Vorlesung Experimentalphysik III: Mo 9.15 – 10.45, GrHS Do 9.15 – 10.45, GrHS

1. Modul EP3 Modultitel: Elektrizitätslehre 2/ Optik 1 • Vorlesung Experimentalphysik III: • Mo 9.15 – 10.45, GrHS • Do 9.15 – 10.45, GrHS • Übung Experimentalphysik III: • Mo 15.15 – 16.45, SR 218 • Mi 9.15 – 10.45, SR 221 • Mi 13.30 –15.00, SR 218 • Josef A. KäsAbteilung für die Physik weicher Materie • e-mail: jkaes@physik.uni-leipzig.de • URL: www.softmatterphysics.com • Tel.: ++49-(0)341-9732471 • mobile: 0179-9043672 • Carsten SelleAbteilung für die Physik weicher Materie • e-mail: selle@physik.uni-leipzig.de • URL: www.softmatterphysics.com • Tel.: ++49-(0)341-9732471 • Modul LA-EP3 • Vorlesung Experimentalphysik III: • Mo 9.15 – 10.45, GrHS • Do 9.15 – 10.45, GrHS • Übung: • Mi 9.15 – 10.45, SR 221

2. Inhalt: • Induktion. Wechselstrom, Impedanzen, Schwingkreise. • Elektromagnetische Wellen und dynamische Maxwell-Gleichungen. Elektromagnetisches Spektrum. Wellenleitung. Radiowellen, Hertz'scher Dipol. Plasmen. • Geometrische Optik, Brechung, Prisma, Linsen. Dispersion. Abbildungsfehler. Optische Instrumente, Auge und Photometrie, Mikroskoptheorie. Wellenoptik, Kohärenz und Interferenz. Optik dünner Schichten. Interferometer. Beugung, Spalt, Gitter und Auflösung. Holographie. Röntgenoptik und Kristallgitter. Raumfilter. Polarisierte Wellen und Kristalloptik. • Relativitätstheorie. • Fehlt vom letzten Semester: Ladungsträger im Vakuum. Magnetfeld und Lorenzkraft. • Kreisströme, Spulen, magnetischer Fluss. Magnetische Medien. Statische Maxwell- • Gleichungen. Ladungen im Magnetfeld, Teilchenbeschleuniger. • Literatur: • Berkeley Physik Kurs, Bd.4: Elektrizität und Magnetismus, Edward M. Purcell • Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd.3: Optik, Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Heinz Niedrig

3. Prüfungsformen und –leistungen: • Klausur 120 min, mit Wichtung: 1 • Prüfungsvorleistung: Wöchentlich ausgegebene Hausaufgaben zu Fragen aus dem Bereich des Modulinhalts. Für die Lösung werden Punkte vergeben. Voraussetzung für die Zulassung zur Prüfung ist der Erwerb von 50% der möglichen Punkte des gesamten Semesters. • Klausur am Montag 9.2.2009 von 9:00-12:00 (voraussichtlich) • Probeklausur am Samstag 20.12.2008 von 9:00-12:00 (voraussichtlich) • Minitests während der Vorlesung! Hausaufgaben: • Ausgabe jeden Donnerstag nach der Vorlesung • Abgabe jeden Donnerstag vor der Vorlesung

4. 1. Mini-Test, Exp. Phys. III 1. Berechnen Sie den Gesamtstrom I der folgenden Schaltung wenn Gleichstrom schon lange Zeit anliegt! U0 I + R1 R3 R2 C 2. Wie fällt der Gesamtstrom I direkt nach dem Einschalten ab?

