Mechanical engineering and materials Books

Book SynopsisDas Buch behandelt die klassische Punktmechanik und die Mechanik starrer Körper in den Newtonschen, Lagrangeschen und Hamiltonschen Formulierungen sowie die Schwingungs- und Wellenlehre und die relativistische Mechanik. Die wichtigsten Prinzipien der Mechanik werden nicht nur vorgestellt, sondern mit zahlreichen, über Standardaufgaben hinausgehenden Beispielen praktisch angewendet. Damit können die Leserinnen und Leser die Vielfalt der Mechanik kennenlernen und die mathematischen Methoden einüben, die in fortgeschrittenen Kursen vorausgesetzt werden. Interaktive MATLAB-Applikationen und fotorealistische Animationen mechanischer Probleme veranschaulichen auch kompliziertere Sachverhalte. Aus Rezensionen zu früheren Auflagen: 'Auch die Durchmischung des Stoffes mit anschaulichen Beispielen und der gut lesbare Text werden diese Ausgabe der Klassischen Mechanik in den Bestsellerlisten halten.' (Internationale Mathematische Nachrichten) 'Die Ausgewogenheit in Theorie und Anwendungen hilft, die klassische Mechanik als das zu erkennen, was sie wirklich ist.' (Optik) Stimmen von Hochschullehrern zu früheren Auflagen: '... ist das Buch von einer bestechenden Didaktik. Das äußert sich im Sprachstil, der dem Leser die Begeisterung des Autors unmittelbar mitteilt ...' '... mit allergrößter - wissenschaflicher wie pädagogischer - Sorgfalt ...' '... ausgewogen in Theorie und Anwendungsbeispielen ...'Trade Review"Es verbindet abstrakte physikalische Prinzipien mit Anwendungen in der Praxis; dadurch ist es viel einfacher, die Prinzipien zu verstehen und zu verinnerlichen." Maschinenmarkt (09.05.2016) "Kuypers Lehrbuch Klassische Mechanik gilt als Klassiker unter Studierenden der Physik, Material- oder Ingenieurwissenschaften (Bachelor). Es zählt zu den beliebtesten Lehrbüchern in diesem Bereich." News in Industry (03.05.2016) "Dieses Grundlagenfach ist äußerst wichtig und seit Jahrzehnten begleitet das beliebte Lehrbuch die Studierenden. Kuypers weiß, worauf es bei der Vermittlung des Stoffs ankommt, und setzt dabei vor allem auf Beispiele." Maschinenmarkt.vogel.de (03.05.2016) "Ein sehr gut gelungenes Werk, welches mit hervorragenden Beispielen die gesamte Mechanik umfassend abdeckt." Prof. Dr. Robert Kellner, Hochschule für angewandte Wissenschaften - FH RosenheimTable of ContentsVorwort V MECHANICUS VIII A Die Newtonsche Mechanik 1 1 Einteilchensysteme 2 1.1 Die Newtonschen Axiome 2 1.2 Konservative Kräfte und Potentiale 5 1.3 Energieerhaltungssatz 10 1.4 Beschleunigte Bezugssysteme 10 1.5 Corioliskräfte der Erdrotation* 16 1.6 Zusammenfassung 19 1.7 Aufgaben 21 2 Mehrteilchensysteme 23 2.1 Impulssatz und Schwerpunktsatz 23 2.2 Drehimpulssatz 28 2.3 Die zehn Erhaltungsgrößen 33 2.4 Zusammenfassung 41 2.5 Aufgaben 43 B Die Lagrangesche Mechanik 47 3 Zwangsbedingungen 48 3.1 Generalisierte Koordinaten 48 3.2 Klassifizierung von Zwangsbedingungen 48 3.3 Newtonsche Bewegungsgleichungen 52 3.4 Zusammenfassung 56 3.5 Aufgaben 57 4 Dasd’Alembert-Prinzip 58 4.1 Virtuelle Verrückungen 58 4.2 Das d’Alembert-Prinzip 59 4.3 Richtung der Zwangskräfte* 64 4.4 Das Gleichgewichtsprinzip 66 4.5 Wichtigkeit des d’Alembert-Prinzips 66 4.6 Zusammenfassung 66 4.7 Aufgaben 67 5 Die Lagrangegleichungen 2. Art 69 5.1 Aufstellung der Lagrangegleichungen 2. Art 69 5.2 Forminvarianz der Lagrangegleichungen 73 5.3 Beschleunigte Bezugssysteme* 75 5.4 Wichtigkeit der Lagrangegleichungen 2. Art 76 5.5 Zusammenfassung 77 5.6 Aufgaben 78 6 Lagrangeformalismus mit Reibung 83 6.1 Reibungstypen* 83 6.2 Dissipationsfunktion 84 6.3 Zusammenfassung 87 6.4 Aufgaben 88 7 Symmetrien und Erhaltungsgrößen 90 7.1 Kanonische Impulse 90 7.2 Zyklische Koordinaten und Erhaltungsgrößen 90 7.3 Das Noether-Theorem 93 7.4 Energieerhaltungssatz 98 7.5 Zusammenfassung 100 7.6 Aufgaben 101 8 Stabilität und Bifurkationen 103 8.1 Bedingungen für nichtchaotisches Verhalten 103 8.2 Untersuchung von Differentialgleichungen 106 8.3 Stabilität: Erste Methode von Ljapunow 108 8.4 Stabilität: Direkte Methode von Ljapunow 114 8.5 Bifurkationen 118 8.6 Zusammenfassung 123 8.7 Aufgaben 125 9 Die Lagrangegleichungen 1. Art 127 9.1 Vom d’Alembert-Prinzip zu Lagrange I 127 9.2 Wichtigkeit der Lagrangegleichungen 1. Art 136 9.3 Zusammenfassung 136 9.4 Aufgaben 137 10 Das Hamiltonsche Prinzip 143 10.1 Variationsrechnung 143 10.2 Hamiltonsches Prinzip 148 10.3 Wichtigkeit des Hamiltonschen Prinzips 150 10.4 Zusammenfassung 151 10.5 Aufgaben 152 C Anwendungen derMechanik 155 11 Zentralkraftbewegungen 156 11.1 Zweikörperproblem 156 11.2 Zentralkräfte 157 11.3 Wiederholung 158 11.4 Bewegung im konservativen Zentralkraftfeld 159 11.5 Effektives Potential 164 11.6 Streuung im Zentralkraftfeld* 167 11.7 Streuung im Laborsystem* 174 11.8 Zusammenfassung 178 11.9 Aufgaben 180 12 Der starre Körper 185 12.1 Bewegungen starrer Körper 185 12.2 Kinetische Energie und Trägheitstensor 186 12.3 Drehimpuls 191 12.4 Schwerpunktsatz und Drehimpulssatz 195 12.5 Die EulerschenWinkel 204 12.6 Lagrangegleichungen des starren Körpers 212 12.7 Analogie Translation – Rotation * 217 12.8 Zusammenfassung 219 12.9 Aufgaben 221 13 Lineare Schwingungen 231 13.1 Harmonischer Oszillator 231 13.2 Gekoppelte Schwingungen 240 13.3 Übergang zum schwingenden Kontinuum 252 13.4 Zusammenfassung 263 13.5 Aufgaben 265 14 Nichtlineare Schwingungen 269 14.1 