bei einer Temperatur von 20°C und 1407 m/s in Wasser bei einer Temperatur von 0°C. Die Wellenlänge

\lambda

für einen tonalen Schall kann mit der Frequenz f und der Schallgeschwindigkeit c über folgende Beziehung berechnet werden :

\lambda = \frac

Weiterhin ist Schall dadurch definiert, dass die Schwankungen der Zustandsgrößen Druck und Dichte klein im Verhältnis zu ihren Ruhegrößen sind. Das wird dadurch anschaulich, wenn man Schalldruckpegel von 120 dB (Dezibel) (das ist etwa die Schmerzschwelle des Menschen) mit dem normalen atmosphärischen Druck vergleicht: Der Ruhedruck der Atmosphäre beträgt 101325 Pascal (= 1013,25 Hektopascal), während ein Schalldruckpegel von 120 dB einem Effektivwert des Schalldrucks p von gerade einmal 20 Pascal entspricht. Schall ist im Gegensatz zu Licht eine Materiewelle. Da Schall zu seiner Ausbreitung ein materielles Medium benötigt, ist er im Vakuum nicht existent.

Akustik

Die zugehörige Wissenschaft ist die Akustik, welche wiederum ein Untergebiet der Gasdynamik ist. Die beiden Energieformen, die sich beim Schall ineinander wandeln, sind die Kompressionsenergie und die Bewegungsenergie als Schallenergiegröße, charakterisiert werden sie aber durch die Schallfeldgrößen:
- Schalldruck p im N/m² = Pa (Pascal)
- Schallschnelle v in m/s Die linearen Schallfeldgrößen und die quadratischen Schallenergiegrößen müssen deutlich auseinander gehalten werden. Wellen sind zeitlich und örtlich periodische Veränderungen einer physikalischen Größe g(t,x). Der Schalldruck p ist die wichtigste Schallfeldgröße als Skalar überhaupt (siehe auch Druckwelle). Dieses hat verschiedene Gründe: Der Schalldruck ist eine anschauliche Größe, mit Mikrofonen relativ leicht messbar und auch vom Menschen physiologisch erfassbar. Die Schallfeldgröße Schallschnelle v ist ein Vektor, wobei bei Einwirkung von Schall die "Geschwindigkeit" der Hin- und Herbewegung von den Fluidelementen (Luftteilchen) gemeint ist. Der Begriff "Geschwindigkeit" wird hier zur deutlichen Abgrenzung zur Schallgeschwindigkeit c allerdings vermieden. Die Schnelle ist nicht so leicht bestimmbar. Man muss sich hierbei klar werden, dass die maximal auftretenden Geschwindigkeiten bei der Auslenkung der Fluidelemente klein im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit sind: Bei einem Schalldruck von 120 dB beträgt die Schnelleamplitude in Luft gerade einmal 0,05 m/s. Bei der Hörschwelle des Menschen von 0 dB hat die Schnelleamplitude einen Wert von 5 · 10^-8 m/s. Hierbei werden die Luftpartikel nur ganz gering ausgelenkt.

Einteilung nach Frequenz

Entsprechend dem Frequenzbereich unterscheidet man:
- Infraschall < 16 Hz ist für Menschen nicht hörbar, da zu tieffrequent
- Hörschall von 16 Hz bis 20 kHz, ist für Menschen hörbarer Schall
- Ultraschall von 20 kHz bis 10 GHz ist für Menschen nicht hörbar, da zu hochfrequent
- Hyperschall > 10 GHz sind nur noch bedingt ausbreitungsfähige Wellen