5. Zeitplan 29 Doppelstunden, Berk: Berkeley Physics Course, BS: Bergmann-Schaefer • Felder bewegter Ladungen: Berk. Kap. 5; 16.10 • Magnetische Feld: Berk. Kap. 6; 20.10 • Teilchenbeschleuniger: 20.10 • Elektromagnetische Induktion: Berk. Kap. 7; 23.10 • Wechselstromkreise: Berk. Kap. 8; 27.10 • Maxwell-Gleichungen: Berk. Kap. 7, BS Kap. E.1; 30.10 • Elektromagnetische Felder: BS Kap. E.2-7; 30.10 • Reflexion und Brechung: BS Kap. 1.1-1.4; 3.11 • Gauß-Optik: BS Kap. 1.5-1.7; 6.11 • Das Auge und optische Instrumente: BS Kap. 1.8-1.9; 10.11 • Lichtmikroskopie: 13.11 • Dispersion des Lichtes: BS Kap. 2; 17.11 • Interferenz: BS Kap. 3.1-3.7, 20.11 • Beugung: BS Kap. 3.8, 3.10, 3.11, 3.13; 20.11 + 24.11 • Auflösungsvermögen optischer Instrumente: BS Kap. 3.9; 27.11 • Bildentstehung nach Abbé: BS Kap. 3.12; 1.12 • Holographie: BS Kap. 3.13; 4.12 • Wellenleiter: BS Kap. 3.15; 4.12 • Polarisation und Doppelbrechung: BS Kap. 4; 8.12 • Quantenoptik: BS Kap. 7.1-7.7; 11.12 • Laser: BS Kap. 7.9; 15.12 • Optische Fallen: 18.12 • Nichtlineare Optik: BS Kap. 8, 5.1 • Röntgenoptik: BS Kap. 9, 8.1 • Elektronen- und Neutronenoptik: BS Kap. 10+11; 12.1 • Lichtausbreitung und Relativitätstheorie: BS Kap. 12; 15.1 + 19.1

6. Motivation Powers of Ten (http://www.powersof10.com): All dies kann mit elektromagnetischen Wellen / Photonen gesehen werden!

7. Beschleuniger FACS (=fluorescence activated cell sorting), CERN, LHC 2008

8. Wechselstrom CPU (Central Processing Unit) Dielektrophoretische Feldkäfige Bioimpedanz Messungen Moderne CPUs werden – je nach Auslastung − während des Betriebs sehr heiß. Je nach Modell und Hersteller werden pro cm² Verlustleistungen von bis zu 125 Watt erreicht (aktuelle Quadcores). Übliche Grenz-temperaturen für den Betrieb liegen zwischen 60 und 90 °C. Temperaturen über etwa 125 bis 135 °C führen zu irreversiblen Schäden.

9. Lichtmikroskopie Es ist nicht möglich, einen „Erfinder“ des Mikroskopes zu benennen. Das Prinzip der Vergrößerung durch mit Wasser gefüllte Glasschalen wurde bereits von den Römern beschrieben (Seneca) und Vergrößerungslinsen waren schon im 16. Jahrhundert bekannt. Ebenso ist das Okular schon weit vor dem 14. Jahrhundert verwendet worden. Ernst Karl Abbe schuf zusammen mit Carl Zeiss und Otto Schott um 1880 die Grundlagen der modernen Optik.

10. Ein 4Pi-Mikroskop ist eine Variante des Konfokalmikroskops, das eine höhere Auflösung besitzt als die bei normalen konfokalen Mikroskopen übliche Auflösung von 200 nm in lateraler und 500 – 700 nm in axialer Richtung. Das 4Pi-Mikroskop hat axial eine Auflösung von ca. 100 nm, während die laterale Auflösung nicht verbessert wird. Ein STED-Mikroskop (Stimulated Emission Depletion) ist ein Konfokalmikroskop, dessen Auflösung nicht beugungsbegrenzt ist. Es konnte bereits eine Auflösung von 15 nm (lateral) demonstriert werden. Stefan W. Hell Fluoreszenzgefärbte Poren einer porösen Membran sind mit herkömmlicher Auflösung als solche nicht zu erkennen. Parallel dazu ausgeführte Abbildung durch STED-Mikroskopie fördert ihre Struktur zutage.

11. Optische Fallen • Johannes Kepler, 1571 – 1630 • Kometenschwänze deuten von der Sonne weg. • James Maxwell, 1831 – 1879 • Elektromagnetische Grundgleichungen • Arthur Schawlow and Charles • Townes, 1958, Erfindung des Lasers • Arthur Ashkin, 1969 • Erste optische Falle • Steven Chu, 1999 • Nobelpreis für optische Atomfalle

12. Microscope objective Focal plane

13. Holographic Optical Tweezers (HOTs) use computer-generated holograms, also known as diffractive optical elements (DOEs) or kinoforms, to split a single laser beam into any desired fan-out of beams, each of which is relayed to a strongly converging objective lens and focused into a distinct optical trap. This approach can project hundreds of simultaneous optical traps in arbitrary three-dimensional configurations. Each trap can be imbued with unique characteristics, such as the ability to exert torques as well as forces, and the entire trapping pattern can be updated in real time to dynamically reconfigure and transform mesoscopic matter. E. R. Dufresne and D. G. Grier, "Optical tweezer arrays and optical substrates created with diffractive optical elements," Rev. Sci. Instr. 69, 1974-1977 (1998).

14. The Optical Stretcher 30 cells/min

15. Relativitätstheorie