Lineare und nichtlineare Kräfte 269 14.2 Störungsrechnung 270 14.3 Verfahren der harmonischen Balance 275 14.4 Erzwungene nichtlineare Schwingungen 278 14.5 Selbst- und parametererregte Schwingungen 281 14.6 Zusammenfassung 282 14.7 Aufgaben 283 15 Greensche Funktionen und Deltafunktion 288 15.1 Einführung der Greenschen Funktionen 288 15.2 Greensche Funktionen und Fouriertransformationen 292 15.3 Die Deltafunktion 301 15.4 Andere Darstellungen der Deltafunktion 305 15.5 Zusammenfassung 306 15.6 Aufgaben 308 D Die Hamiltonsche Mechanik 310 16 Die Hamiltonschen Gleichungen 312 16.1 Legendre-Transformation 312 16.2 Die Hamiltonschen Gleichungen 313 16.3 Hamiltonfunktion und Energie 316 16.4 Hamiltonsche Gleichungen und Hamiltonsches Prinzip 319 16.5 Wichtigkeit der Hamiltonschen Gleichungen 320 16.6 Zusammenfassung 321 16.7 Aufgaben 321 17 Die Poisson-Klammern 323 17.1 Definition und Eigenschaften 323 17.2 Wichtigkeit der Poisson-Klammern 324 17.3 Zusammenfassung 325 17.4 Aufgaben 326 18 Kanonische Transformationen 327 18.1 Punkttransformationen 327 18.2 Kanonische Transformationen im weiteren Sinn 329 18.3 Kanonische Transformationen 332 18.4 Wiederholung* 333 18.5 Erzeugende kanonischer Transformationen 334 18.6 Wichtigkeit der kanonischen Transformationen 341 18.7 Zusammenfassung 342 18.8 Aufgaben 343 19 Kanonische Invarianten 346 19.1 Kanonische Invarianz der Poisson-Klammern 346 19.2 Kanonische Invarianz des Phasenvolumens 347 19.3 Zusammenfassung 348 19.4 Aufgaben 349 20 Der Satz von Liouville 350 20.1 Phasenbahnen 350 20.2 Grundlagen der Statistischen Mechanik 350 20.3 Beweis des Satzes von Liouville 352 20.4 Konsequenzen des Satzes von Liouville 354 20.5 Zusammenfassung 356 20.6 Aufgaben 357 21 Hamilton-Jacobi-Theorie 359 21.1 Hamilton-Jacobi-Gleichung 359 21.2 Berechnung einer Prinzipalfunktion 362 21.3 Integrabilität 367 21.4 Wichtigkeit der Hamilton-Jacobi-Theorie 370 21.5 Zusammenfassung 370 21.6 Aufgaben 372 22 Übergang zur Quantenmechanik 373 22.1 Analogie Mechanik – geometrische Optik 374 22.2 Zeitunabhängige Schrödinger-Gleichung 377 22.3 Zusammenfassung 380 E Die Relativistische Mechanik 381 23 Raum und Zeit 382 23.1 Das Galileische Relativitätsprinzip 382 23.2 Die Einsteinschen Postulate 382 23.3 Relativität der Zeit 385 23.4 Die Lorentz-Transformationen 389 23.5 Zeitdilatation und Längenkontraktion 395 23.6 Zusammenfassung 405 23.7 Aufgaben 406 24 Relativistische Kinematik 409 24.1 Maximale Geschwindigkeit 409 24.2 Vierdimensionale Entfernungen 410 24.3 Doppler-Effekt 415 24.4 Addition von Geschwindigkeiten 420 24.5 Beschleunigungen* 427 24.6 Zusammenfassung 429 24.7 Aufgaben 430 25 Relativistische Dynamik 434 25.1 Vierervektoren 434 25.2 Relativistischer Impuls 436 25.3 Masse und Energie 442 25.4 Photonen 447 25.5 Grenzen der Raumfahrt* 451 25.6 Zusammenfassung 458 25.7 Aufgaben 460 Lösungen 463 Lösungen 1: Einteilchensysteme 463 Lösungen 2: Mehrteilchensysteme 467 Lösungen 3: Zwangsbedingungen 472 Lösungen 4: Das d’Alembert-Prinzip 474 Lösungen 5: Die Lagrangegleichungen 2. Art 478 Lösungen 6: Lagrangeformalismus mit Reibung 493 Lösungen 7: Symmetrien und Erhaltungsgrößen 496 Lösungen 8: Stabilität und Bifurkationen 500 Lösungen 9: Die Lagrangegleichungen 1. Art 507 Lösungen 10: Das Hamiltonsche Prinzip 531 Lösungen 11: Zentralkraftbewegungen 543 Lösungen 12: Der starre Körper 557 Lösungen 13: Lineare Schwingungen 600 Lösungen 14: Nichtlineare Schwingungen 620 Lösungen 15: Greensche Funktionen und Deltafunktion 631 Lösungen 16: Die Hamiltonschen Gleichungen 642 Lösungen 17: Die Poisson-Klammern 646 Lösungen 18: Kanonische Transformationen 649 Lösungen 19: Kanonische Invarianten 657 Lösungen 20: Der Satz von Liouville 659 Lösungen 21: Hamilton-Jacobi-Theorie 661 Lösungen 23: Raum und Zeit 667 Lösungen 24: Relativistische Kinematik 674 Lösungen 25: Relativistische Dynamik 680 Index 685

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Book SynopsisKleben gehört zu den wärmearmen Fügetechniken und ist in der Lage, praktisch alle technisch nutzbaren Werkstoffe miteinander und untereinander flächig und stoffschlüssig zu verbinden. Die hierbei durch Adhäsion entstehende Verbindung wird sehr schonend aufgebaut, da der Klebvorgang weder großer Hitze (wie beim Schweißen oder Löten), noch strukturschwächende Löcher (wie beim Nieten oder Schrauben) bedarf. Die in der Regel großflächig ausgelegte Klebung sorgt zudem für eine relativ gleichmäßige Spannungsverteilung im Bauteil. In einem klar strukturierten 5-Phasensystem bietet Fügetechnologie Kleben hier eine detaillierte Anleitung für die Schritte, die für den Aufbau eines sicheren und stabilen Klebprozesses zur Herstellung eines qualitativ hochwertigen Bauteils notwendig sind. Berücksichtigt werden dabei unter anderem die Vorbehandlung der zu verklebenden Werkstoff oberflächen, die Auswahl der geeigneten Klebstoffe, die Dimensionierung der Verklebung sowie die Prozessschritte zur Dosierung beziehungsweise Aushärtung der Klebstoffe. Dem Anwender werden so moderne und nachhaltige Materialien sowie klebtechnische Verfahren präsentiert, mit einem besonderen Fokus auf Oberflächenbehandlungsmöglichkeiten, Klebstoffe und Verarbeitungsmethoden relevant für Industrie und Handwerk.Table of ContentsVorwort ix 1 Geschichte des Klebens von der Steinzeit bis heute 1 1.1 Die Anfänge der Klebtechnik 1 1.2 Kleben vom Mittel- bis zum