Reduzierung von Störschall

Bei der Geräuschbekämpfung wird zwischen direkt erzeugtem und indirekt erzeugtem Luftschall unterschieden. Direkt erzeugter Luftschall entsteht ohne die Beteiligung von Körperschall (z.B. in einem Strahltriebwerk). Beim indirekt erzeugten Luftschall wird durch eine Kraftanregung zunächst Körperschall in einer Struktur erzeugt. Dieser pflanzt sich in der Struktur fort. Durch Vibrationen an der Oberfläche der Struktur wird dann Luftschall abgestrahlt. Beim direkt erzeugten Luftschall muss zur Geräuschabsenkung die Verwirbelung der Luft gering gehalten werden. Besonders ist darauf zu achten, dass Bauteile nicht von verwirbelter Strömung beaufschlagt werden (s. Aeroakustik). Beim indirekt erzeugten Luftschall kann an verschiedenen Punkten angesetzt werden. Zunächst kann der Kraftverlauf so beeinflusst werden, dass er möglichst wenige Eigenfrequenzen des Bauteils anregt. Dies ist immer dann der Fall, wenn keine steilen Kraftsprünge oder Kraftspitzen vorhanden sind. Weiterhin kann die Eingangsimpedanz des Bauteils erhöht werden (z.B. durch erhöhte Masse an der Krafteinleitungsstelle. Schließlich kann die Struktur selbst bedämpft werden (z.B. durch Entdröhnung mit Schwermatten oder Sandwichbleche). Beispiele für die Anwendung primärer und sekundärer Mechanismen sind:
- Lärmschutzwand
- verkehrsberuhigte Bereiche
- Geschwindigkeitsbegrenzungen
- Gehörschutz ("Ohrstöpsel")
- Schallschutzfenster
- [http://www.avguide.ch/index.cfm/show/page.view/uuid/38FEA811-8A11-97B0-47A895B69E7997AF Schallkompensation]
- lüfterloses Design von Computern
- Spindel-loses Design von Computern (also ohne klassische Festplatte, vielleicht mit Flash-Speicher)
- Flüssigkeitslager (statt Kugellager)
- Umwendelung von Fahrzeugantennen zur Vermeidung von Pfeiftönen (Kármánsche Wirbelstraße)
- Straßenbeläge aus Drainasphalt

Literatur

- Breuer, Hans: dtv-Atlas Physik, Band 1. Mechanik, Akustik, Thermodynamik, Optik. München: dtv-Verlag, 1996, ISBN 3-423-03226-X
- Kuttruff, Heinrich: Akustik. Stuttgart: Hirzel, 2004, ISBN 3-777-61244-8

Weblinks

- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-wellenlaenge.htm Berechnung von Wellenlänge des Schalls, Frequenz und Schallgeschwindigkeit]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-wellen.htm Berechnung der Wellenlänge einer Schallwelle in Luft bei gegebener Frequenz und Temperatur] Kategorie:Akustik Kategorie:Elektroakustik Kategorie:Nachrichtentechnik Kategorie:Physik Kategorie:Wellenlehre ja:音 ko:소리 simple:Sound th:เสียง

Synthesizer

Ein Synthesizer ist ein elektronisches oder elektronisch gesteuertes Gerät zur Synthese von Schwingungen.

Laborgerät in der Elektrotechnik

In der Elektrotechnik beschreibt ein Synthesizer eine elektronische Vorrichtung zur Synthese monophoner, hochreiner Schwingungen, wie etwa einer Sinus-, Dreieck- und Rechteckschwingung oder der Erzeugung von Nadelimpulsen. Derartige Geräte, auch als Waveform Generator bekannt, dienen der Überprüfung elektronischer Schaltungen, oft von Verstärkern. Da es sich um Laborgeräte handelt, besitzen diese meist ein extrem niedriges Rauschen und einen an der Grenze der Messbarkeit liegenden Klirrfaktor. Solche Generatoren, die heute fast ausschließlich mit digitalen Bauelementen realisiert werden, bezeichnet man auch als digitale Oszillatoren.

Elektronisches Musikinstrument

Am häufigsten wird als Synthesizer ein Tasteninstrument bezeichnet, das auf elektronischem Wege Klänge erzeugen kann. Synthesizer erzeugen dabei die Klänge durch direktes Erzeugen und Verändern von elektrischen Schwingungen (analoger Synthesizer) oder durch mathematische Operationen diskreter Werte (digitaler Synthesizer). Es kommen verschiedene Synthesearten, auch in gemischter Form, zum Einsatz. Gebräuchlich sind zur Klangerzeugung die additive, subtraktive, bzw. FM-Synthese, sowie das Physical Modelling und die Phasenmodulation. Analoge Synthesizer der 1970er Jahre sind oft als Modularsystem aufgebaut. Die einzelnen Komponenten (Generatoren, Filter, Modulatoren) sind in einem Rack montiert und werden nach Bedarf durch Klinkensteckerkabel miteinander verbunden.

