Faraday’sches Induktionsgesetz (1831)

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1 Faraday’sches Induktionsgesetz (1831)
Historischer Versuchsaufbau: In his attempt to produce an electric current from a magnetic field, Faraday used an apparatus like that shown above (29 August 1831). A coil of wire, X, was connected to a battery. The current that flowed through X produced a magnetic field that was intensified by the iron core. Faraday hoped that by using a strong enough battery, a steady current in X would produce a great enough magnetic field to produce a current in a second coil Y. This second circuit, Y, contained a galvanometer to detect any current but contained no battery. He met no success with steady currents. But the long-sought effect was finally observed when Faraday saw the galvanometer in circuit Y deflect strongly at the moment he closed the switch in circuit X. And the galvanometer deflected strongly in the opposite direction when he opened the switch. Faraday concluded that although a steady magnetic field produces no current, a changing one can. Such a current is called an induced current. 3. Maxwellgesetz:

2 Erweitertes Durchflutungsgesetz (Maxwell-Ampèresches Gesetz) (1826+1861)
André-Marie Ampère James Clerk Maxwell 4. Maxwellgesetz:

3 Michelson-Morley Experiment (1881+1887)
Versuchsaufbau:

4 Zwillingsparadoxon (Einstein 1911)
Aufgrund der Zeitdilatation („bewegte Uhren gehen langsamer“) wird behauptet: Verbleibt von zwei gleichartigen Uhren eine in einem Inertialsystem in Ruhe, während man die zweite auf eine Reise mitnimmt und an deren Ende schließlich wieder an den Ort der ersten zurückbringt, so wird die zweite Uhr gegenüber der ersten nachgehen. In der Zwillingsversion desselben Gedankenversuchs bedeutet das: Geht einer von zwei Zwillingen auf eine "Raumfahrt", so ist er nach seiner Rückkehr zur Erde jünger als sein zu Hause gebliebener Zwillingsbruder. Paradoxon: Die Zeitdilatation selbst ist gemäß dem Relativitätsprinzip symmetrisch. Das heißt, jeder sollte die Uhr des anderen als bewegt und somit deren Gangrate als verlangsamt betrachten können. Daraus ergibt sich die Frage, warum die am selben Ort verharrende Uhr nicht aus Sicht der zurückkehrenden Uhr beim Zusammentreffen nachgeht. Das würde einen Widerspruch ergeben, denn beim Zusammentreffen können die Zeigerstellungen beider Uhren nicht jeweils gegenüber der anderen nachgehen. Lösung: Aus der Sicht von Max ist er selbst bei seiner Ankunft in B um 4 Jahre gealtert während Sepp nur etwas mehr als 3 Jahre gealtert ist. Am Umkehrpunkt B wechselt Max das Inertialsystem. Während der Umkehrphase schwenken die Linien der Gleichzeitigkeit für Max. Sein Bruder auf der Erde altert bis zum Punkt A3 nach (auf knapp 7 Jahre). Max ist bei seiner Rückkehr A3 um 8 Jahre gealtert, während Sepp um 10 Jahre gealtert ist. Raumzeit-Diagramm: v = 0.6c

5 Zeitdilatation Kosmische Höhenstrahlung:
Myonen haben eine sehr kurze Lebensdauer: Die Halbwertszeit beträgt 1,52 µs. Mit ihrer Geschwindigkeit von ca. 99,8 % c würde die etwa 20 km lange Flugstrecke bis zur Erdoberfläche rund 44 x so lange dauern wie ihre Lebensdauer beträgt. Das bedeutet, dass man auf Meereshöhe (fast) keine Myonen mehr nachweisen können dürfte. Tatsächlich sind jedoch sehr viele Myonen messbar! Warum? Grund: Bewegte Uhren gehen langsamer. D.h. im Ruhesystem der Myonen (also die Uhren, die sich mit den Myonen mitbewegen) ist viel weniger Zeit vergangen als auf der Erde: Die ruhenden Uhren zeigen 24 µs an.

6 Synchrotronstrahlung am DESY
Hamburger Synchrotron Strahlungslabor (HASYLAB, seit 1980) Zwei Arten von Strahlungsquellen: 1. Speicherringe, die im Betrieb Synchrotronstrahlung erzeugen (DORIS (1980)+PETRA (1995)), 2. lineare Freie-Elektronen-Laser, die laserartige Strahlung erzeugen (FLASH, seit 2004).

7 Synchrotron Synchrotron DESY II: Rechts an der Tunnelinnenseite steht das Synchrotron DESY II. Es dient der Beschleunigung von Positronen oder Elektronen für die Nutzer DORIS, PETRA und drei Teststrahlmessplätze. Links im Bild sieht man das alte, auf DESY I basierende Synchrotron DESY III, welches bis zum Jahr 2007 zur Beschleunigung von Protonen links: DESY II, oben: HASYLAB Was wird am HASYLAB erforscht? 1984: Das erste durch Synchrotronstrahlung gewonnene Mößbauer-Spektrum 1985: Detailstruktur des Schnupfenvirus 1986: gelang erstmals der Versuch, mit Synchrotronstrahlung einzelne Gitterschwingungen (Phononen) in Festkörpern anzuregen. Durch die unelastische Röntgenstreuung (IXS) konnten Untersuchungen der Eigenschaften von Materialien durchgeführt werden, die vorher nur an Kernreaktoren mit Neutronenstreuung (INS) möglich waren. In der jüngeren Vergangenheit nutzte die Firma OSRAM die Anlagen von HASYLAB, um die Glühdrähte ihrer Lampen mittels Synchrotronstrahlung untersuchen zu lassen. Durch die neugewonnenen Erkenntnisse über den Glühvorgang konnte die Haltbarkeit von Lampen in bestimmten Anwendungsgebieten besser kontrolliert werden. Am HASYLAB werden kleinste Verunreinigungen im Silicium für Computerchips analysiert, die Wirkungsweise von Katalysatoren erforscht, die mikroskopischen Eigenschaften von Werkstoffen untersucht und Eiweißmoleküle mit dem Röntgenlicht der Synchrotronstrahlung durchleuchtet.

8 Undulator In einem Artikel von 1947 setzte der russische Physiker Vitaly Ginzburg die theoretischen Grundlagen für den Undulator. Der erste Undulator wurde dann 1952 von Hans Motz (geb. in Wien) und seinen Mitarbeitern in Stanford gebaut. oben: Undulator für PETRA III am DESY (zukünftig auch f. XFEL) , K = Undulatorparameter links: berechnete Wellenfronten der Undulatorstrahlung eines Elektrons f. v=0.9c.