Industriezeitalter 2 1.3 Geschichte des Klebens 1845–1960 4 1.4 Geschichte des Klebens 1960 bis heute 8 2 Position der Klebtechnik in Industrie und Handwerk 11 2.1 Einleitung 11 2.2 Vor- und Nachteile des Klebens 12 2.3 Kleben in Industrie und Handwerk 16 2.4 Moderne Klebstoffsysteme für Industrie und Handwerk 17 3 Der Klebprozess: Qualitäts- und Projektmanagement 25 3.1 Einführung 25 3.2 Qualitätsmanagement 25 3.3 Projektmanagement 26 3.3.1 Teil 1 – Planungs-, Konzept- und Machbarkeitsphase 28 3.3.2 Teil 2 – Entwicklungs- und Einführungsphase 28 3.3.3 Gate Reviews 28 3.3.4 Die „Process Map“ 31 3.4 Qualitätsanforderungen an Klebprozesse nach DIN 2304 32 4 Planung (Phase 1) 37 4.1 Einleitung 37 4.2 Erstellen des Projektauftrags für die Entwicklung eines Klebprozesses 38 4.3 Rollenbeschreibungen der für den Projekterfolg relevanten Personen 39 5 Konzept(Phase2) 43 5.1 Einleitung 43 5.2 Grundlagen des Klebens 45 5.2.1 Adhäsion 45 5.2.2 Benetzung 47 5.2.3 Kohäsion 52 5.3 Werkstoffe und deren Oberflächen 54 5.3.1 Einleitung 54 5.3.2 Metalle 54 5.3.3 Kunststoffe 66 5.3.4 Glas 69 5.4 Beanspruchung von Klebverbunden 72 5.4.1 Langzeitverhalten von Klebverbunden 73 5.4.2 Feuchtebeanspruchung 74 5.4.3 Beanspruchung durch korrosiveMedien 74 5.4.4 Temperaturwechselbeanspruchungen 76 5.4.5 Eigenspannungen in Klebungen 76 5.5 Klebtechnische Oberflächenbehandlung derWerkstoffe 79 5.5.1 Einführung 79 5.5.2 Eigenschaften der Metalloberflächen 84 5.5.3 Eigenschaften von Kunststoff- und Glasoberflächen 86 5.5.4 Klebtechnische Vorbereitung der Oberfläche 89 5.5.5 Klebtechnische Oberflächenvorbehandlung 95 5.6 Klebstoffe für Industrie und Handwerk 114 5.6.1 1K-Klebstoffe 116 5.6.2 2K-Klebstoffe 171 5.7 Kleben auf Metall-, Kunststoff- und Glasoberflächen 181 5.7.1 Kleben auf Metalloberflächen 181 5.7.2 Kleben auf Kunststoffoberflächen 189 5.7.3 Kleben auf Glasoberflächen 191 5.8 Kriterien für die Auswahl der Klebstoffe 195 5.8.1 Festlegung desWerkstoffs 196 5.8.2 Gestaltung und Dimensionierung des Klebverbundes 196 5.8.3 Beanspruchungen des Klebverbundes 198 5.8.4 Art der Oberflächenbehandlung 198 5.8.5 Art des Fertigungsprozesses 200 5.8.6 Auswahl der Klebstoffe 201 5.8.7 Praktische „Guidelines“ zur Auswahl der Klebstoffe 201 6 Machbarkeit (Phase 3) 203 6.1 Einleitung 203 6.2 Manuelle Herstellung einer Klebverbindung 204 6.2.1 Vorbereitung 204 6.2.2 Durchführung 211 6.3 Eigenschaften und Prüfverfahren 242 6.3.1 Eigenschaften von Klebverbindungen 242 6.3.2 Prüfverfahren in der Klebtechnik 257 6.4 Gestaltung und Dimensionierung von Klebverbindungen 270 6.4.1 Konstruktive Gestaltung von Klebverbindungen 270 6.4.2 Dimensionierung von Klebverbindungen 280 6.4.3 Abschließende Bemerkung zur konstruktiven Gestaltung und Dimensionierung von Klebverbindungen 287 6.4.4 Beispiele zur Dimensionierung von Klebverbindungen 287 7 Entwicklung des Klebprozesses (Phase 4) 295 7.1 Einleitung 295 7.2 Fertigungsprozess Kleben 296 7.3 Herstellungsverfahren zum Aufbau der Adhäsion 300 7.3.1 Klebstoffvorbereitung 300 7.3.2 Dosieren und Auftragen des Klebstoffs 306 7.4 Herstellungsverfahren zum Aufbau der Kohäsion 315 7.4.1 Mischen der Klebstoffkomponenten 315 7.4.2 Fügen und Fixieren 322 7.4.3 Aushärten der Klebstoffe 322 8 Einführung des Klebprozesses (Phase 5) 325 9 Moderne Anwendungen in Industrie und Handwerk 327 9.1 Einleitung 327 9.2 Kleben im Leichtbau 328 9.3 Kleben im Fassadenbau 332 9.4 Kleben auf niederenergetischen Werkstoffen 334 9.5 Kleben mit strukturellen 2K-Klebstoffen 338 9.6 Kleben mit Hochleistungsklebebandsystemen 345 Stichwortverzeichnis 349

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Book SynopsisBewährtes Konzept auf neuestem Stand: die 7. Auflage dieses Klassikers ist ideal für alle Studentinnen und Studenten, die die Physikalische Chemie quantitativ und mathematisch exakt durchdringen möchten und entsprechend ausgerichtete Vorlesungen hören. Sämtliche Teilgebiete der Physikalischen Chemie werden ausführlich abgedeckt und Bezüge zu Nachbarwissenschaften herausgestellt. Eine Vielzahl von Aufgaben unterschiedlicher Schwierigkeitsgrade unterstützt das Verstehen und erleichtert die Vorbereitung auf Klausuren und mündliche Prüfungen. Damit ist das umfassende Lehrbuch ein zuverlässiger Begleiter für Studierende der Chemie, Physik, Materialwissenschaften und Mineralogie für das gesamte Bachelor- und Master-Studium. * Nachvollziehbare, saubere mathematische Herleitungen von Formeln und Zusammenhängen in allen Teilgebieten der Physikalischen Chemie * Didaktisch hervorragend dank der jahrelangen Erfahrung in Forschung und Lehre von Gerd Wedler und Hans-Joachim Freund * Mit neuen Abschnitten zu oszillierenden Reaktionen und zur nichtlinearen optischen Spektroskopie * Kernaussagen und -inhalte sind am Ende jedes Kapitels kompakt zusammengefasst * Lehr- und Arbeitsbuch erstmals in einem Buch kombiniert * Noch besser für Selbststudium und Prüfungsvorbereitung mit mehr als 350 Aufgaben mit ausführlichen Lösungswegen Zusatzmaterial für Dozenten verfügbar unter www.wiley-vch.de/textbooks Gerd Wedler war bis 1995 Inhaber des Lehrstuhls für Physikalische Chemie der Universität Erlangen-Nürnberg. Sein Forschungsgebiet umfasste die Untersuchung des Adsorptions- und Reaktionsverhaltens kleiner Moleküle an Modellkatalysatoren. Für seine Arbeiten auf diesem Gebiet wurde ihm 1996 die Bunsen-Gedenkmünze der Deutschen