Grundlagen

Synthesizer verwenden verschiedene Syntheseprinzipen zur Klangerzeugung, wobei diese analog oder digital abgebildet werden. Folgende Grundprinzipien sind bekannt:
- Subtraktive Synthese
- Additive Synthese
- Granularsynthese
- Wavetable Synthese
- FM-Synthese
- Physical Modelling
- Sampling

Geschichte

Erste Entwicklungen

Erste Entwicklungen für synthetische Klangerzeugung fanden in den 30er Jahren statt. Einige Entwicklungen wie das Theremin, auch Aetherophon genannt, oder das Trautonium erweckten zwar eine gewisse Aufmerksamkeit, setzten sich aber – oft wegen ihrer für Musiker ungewohnten Spielweise – nicht großflächig durch. 1950 produziert RCA experimentelle Geräte zum Erzeugen von Sprache und Musik. Der Mark II Music Synthesizer (1958) konnte nur nach vorheriger kompletter Programmierung ein Stück wiedergeben und musste für das nächste neu programmiert werden. Gesteuert wurde er über Lochstreifen. 1958 entwickelte Daphne Oram beim BBC Radiophonic Workshop einen neuartigen Synthesizer, der die sog. "Oramics"-Technik verwendete. Gesteuert wurde der Synthesizer über 35mm-Film. Er wurde einige Jahre bei der BBC verwendet. Hugh Le Caine, John Hanert, Raymond Scott, Percy Grainger (mit Burnett Cross), und andere bauten in den späten 40ern und 50ern verschiedene elektronische Musikinstrumente. Ab den 60er war die Entwicklung der Elektronik soweit vorangeschritten, dass Klänge und Töne in Echtzeit erzeugt werden konnten, doch waren diese Geräte aufgrund ihrer Größe auf den Studiobetrieb beschränkt. Diese Geräte waren meistens modular aufgebaut und die einzelnen Komponenten konnten manuell miteinander verkabelt werden. Viele dieser ersten Geräte waren experimentelle Einzelstücke. Donald Buchla, Hugh Le Caine, Raymond Scott und Paul Ketoff waren die Pioniere in den 60ern, wobei nur Buchla ein kommerzielles Gerät anbot.

Erste kommerzielle Synthesizer (analog monophon)

Den ersten spiel- und konfigurierbaren Synthesizer stellte Robert Moog her und präsentierte ihn 1964 auf der "Audio Engineering Society convention". Dauerte es zunächst Stunden, den Synthesizer zu konfigurieren, und war er mehr eine Spielerei, war bis 1968 die Technik soweit fortgeschritten, dass sie ernsthaft verwendet werden konnte. Bereits während der Entwicklung konnte er den Musiker Walter Carlos (später Wendy Carlos) für das Instrument begeistern (modularer Synthesizer, zu hören in der Filmmusik zu A Clockwork Orange), dessen praktische Erfahrungen mit elektronischer Musik in die Weiterentwicklung einflossen. Der neue Klang, wie auf dem sehr erfolgreichen Album "Switched-On Bach" von Walter Carlos 1968 verwendet, war sensationell. In den späten 60ern erschienen nun eine Vielzahl von Aufnahmen, die den neuen Moog Synthesizer Sound verwendeten. Moog setzte zugleich auch die Standards, die das Verknüpfen verschiedener Synthesizer erlaubte, wie z.B. eine Schnittstelle zur externen Ansteuerung über eine logarithmische 1-Volt/Oktave Tonhöhensteuerung. Die Ansteuerung der Synthesizer erfolgte normalerweise über eine normale Klaviatur oder über einen Sequenzer, bei dem man Tonhöhenfolgen zeitlich programmieren konnte und der über die genannte Schnittstelle den Synthesizer ansteuerte. Da das Moog Modular System jedoch für den Bühnen- und Live-Einsatz zu groß und zu umständlich zu bedienen war, integrierte Moog die wichtigsten Komponenten seines Synthesizers in ein kompaktes Gehäuse, das den Namen Minimoog erhielt und 1970 auf den Markt kam. Der Minimoog wurde in den Folgejahren ein von vielen Musikern verwendetes und weit verbreitetes Musikinstrument. Im Laufe der 70er Jahre kamen verschiedene weitere Unternehmen mit Synthesizern auf den Markt u.a. ARP Instruments (von Alan Robert Pearlman), Oberheim (von Tom Oberheim) und Sequential Circuits. Alle Synthesizer hatten jedoch zwei entscheidende Nachteile: zum einen waren sie nur monophon spielbar, zum anderen waren sie nicht dauerhaft zu programmieren. Man konnte also keine Einstellungen speichern. Dennoch spezialisierten sich Gruppen und Musiker wie Kraftwerk, Jean Michel Jarre, Tangerine Dream, Ed Starink, Klaus Schulze oder Vangelis auf elektronische Musik und Synthesizer.

Elektrische Orgeln

Alle Orgeln (auch akustische) basieren auf dem Prinzip der additiven Synthese, indem mehrere Sinusklänge zusammgemischt einen komplexen Klang ergeben. In der originalen Hammond Orgel von 1935 wurden die Sinusschwingungen über wellengetriebene Zahnräder erzeugt, die Schwingungen in Tonabnehmer induzierten. Für jede harmonische Schwingung gab es ein Rad. Später wurden die Schwingung durch elektronische Schaltungen erzeugt. Die von elektronischen Orgeln erzeugten Klänge waren weit weniger modulierbar als die der Synthesizer, hatten aber den Vorteil polyphon spielbar zu sein.

Mikroprozessorgesteuerte polyphone analoge Synthesizer

Die meisten der ersten Synthesizer waren monophon. Nur wenige waren in der Lage, zwei Töne zur gleichen Zeit zu erzeugen, wie der Moog Sonic Six, der ARP Odyssey, und der EML 101. Echte Polyphonie war zur damaligen Zeit nur über das Prinzip der elektrischen Orgel zu realisieren. Der ARP Omni, der Moog Polymoog und der Opus 3 verbanden daher beide Elemente. Erst 1976 kamen die ersten echten polyphonen Synthesizer auf den Markt, wie etwa der Yamaha CS-80 und der Oberheim Four-Voice. Diese ersten Synthesizer waren aber komplex und teuer. Der erste erschwingliche polyphone und zudem mikroprozessorgesteuerte und damit programmierbare Synthesizer war 1978 der Prophet-5 von Sequential Circuits. Zum ersten Mal konnten Musiker ihre Einstellungen speichern und per Knopfdruck wieder abrufen. Daneben war er kompakt und leicht.

MIDI

Eine kleine Revolution in der Entwicklung der Synthesizer war die Entwicklung von MIDI, einer einfachen digitalen seriellen Standardschnittstelle für Synthesizer. Entwickelt wurde sie von den Firmen Roland und Sequential Cirquits und 1983 vorgestellt. Sie hat sich in kürzester Zeit als Standard-Industrieschnittstelle etabliert. Bis heute ist sie in fast unveränderter Form in jedem Synthesizer zu finden und erlaubt es verschiedenste elektronische Geräte auf einfache Art und Weise miteinander zu verbinden. 1991 erfolgte mit General MIDI (GM) eine Erweiterung des Standards um die Klangbelegung. Damit ist z.B. ein Oboenklang immer auf dem gleichen Programmplatz zu finden. Es erlaubt so komplette Musikstücke mit der richtigen Klangbelegung über GM-konforme Wiedergabegeräte abzuspielen.

Digitale Klangerzeugung - Revolution I: FM-Synthese

MIDI bedeutet: Music intrumental digital Interface Eine wirkliche Revolution war das Aufkommen von Synthesizern mit digitaler Klangerzeugung, zunächst per FM-Synthese. Die FM-Synthese wurde in den 70ern entwickelt. Kurz gesagt erzeugen bei der FM-Synthese digitale Oszillatoren (sog. Operatoren) Sinusschwingungen. Komplexe mathematische Verschaltungen der einzelnen Sinusschwingungen ergeben komplexe Wellenformen. Ein Alleinstellungsmerkmal der FM-Synthese zur damals gebräuchlichen subtraktiven Synthese war die Möglichkeit, besonders obertonreiche und perkussive Klänge zu erzeugen. Das Patent der FM-Synthese wurde vom japanischen Synthesizerhersteller Yamaha lizenziert. Die ersten Synthesizer, der GS-1 und GS-2 waren schwere und teure Geräte und fanden keine weite Verbreitung. 1983 erschien dann mit dem DX7 der Synthesizer, der den gesamten Markt revolutionieren sollte. Er hatte die Größe und das Gewicht des Prophet-5 und war im Preis für die Masse erschwinglich. Er war DER Synthesizer der 80er Jahre und man findet kaum eine Pop-Musikaufnahme aus dieser Zeit, worauf kein DX7 zu hören ist. Nach dem Auslaufen des Patentschutzes fand die FM-Synthese weite Verbreitung, wie z.B. in einfachen 4-Operatoren-Synthesizern auf PC Soundkarten. Das Aufkommen des DX7 bedeutete nach relativ kurzer Zeit, dass viele subtraktive analoge Synthesizer altmodisch waren, was das Aus vieler renommierter Firmen wie etwa Moog bedeutete.