Bunsengesellschaft für Physikalische Chemie verliehen. Sein Lehrbuch der Physikalischen Chemie gilt als Standardwerk des Faches. Hans-Joachim Freund war Professor an den Universitäten Erlangen und Bochum und ist seit 1996 Direktor am renommierten Fritz-Haber-Institut in Berlin. Zu seinen Forschungsinteressen gehören die Physik und Chemie fester Oberflächen, die Struktur und Dynamik oxidischer Oberflächen und Nanostrukturen sowie Modellsysteme für die heterogene Katalyse. Seine Forschung wurde mehrfach ausgezeichnet, u.a. mit dem Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Somorjai Award der American Chemical Society und dem Karl-Ziegler-Preis der Gesellschaft Deutscher Chemiker. Seine Vorträge und Vorlesungen sind für ihre Verständlichkeit besonders auch bei komplexen Sachverhalten bekannt.Table of ContentsVorwort „Lehr- und Arbeitsbuch Physikalische Chemie“Wedler/Freund XV Vorwort zur ersten Auflage XVII 1 Einführung in die physikalisch-chemischen Betrachtungsweisen, Grundbegriffe und Arbeitstechniken 1 1.1 Einführung in die chemische Thermodynamik 1 1.2 Einführung in die kinetische Gastheorie 46 1.3 Einführung in die statistische Thermodynamik 52 1.4 Einführung in die Quantentheorie 62 1.5 Einführung in die chemische Kinetik 97 1.6 Einführung in die Elektrochemie 109 1.7 Beugungserscheinungen und reziprokes Gitter 134 2 Chemische Thermodynamik 145 2.1 Das reale Verhalten der Materie 145 2.2 Mischphasen 158 2.3 Die Grundgleichungen der Thermodynamik 167 2.4 Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik 179 2.5 Phasengleichgewichte 182 2.6 Das chemische Gleichgewicht 223 2.6.1 Allgemeine Betrachtungen 223 2.7 Grenzflächengleichgewichte 245 2.8 Elektrochemische Thermodynamik 266 3 AufbauderMaterie 293 3.1 Quantenmechanische Behandlung einfacher Systeme 293 3.2 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Atomen – Atomaufbau und Periodensystem 322 3.3 Materie im elektrischen und im magnetischen Feld 336 3.4 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Molekülen 349 3.5 Die chemische Bindung 395 3.6 Molekülsymmetrie und Struktur 423 4 Die statistische Theorie der Materie 451 4.1 Die klassische Statistik und die Quantenstatistiken 451 4.2 Statistische Thermodynamik 463 4.3 Die kinetische Gastheorie 491 5 Transporterscheinungen 501 5.1 Die mittlere freieWeglänge der Gasmoleküle 501 5.2 Die Stoßzahlen der Gasmoleküle 505 5.3 Transporterscheinungen in Gasen 506 5.4 Laminare Strömung in engen Röhren 513 5.5 Zusammenfassungen zu den Abschnitten 5.1 bis 5.4 514 5.6 Die elektrische Leitfähigkeit in Festkörpern 515 5.7 Die elektrokinetischen Erscheinungen 522 6 Kinetik 527 6.1 Die experimentellen Methoden und die Auswertung kinetischer Messungen 528 6.2 Formale Kinetik komplizierterer Reaktionen 536 6.3 Reaktionsmechanismen 540 6.4 Die Theorie der Kinetik 551 6.5 Die Kinetik von Reaktionen in Lösung 564 6.6 Die Kinetik heterogener Reaktionen 571 6.7 Die Katalyse 574 6.8 Die Kinetik von Elektrodenprozessen 593 7 Mathematischer Anhang 603 Lösungen zu Kapitel 1 Einführung in die physikalisch-chemischen Betrachtungsweisen, Grundbegriffe und Arbeitstechniken 629 1.1 Einführung in die chemische Thermodynamik 629 1.2 Einführung in die kinetische Gastheorie 658 1.3 Einführung in die statistische Thermodynamik 662 1.4 Einführung in die Quantentheorie 678 1.5 Einführung in die chemische Kinetik 694 1.6 Einführung in die Elektrochemie 706 1.7 Beugungserscheinungen und reziprokes Gitter 715 Lösungen zu Kapitel 2 Chemische Thermodynamik 717 2.1 Das reale Verhalten der Materie 717 2.2 Mischphasen 723 2.3 Die Grundgleichungen der Thermodynamik 727 2.4 Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik 734 2.5 Phasengleichgewichte 736 2.6 Das chemische Gleichgewicht 748 2.7 Grenzflächengleichgewichte 765 2.8 Elektrochemische Thermodynamik 769 Lösungen zu Kapitel 3 Aufbau derMaterie 779 3.1 Quantenmechanische Behandlung einfacher Systeme 779 3.2 Die Spektren 789 3.3 Materie im elektrischen und im magnetischen Feld 793 3.4 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Molekülen 797 3.5 Die chemische Bindung 834 3.6 Molekülsymmetrie und Struktur 842 Lösungen zu Kapitel 4 Die statistische Theorie der Materie 853 4.1 Die klassische Statistik und die Quantenstatistiken 853 4.2 Statistische Thermodynamik 857 4.3 Die kinetische Gastheorie 886 Lösungen zu Kapitel 5 Transporterscheinigungen 891 5.1 Materie (Abschnitte 5.1 bis 5.4) 891 5.2 Ladung (Abschnitte 5.5 bis 5.6) 896 Lösungen zu Kapitel 6 Kinetik 899 6.1 Die experimentellen Methoden und die Auswertung kinetischer Messungen 899 6.2 Formale Kinetik komplizierterer Reaktionen und Reaktionsmechanismen (Abschnitte 6.2 und 6.3) 902 6.3 Die Theorie der Kinetik (Abschnitt 6.4) 906 6.4 Die Kinetik von Reaktionen in Lösung (Abschnitt 6.5) 908 6.5 Die Kinetik heterogener Reaktionen (Abschnitt 6.6) 913 6.6 Die Katalyse (Abschnitt 6.7) 915 6.7 Die Kinetik von Elektrodenprozessen (Abschnitt 6.8) 919 Einige nützliche Informationen 923 Sachverzeichnis 927