Digitale Klangerzeugung - Revolution II: Sampling

Eine zweite Revolution, die sich schon 1979 mit dem ersten Fairlight CMI ankündigte war das Sampling. Beim Sampling werden natürliche Klänge digitalisiert. Diese digitalen Wellenformen bilden dann die Grundlage der Klangerzeugung. Mit dem Sampler war etwas möglich, was bisher nur dem altmodischen Mellotron vorbehalten blieb, die "genaue" Wiedergabe natürlicher Instrumente. Die ersten Systeme, wie das Fairlight CMI, der Emulator I von E-MU oder später auch das Synclavier von New England Digital waren extrem teure Geräte, die nur den "Großen" der Branche vorbehalten waren. Außerdem waren die technischen Möglichkeiten der Wiedergabe aufgrund geringer Auflösung und Speicherkapazität zunächst begrenzt. Peter Gabriel und Kate Bush veröffentlichten 1982 die ersten Aufnahmen auf denen "gesampelte" Klänge zu hören sind. 1985 kam mit dem Mirage von Ensoniq der erste für die breite Masse erschwingliche Sampler auf den Markt. Sampling prägte schon bald das Klangbild der Popmusik der 1980er.

Synthesizer und mehr

1987 brachte Roland mit dem D-50 einen Synthesizer auf den Markt, der besonders aufgrund seines integrierten Effektgerätes und der Attacksamples sehr populär wurde. 1988 trieb KORG mit der M1 die Integration auf die Spitze. Die M1 repräsentierte einen neuen Typus von Synthesizer, die "Workstation". Hier waren zum ersten Mal ein Synthesizer, Effektgerät, Drumcomputer und Sequencer in einem Gerät integriert. Dies erlaubte das Erstellen kompletter Lieder in einem Gerät, ohne externe Hardware zu verwenden. Die Korg M1 ist nach dem Yamaha DX7 der meistverkaufte Synthesizer.

Physical Modelling Synthesizer

Anfang der 90er Jahre kamen die ersten Synthesizer mit einer neuartigen Synthesemethode, dem Physical Modelling (PM) auf den Markt. Bei der PM-Synthese wird versucht anhand von mathematischen Beschreibungen eine "natürliche" physikalische Klangerzeugnung digital zu simulieren, d.h. man berechnet wie sich etwa Luftschwingungen in einem Saxophon verhalten oder eine Saite einer Gitarre schwingt. Das Prinzip war eigentlich nicht neu. Eine praktische Anwendung kam aber erst in Sicht nach Entwicklung des Karplus-Strong Algorithmus und dessen Verfeinerung, sowie der Verallgemeinerung des Algorithmus in eine "digital waveguide synthesis" durch Julius O. Smith III et al.. Für eine Echtzeitberechnung waren leistungsfähige digitale Signalprozessoren (Abk. DSP: digital signal processing) nötig, wie sie erst Ende der 80er Jahre zur Verfügung standen. Wie bei der FM-Synthese sicherte sich Yamaha die Rechte und entwickelte ab 1989 mit der Stanford University zusammen die Synthese. Der erste kommerzielle Synthesizer war 1994 der Yamaha VL-1. Interessanterweise versuchte man bald über diesen Ansatz die alten analogen Synthesizer mit all ihren klanglichen Unzulänglichkeiten als virtuell-analoge Synthesizer digital wieder auferstehen zu lassen. Bekanntester Synthesizer hier ist der Clavia Nord Lead. Nach den digitalen Synthesizerklängen der 80er kam es in den 90ern zu einer Renaissance analoger Synthesizer bzw. deren Klänge, insbesondere durch das Aufkommen der Techno-Musik. Vormals fast wertlose Synthesizer wie Rolands TB-303 stiegen dadurch wieder erheblich im Wert.