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Book SynopsisAktuelles Lehrbuch zur Materialkunde der Nichteisenmetalle - kompakt, übersichtlich, verständlich Die Werkstoffklasse der Nichteisenmetalle ist groß: man teilt sie ein in Leicht-, Bunt-, Alkali- und Erdalkalimetalle, hochschmelzende und Refraktärmetalle sowie Metalle der Platingruppe und Edelmetalle. Diese Vielfalt der (teilweise überlappenden) Klassifizierungen entspricht den unzähligen Anwendungsmöglichkeiten der Nichteisenmetalle, die im Blick auf die technische und wirtschaftliche Bedeutung den eisenbasierten Werkstoff en in nichts nachstehen. Daher spielen die Nichteisenmetalle auch in der Hochschullehre für Studierende der Material- und Werkstoffwissenschaften und des Maschinenbaus eine immer größere Rolle. Materialkunde der Nichteisenmetalle und -legierungen gibt eine Einführung in die Materialphysik der Nichteisenmetalle und ihrer Legierungen mit dem Fokus auf Darstellung, Konstitution, Gefüge, mechanische und physikalische Eigenschaften, die den Einsatz in der Anwendung bestimmen. Kompakt und klar strukturiert erlangen die Leserinnen und Leser einen Überblick über die Leistungsfähigkeit der Nichteisenmetalle und deren Grenzen und erwerben die Kompetenz, die Einsatzmöglichkeiten anhand der jeweiligen Eigenschaften zu bewerten. * Klar strukturiert: in einheitlich aufgebauten Kapiteln werden die wichtigsten Nichteisenmetalle und ihre Legierungen dargestellt, stets im Zusammenhang mit ihren Anwendungen * Top Team: die Autoren verfügen über langjährige Lehrerfahrung und gehören zu den bekanntesten Werkstoffwissenschaftlern Deutschlands Materialkunde der Nichteisenmetalle und -legierungen richtet sich an Bachelor- und Master-Studenten der Materialwissenschaften, Master-Studenten der Physik und Chemie, Ingenieurstudenten, sowie an Materialwissenschaftler und Metallurgen.Trade Review"Das erste Lehrbuch zur Metallkunde der Nichteisenmetalle, didaktisch hervorragend aufbereitet und mit mehr als 400 farbigen Abbildungen, gibt den Lesern eine Einführung in Darstellung, Konstitution, Gefüge und physikalische Eigenschaften der Nichteisenmetalle." Konstruktion, 04.06.2020 ?Sie erwerben die Kompetenz, die Einsatzmöglichkeiten anhand der jeweiligen Eigenschaften zu bewerten. Die Autoren verfügen über langjährige Lehrerfahrung.? Hephaistos, 09.09.2020 ?Es richtet sich an Studierende der Material- und Werkstoffwissenschaften und des Maschinenbaus, ist aber auch für Studentinnen und Studenten der Physik und Chemie sowie Materialwissenschaftler, Metallurgen und Werkstoffprüfer ein interessantes und ausführliches Fachbuch.? Zfp-Zeitung, 19.10.2020 ?Anschauliche Darstellungen und meist gut verständlich! Gut zu empfehlen für Studenten.? Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel, 23.10.2020 ?Gut gefällt mir die für alle Werkstoffengruppen durchgängig erfolgte Betrachtung der gesamten Prozessketten zu Werkstoffherstellung und Weiterverarbeitung, beginnend bei den entsprechenden Rohstoffen.? Prof. Dr.-Ing. habil. Olaf Keßler, 12.11.2020 Table of ContentsVorwort zu Materialkunde der Nichteisenmetalle und -legierungen ix Uber die Autoren xi Einordnung der Metalle 1 Eigenschaftsschaubilder 5 Werkstoffauswahl mithilfe eines Eigenschaftsschaubildes 7 Bezeichnung der Nichteisenmetalle 11 1 Aluminium und Aluminiumlegierungen 15 1.1 Darstellung von Aluminium 19 1.1.1 Das Bayer-Verfahren 19 1.1.2 Das Hall-Héroult-Verfahren 20 1.2 Physikalische Eigenschaften von Aluminium 23 1.3 Legierungssysteme des Aluminiums 26 1.3.1 Klassifikation der Aluminiumlegierungen 26 1.3.2 Das System Aluminium–Kupfer 29 1.3.3 Aushartung 31 1.4 Aluminiumknetlegierungen 37 1.4.1 Die 2000er-Aluminiumlegierungen 37 1.4.2 Das System Aluminium–Silizium 37 1.4.3 Die 4000er-Aluminiumlegierungen 38 1.4.4 Das System Aluminium–Magnesium 38 1.4.5 Die 5000er-Aluminiumlegierungen 39 1.4.6 Das System Aluminium–Magnesium–Silizium 40 1.4.7 Die 6000er-Aluminiumlegierungen 42 1.4.8 Das System Aluminium–Zink 44 1.4.9 Die 7000er-Aluminiumlegierungen 45 1.4.10 Die 8000er-Aluminiumlegierungen 46 1.4.11 Vergleich der Aluminiumknetlegierungen 47 1.5 Aluminiumgusslegierungen 48 1.5.1 Die 400er-Aluminiumlegierungen 48 1.5.2 Die anderen Aluminiumgusslegierungen 51 1.6 Festigkeitseigenschaften von Aluminiumlegierungen bei erhohter/tiefer Temperatur 52 1.6.1 Hohe Temperatur 52 1.6.2 Tiefe Temperatur 57 1.7 Werkstoffverhalten von Aluminiumlegierungen unter wechselnder Beanspruchung 60 2 Titan und Titanlegierungen 65 2.1 Darstellung von Titan 67 2.1.1 Der Kroll-Prozess 68 2.1.2 Das van Arkel-de Boer-Verfahren 70 2.2 Physikalische Eigenschaften von Titan 71 2.2.1 Die Kristallstruktur 71 2.2.2 Loslichkeit von Sauerstoff 72 2.2.3 Reaktionsaktivitat von Titan 74 2.2.4 Klassifikation von reinem Titan 75 2.3 Titanlegierungen 76 2.3.1 Klassifikation von Titanlegierungen 76 2.3.2 Einfluss von Legierungselementen 81 2.3.3 Das Gefuge der Titanlegierungen 81 2.3.4 α-Titanlegierungen 86 2.3.5 Nah-α-Titanlegierungen 87 2.3.6 β-Titanlegierungen 89 2.3.7 (α + β)-Titanlegierungen 94 2.3.8 Uberblick uber die technisch relevanten Titanlegierungen 97 2.3.9 γ-Titanlegierungen 99 2.3.10 Eigenschaften der Titanlegierungen im Vergleich 101 3 Magnesium und Magnesiumlegierungen 109 3.1 Darstellung von Magnesium 111 3.1.1 Die Schmelzflusselektrolyse von Magnesium 112 3.1.2 Thermische Reduktion 114 3.1.3 Raffination von Magnesium 116 3.2 Physikalische Eigenschaften 117 3.2.1 Die Kristallstruktur von Magnesium 117 Mechanische Zwillingsbildung 119 3.2.2 Temperaturabhangigkeit der Dichte 121 3.2.3 Dampfungsverhalten von Magnesium 123 3.3 Klassifikation vonMagnesiumlegierungen 128 3.3.1 Metallurgie derMagnesiumlegierungen 129 3.3.2 Mechanische Eigenschaften von Magnesiumlegierungen 131 3.3.3 Das System Magnesium–Aluminium 133 3.3.4 Magnesium-Dreistoffsysteme 135 3.3.5 Mechanische Eigenschaften der Magnesiumlegierungen 137 3.3.6 Mg−Li-Legierungen 139 4 Nickel und Nickellegierungen 143 4.1 Darstellung von Nickel 145 4.1.1 Flotation des Erzes 146 4.1.2 Rosten des aufkonzentrierten Erzes 146 4.1.3 Gewinnung von Rohnickel 147 4.1.4 Gewinnung von Rein- und Reinstnickel 148 4.2 Physikalische Eigenschaften von Nickel 149 4.2.1 Korrosionsverhalten von Nickel 150 4.3 Nickellegierungen 152 4.3.1 Korrosionsbestandige Nickellegierungen 152 4.3.2 Hochtemperaturbestandige Nickellegierungen 156 4.3.3 Nickelbasissuperlegierungen 161 4.4 Nickel als Basis weichmagnetischerWerkstoffe 179 5 Kupfer und Kupferlegierungen 185 5.1 Darstellung von Kupfer 187 5.2 Einteilung der Kupfersorten 192 5.3 Physikalische Eigenschaften 194 5.4 Mechanische Eigenschaften 200 5.5 Legierungssysteme des Kupfers 202 5.5.1 Messing 206 5.5.2 Bronze 220 5.5.3 Kupfer–Aluminium-Legierungen 229 5.5.4 Kupfer–Nickel-Legierungen 233 5.5.5 Kupfer–Silber-Legierungen 234 5.5.6 Zwillingsbildung zur Festigkeitssteigerung 237 5.5.7 Niedriglegierte Kupferwerkstoffe 238 6 Silber und Silberlegierungen 247 6.1 Darstellung von Silber 249 6.1.1 Silbersorten und ihre Reinheit 250 6.2 Physikalische Eigenschaften von Silber 251 6.3 Mechanische Eigenschaften 253 6.4 Legierungssysteme auf Silberbasis 257 6.4.1 Silber–Nickel-Legierungen 260 6.4.2 Silber–Kupfer-Legierungen 262 6.4.3 Silber-Metalloxid-Verbundwerkstoffe 266 6.4.4 Silber–Quecksilber-Legierungen 270 7 Gold und Goldlegierungen 275 7.1 Darstellung von Gold 277 7.1.1 Goldsorten und ihre Reinheit 280 7.2 Physikalische Eigenschaften von Gold 281 7.3 Mechanische Eigenschaften von Goldlegierungen 289 Verbinden von Goldbonddrahten 291 7.4 Legierungssysteme des Goldes 292 7.4.1 Gold–Silber-Legierungen 294 7.4.2 Gold–Nickel-Legierungen 295 7.4.3 Gold–Silber–Kupfer-Legierungen 296 7.5 Kontaktwerkstoffe auf Goldbasis 299 8 Platinmetalle und ihre Legierungen 303 8.1 Darstellung der Platinmetalle 307 8.2 Physikalische Eigenschaften der Platinmetalle 308 8.2.1 Wasserstoffatmosphare 310 8.2.2 Katalytische Eigenschaften 312 8.2.3 Einsatz bei hohen Temperaturen 313 8.3 Mechanische Eigenschaften 314 8.4 Elektrische Eigenschaften 322 8.5 Thermoelektrische Kennwerte 323 Seebeck- und Peltier-Effekt 324 9 Refraktarmetalle und ihre Legierungen 329 9.1 Darstellung der Refraktarmetalle 334 9.2 Pulvermetallurgie der Refraktarmetalle 337 9.3 Ausgewahlte physikalische und chemische Eigenschaften der Refraktarmetalle 338 9.3.1 Die Oxidationsbestandigkeit der Refraktarmetalle 338 9.3.2 Mechanische Eigenschaften 339 9.3.3 Legierungsentfestigung 345 9.3.4 Die thermische Ausdehnung 347 9.4 Molybdan und Molybdanlegierungen 348 9.5 Oxidationsbestandige Molybdanlegierungen 353 9.5.1 Das Legierungssystem Mo–Si–B 354 9.6 Wolfram undWolframlegierungen 360 9.7 Tantal und Tantallegierungen 366 Stichwortverzeichnis 369

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Book SynopsisDieses Praktikerbuch ist zum einen eine anwendungsnahe Einführung in die Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik. Zum anderen erklärt es die statistische Versuchsplanung, die für die Planung und saubere Auswertung von Versuchsreihen von entscheidender Wichtigkeit ist. Herleitungen und Beweise werden dabei ausführlich erläutert, ohne sich in mathematischen Details zu verlieren. In mehr als 160 Beispielen illustriert das Buch die Umsetzung alltagssprachlich formulierter Probleme in wahrscheinlichkeitstheoretische bzw. statistische Modelle - und deren Implementierung in R und SAS.Table of Contents1 Einleitung 1 1.1 Hauptbegriffe 1 1.2 Zielgruppen 2 1.2.1 Einsteiger/innen 2 1.2.2 Physiker/innen 3 1.2.3 SAS-Anwender/innen 4 1.3 Anmerkungen zur Notation 5 1.4 Symbole und Formelzeichen 6 1.5 Gliederung des Buches 11 1.6 Datenmaterial zu diesem Buch 12 2 Wahrscheinlichkeitstheorie 13 2.1 Was ist Wahrscheinlichkeit? 13 2.1.1 Ausgangssituation 13 2.1.2 Ermittlung von klassischen Wahrscheinlichkeiten 14 2.1.3 Formale Definition des Begriffs Wahrscheinlichkeit 16 2.2 Wahrscheinlichkeit abstrakt mathematisch 17 2.2.1 Der Wahrscheinlichkeitsraum 17 2.2.2 Bedingte Wahrscheinlichkeit und statistische Unabhängigkeit 18 2.2.3 Zufallsvariablen 20 2.2.4 Die kumulative Verteilungsfunktion 20 2.2.5 Beispiele für kumulative Verteilungen 21 2.2.6 Die Dichtefunktion 23 2.2.7 Multidimensionale Verteilungen 25 2.3 Erwartungswert, Varianz, Korrelation 25 2.3.1 Varianz von Funktionen von Zufallsvariablen 26 2.3.2 Das Gaußsche Fehlerfortpflanzungsgesetz 28 2.4 Charakteristische Funktion und Momente 29 2.4.1 Die charakteristische Funktion einer Verteilung 29 2.4.2 Momente und Kumulanten 29 2.4.3 Kumulanten niedrigster Ordnung 30 2.4.4 Zentrale Momente niedrigster Ordnung 31 2.5 Die Berechnung von Verteilungen mit Hilfe der Deltafunktion 31 2.5.1 Verteilung von Funktionen einer Zufallsvariablen 31 2.5.2 Die Erwartungswerte von Delta- und Thetafunktion 32 2.5.3 Verallgemeinerungen auf mehrere Zufallsvariable 32 2.6 Grenzverteilungen und zentraler Grenzwertsatz 33 2.6.1 Historischer Exkurs zur Gauß-Verteilung 33 2.6.2 Zentraler Grenzwertsatz nach Lindenberg-Lévy 34 2.6.3 Lévy-Verteilungen 35 2.7 Quantile 37 2.8 Ergänzungen 38 2.8.1 Symmetrierelationen 38 2.8.2 Erwartungswerte von quadratischen Formen 38 2.8.3 Kombinatorik 38 3 Verteilungen 39 3.1 Eindimensionale diskrete