Der moderne Synthesizer

Fast alle heutigen Synthesizer sind komplett digital aufgebaut. Sie verwenden meist spezielle DSP (digital signal processor) Bausteine zur Klangerzeugung, wobei häufig verschiedene Syntheseformen wie FM-Synthese, Sampling, subtraktive Synthese usw. gleichzeitig eingesetzt werden. In den letzen Jahren wurden einige sogenannte Hybridsynthesizer entwickelt, die DSPs mit analogen Bauteilen kombinieren, wobei sowohl ein zum Großteil digitaler Signalweg wie z.B. beim Waldorf Q+ (analoge Filter, ansonsten DSP-basiert) und ein vorwiegend analog aufgebauter Sinalweg (DSI Evolver) möglich sind. Das Konzept der hybriden Synthesizer stammt aus den 80er Jahren, Modelle wie der ESQ1 von Ensoniq kombinierten kurze Samples oder addivtiv erzeugte Wellenformen mit analogen Filtern. Ein neuer Trend sind sogenannte native Software-Synthesizer. Aufgrund der Leistungsfähigkeit moderner PCs ist es möglich, eine digitale Klangerzeugung auf unspezialisierten PC-Prozessoren aufzusetzen. Mittlerweile gibt es für jede Syntheseform verschiedene Software-Synthesizer, die z.T. Nachbauten bekannter Hardware Synthesizer sind. Auch werden bekannte alte Instrumente wie etwa Fender Rhodes Pianos oder Hammond B3 Orgel simuliert.

Gesprochene Wikipedia

Teil 1: Synthesizer: [http://glfstreaming.dm-studio.fh-furtwangen.de:8000/audiopedia/synthesizer.m3u Ogg Vorbis Stream] Teil 2: Additive Synthese: [http://glfstreaming.dm-studio.fh-furtwangen.de:8000/audiopedia/additive_synthese.m3u Ogg Vorbis Stream] Teil 3: Subtraktive Synthese 1: [http://glfstreaming.dm-studio.fh-furtwangen.de:8000/audiopedia/subtraktive_synthese1.m3u Ogg Vorbis Stream] Teil 4: Subtraktive Synthese 2: (Filter) [http://glfstreaming.dm-studio.fh-furtwangen.de:8000/audiopedia/subtraktive_synthese2_filter.m3u Ogg Vorbis Stream] Teil 5: Granularsynthese: [http://glfstreaming.dm-studio.fh-furtwangen.de:8000/audiopedia/granularsynthese.m3u Ogg Vorbis Stream] Teil 6: FM-Synthese: [http://glfstreaming.dm-studio.fh-furtwangen.de:8000/audiopedia/fm_synthese.m3u Ogg Vorbis Stream]

Synthesizerhersteller

Im folgenden eine Liste bekannter Hersteller, die die Entwicklung von Synthesizern maßgeblich prägten:
- Access
- ARP Instruments
- Akai
- Alesis
- Clavia
- Electronic Music Studios
- E-MU Systems
- ENSONIQ
- Fairlight CMI
- Korg
- Kurzweil
- Moog
- New England Digital
- Novation
- Oberheim
- PPG
- Quasimidi
- Roland Corporation
- Sequential Circuits
- Waldorf
- WaveFrame Corporation
- Yamaha

Weiteres

Technisch mit dem Synthesizer verwandt ist der Vocoder zur Bearbeitung der menschlichen Stimme.

Weblinks

- [http://www.synthesizerforum.de/ www.synthesizerforum.de]
- [http://www.digital-horizon.de www.digital-horizon.de - Informationsplattform für Synthesizer-Selbstbau und Audio-Elektronik-DIY] Kategorie:Tasteninstrument Kategorie:Synthesizer-Sequenzer Kategorie:Akustik Kategorie:Progressive Rock ja:シンセサイザー th:เครื่องสังเคราะห์เสียง

Formant

Allgemeines

Formanten (von lateinisch formare = formen) nennt man bei Musikinstrumenten oder der menschlichen Stimme Frequenzbereiche, bei denen die Lautstärke angehoben ist, also Maxima im Spektrum. Die Lage der Formanten im Frequenzbereich ist unabh