Verteilungen 39 3.1.1 Hypergeometrische Verteilung 39 3.1.2 Negative hypergeometrische Verteilung 42 3.1.3 Binomialverteilung 43 3.1.4 Poisson-Verteilung 48 3.1.5 Geometrische Verteilung 53 3.1.6 Negative Binomialverteilung 55 3.1.7 Tabellen der eindimensionalen diskreten Verteilungen 55 3.2 Eindimensionale kontinuierliche Verteilungen 58 3.2.1 Gauß-Verteilung 58 3.2.2 Cauchy-Verteilung 63 3.2.3 Chi-Quadrat-Verteilung 65 3.2.4 Nichtzentrale Chi-Quadrat-Verteilung 69 3.2.5 Student-Verteilung 70 3.2.6 Nichtzentrale Student-Verteilung 74 3.2.7 F-Verteilung 75 3.2.8 Nichtzentrale F-Verteilung 77 3.2.9 Exponentialverteilung 77 3.2.10 Weibull-Verteilung 79 3.2.11 Tabellen der eindimensionalen kontinuierlichen Verteilungen 82 3.3 Mehrdimensionale Verteilungen 85 3.3.1 n-dimensionale Gauß-Verteilung 85 3.3.2 Zweidimensionale Gauß-Verteilung 86 4 Mathematische Stichproben, Messreihen 87 4.1 Definition, Mittelwert und Stichprobenvarianz 87 4.1.1 Definition einer eindimensionalen Stichprobe und verteilungsunabhängige Eigenschaften 87 4.1.2 Einschub: Fehlerrechnung im physikalischen Praktikum 90 4.1.3 Verteilung der Stichprobenmomente bei Gauß-Verteilung 92 4.2 Konfidenzintervalle 93 4.2.1 Begriffe 93 4.2.2 Eine Tautologie als Basis 94 4.2.3 Die Tautologie für ˆµ und ˆσ2 96 4.2.4 µ−Konfidenzintervalle bei bekanntem σ 96 4.2.5 Beispiele für µ−Konfidenzintervalle bei bekanntem σ 97 4.2.6 µ−Konfidenzintervall bei unbekanntem σ 97 4.2.7 Beispiele für µ-Konfidenzintervalle bei unbekanntem σ 99 4.2.8 Konfidenzintervall für die Varianz σ2 105 4.2.9 Beispiele für Konfidenzintervalle für die Varianz σ2 107 4.2.10 Prognoseintervalle 109 4.2.11 Beispiele für Prognoseintervalle 109 4.3 Parametertests 110 4.3.1 Begriffe: Nullhypothese, Prüfgröße, p-Wert 110 4.3.2 Der ,,N-Test“ (Test von µ bei bekanntem σ) 112 4.3.3 Beispiele für den N-Test“ 115 4.3.4 Der t-Test (Test von µ bei unbekanntem σ) 119 4.3.5 Beispiele für den t-Test 120 4.3.6 Der t-Verschiebungstest 124 4.3.7 Der doppelte ,,N-Test“ 125 4.3.8 Beispiele für den doppelten ” N-Test“ 126 4.3.9 Der doppelte t-Test 127 4.3.10 Beispiele für den doppelten t-Test 128 4.3.11 Der asymptotische Test bei ungleichen Varianzen 129 4.3.12 Beispiele für den asymptotischen Test 130 4.3.13 Test der Varianz σ 2 131 4.3.14 Beispiele für Test der Varianz 132 4.4 Power-Analyse 133 4.4.1 Begriffe: β-Fehler, Power, Güte, OC 133 4.4.2 Das Forellenbeispiel 134 4.4.3 Illustrationen des ,,Forellenbeispiels“ mit R und SAS 136 4.4.4 Die analytische linksseitige ,,µ-power“-Theorie 138 4.4.5 R-Werkstatt für die allgemeine ,,µ-power“-Theorie 140 4.4.6 Anwendungsbeispiele für die ,,µ-power“-Theorie mit R 140 4.4.7 Die analytische ,,µ-sample-size“-Theorie 143 4.4.8 R-Werkstatt für die ,,µ-sample-size“-Theorie 144 4.4.9 Beispiele für die ,,µ-sample-size“-Theorie mit R 145 5 Regression 149 5.1 Einführung 149 5.1.1 Was ist Regressionsanalyse? 149 5.1.2 Der lineare Regressionsansatz 150 5.1.3 Die Modellgleichung 150 5.1.4 (Ko-)Varianzanalyse und kategoriale Faktoren 150 5.2 Annahmen 151 5.2.1 Die acht Annahmen des klassischen linearen Modells 151 5.3 Modellparameter, Schätzung und Residuen 153 5.3.1 Deterministische Größen im klassischen linearen Modell 153 5.3.2 Zufällige Größen im klassischen linearen Modell 154 5.3.3 Erwartungswert, Kovarianz und geschätzte Kovarianz der zufälligen Größen 155 5.3.4 Ein alternativer Ausdruck für die Varianzen von ˆβ 156 5.3.5 Geometrische Eigenschaften aufgrund des KQ-Prinzips 157 5.3.6 Prognose für eine zukünftige Versuchseinstellung 158 5.4 Quadratsummen und Varianzanalyse 159 5.4.1 Quadratsummen und die ,,ANOVA-Tabelle“ 159 5.4.2 Additive Zerlegung der korrigierten Gesamtstreuuung 160 5.4.3 Berücksichtigung von Mehrfachversuchen 160 5.4.4 Zerlegung der Reststreuung bei Mehrfachversuchen 162 5.4.5 Das Bestimmtheitsmaß 162 5.4.6 Zerlegung der unkorrigierten Gesamtstreuung 163 5.5 Verteilungseigenschaften 163 5.5.1 Verteilung von Linearkombinationen der Stör-Variablen 164 5.5.2 Drei grundlegende Verteilungseigenschaften 164 5.5.3 Verteilung der standardisierten Regressionsparameter 165 5.5.4 Verteilungseigenschaften der LOF-Quadratsummen 165 5.6 Hypothesentests 166 5.6.1 Der Overall-F-Test (Goodness-of-Fit-Test) 166 5.6.2 Der partielle F-Test 166 5.6.3 Der partielle t-Test 167 5.6.4 Der Lack-of-Fit-Test 167 5.6.5 Resumé: Die vier Tests der linearen Regression 168 5.6.6 Output von R und SAS 169 5.6.7 Beispiele für Regression und Hypothesentests 171 5.7 Konfidenzintervalle und Prognoseintervalle 179 5.7.1 Zusammenfassung: Konfidenz- und Prognoseintervalle 179 5.7.2 Beispiele 180 5.8 Spezialfall: Einfache lineare Regression 191 5.8.1 Schwerpunktkoordinaten 191 5.8.2 Deterministische Größen 191 5.8.3 Zufällige Größen 192 5.8.4 Versuchsplanung bei der einfachen linearen Regression 192 5.8.5 Quadratsummen und Bestimmtheitsmaß 193 5.8.6 Konfidenz- und Prognoseintervall 193 5.8.7 Beispiele 193 5.9 Modelldiagnose 195 5.9.1 Analyse der erklärenden Variablen 195 5.9.2 Analyse der Stör-Variablen 200 5.9.3 Einflussanalyse 203 5.9.4 Das Diagnose-Quartett plot(lm(.)) 205 5.9.5 Beispiele zur Modelldiagnose 208 5.9.6 Alternative Modellierungsansätze nach Modelldiagnose 215 5.10 Nichtlineare Regression 220 5.10.1 Schätzverfahren der nichtlinearen Regression 220 5.10.2 R-Beispiele für Nichtlineare Regression 221 6 Varianzanalyse 225 6.1 Einführung 225 6.1.1 Was ist Varianzanalyse? 225 6.1.2 Was ist Kovarianzanalyse? 226 6.1.3 Die Modelle der Varianzanalyse 226 6.1.4 Die hierarchische Fragestellung in der ANOVA und das Problem der mehrfachen Tests 227 6.1.5 Varianzanalyse mit R 228 6.2 Varianzanalyse mit festen Effekten 229 6.2.1 One-way ANOVA (einfaktorielle Varianzanalyse) 229 6.2.2 Two-way ANOVA mit einfacher Besetzung 238 6.2.3 Two-way ANOVA mit mehrfacher Besetzung 242 6.2.4 Three-way und Four-way ANOVA (einfache Besetzung): Lateinische und Griechisch-Lateinische Quadrate 253 6.2.5 Kovarianzanalyse mit festen Effekten (ANCOVA) 257 7 Versuchsplanung 263 7.1 Einführung 263 7.1.1 Einsatzgebiet, Zielsetzung 263 7.1.2 Zwei Grundprinzipien der Versuchsplanung 264 7.1.3 Arten und Zielsetzungen von Versuchsplänen 265 7.1.4 Momentenmatrix und Design-Momente 267 7.2 Vollfaktorielle Pläne 269 7.2.1 Vollfaktorielle Versuchspläne (Definition) 269 7.2.2 Konstruktion faktorieller Pläne mit R 272 7.2.3 Auswertung vollfaktorieller Versuche mit FrF2 274 7.3 Teilfaktorielle Pläne 288 7.3.1 Der Begriff Vermengung (Confounding) 288 7.3.2 Generatoren und Alias-Strukturen 288 7.3.3 Resolution, Aberration und andere Begriffe 290 7.3.4 Konstruktion teilfaktorieller Pläne mit R 293 7.3.5 Anzahl der Versuche versus möglichem Nutzen 300 7.3.6 Screening Fallstudien mit 2k−s −Plänen 301 7.3.7 Aufspaltung vollfaktorieller 2k-Pläne in Blöcke 311 7.4 Qualitätskriterien für Versuchspläne 316 7.4.1 Die Vorhersagevarianz 316 7.4.2 Drehbarkeit, Orthogonalität und Uniformität 323 7.5 Response Surface Methodology (RSM) 325 7.5.1 Einführung 325 7.5.2 Bausteine der RSM, FO und SO Designs 328 7.5.3 Central Composite Designs (CCD) 330 7.5.4 RSM Werkzeuge 332 7.6 Beispiele für RSM-Anwendungen 339 7.6.1 Quadratische Regression mit rsm 339 7.6.2 Umgang mit flachen Extrema und Sattelpunkten 347 7.6.3 Eine Beispiel-Serie für eine sequentielle Optimierung bei drei Einflussgrößen 355 7.7 Optimale Pläne 370 7.7.1 Einleitung 370 7.7.2 Optimalitätskriterien 371 7.7.3 Die Konstruktion optimaler Versuchspläne 373 7.7.4 Verallgemeinerte (approximative) optimale Pläne 379 7.8 Mixturpläne 381 7.8.1 Einleitung 381 A Mathematische Hilfsmittel 385 A.1 Substitutionsregel für Mehrfachintegrale 385 A.2 Integrale 385 A.3 Die Deltafunktion 386 A.4 Matrizen 387 A.4.1 Definitionen und Schreibweisen 387 A.4.2 Orthogonale und orthonormale Matrizen 388 A.4.3 Idempotente Matrizen 388 A.4.4 Mittelwertzentrierung mit idempotenter Matrix C 389 A.4.5 Der Rang einer Matrix 389 A.4.6 Der Nullraum einer n × p Matrix A 390 A.4.7 Die Inverse einer Matrix 390 A.4.8 Die Determinante einer quadratischen Matrix 391 A.4.9 Die Spur einer Matrix 391 A.4.10 Hadamard-Matrizen 392 R Index der 95 R-Beispiele 393 S Index der 61 SAS-Programme 397 Literaturverzeichnis 399 Sachregister 411

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Book SynopsisVollständig überarbeitete Neuauflage des maßgeblichen Grundlagen-Lehrbuchs zur Optik und Photonik - umfassend überarbeitet und mit einem neuen Kapitel zur Metamaterialoptik erweitert Die Optik ist eines der ältesten und faszinierendsten Teilgebiete der Physik und fest in den Curricula des Physikstudiums verankert. Sie beschäftigt sich mit der Ausbreitung von Licht und Phänomenen wie Interferenz, Brechung, Beugung und optischen Abbildungen. Die Photonik umfasst optische Phänomene, die primär auf der Wechselwirkung von (quantisiertem) Licht und Materie beruhen, und befasst sich mit dem Verständnis und der Entwicklung optischer Bauteile und Systeme wie etwa Lasern, LEDs und photonischen Kristallen. In bewährter Weise gibt die vollständig überarbeitete und erweiterte Neuauflage des "Saleh/Teich" eine Einführung in die Grundlagen der Optik und Photonik für Studierende der Physik und verwandter Wissenschaften. Ausführliche Erklärungen, rund 1000 Abbildungen und die zur quantitativen Durchdringung notwendige Mathematik ermöglichen ein tiefes Verständnis aller Teilgebiete der klassischen und modernen Optik. * Umfassend und verständlich: sämtliche Grundlagen der Optik und Photonik in einem Werk vereint * Geschrieben von hervorragenden Didaktikern mit langer Lehrerfahrung: optische Phänomene und deren Physik stehen im Vordergrund, der notwendige mathematische Apparat wird behutsam entwickelt * Überarbeitet und erweitert: alle Kapitel wurden mit Blick auf noch bessere Verständlichkeit kritisch geprüft und aktualisiert * Komplett neu: umfangreiches Kapitel zu Metamaterialoptik "Optik und Photonik" richtet sich an Bachelor- und Master-Studierende der Physik, Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften.Trade ReviewSehr schön sind auch die Kapitel über Photonenoptik, statistische Optik und Metamaterialien. Physik in unserer Zeit, 24.09.2020Table of ContentsVorwort zur dritten Auflage xix Vorwort zur zweiten Auflage xxiii Teil I Optik 1 1 Strahlenoptik 3 1.1 Postulate der Strahlenoptik 4 1.2 Einfache optische Komponenten 6 1.3 Gradientenindexoptik 14 1.4 Matrizenoptik 19 2 Wellenoptik 29 2.1 Die Postulate der Wellenoptik 30 2.2 Monochromatische Wellen 31 2.3 Die Beziehung zwischen Wellenoptik und Strahlenoptik 35 2.4 Einfache optische Komponenten 36 2.5 Interferenz 42 2.6 Polychromatisches und gepulstes Licht 49 3 Optik von Strahlbündeln 57 3.1 Der Gaußstrahl 57 3.2 Durchgang durch optische Komponenten 64 3.3 Hermite-Gauß-Strahlen 70 3.4 Laguerre-Gauß-Strahlen 72 3.5 Nichtbeugende Strahlen 74 4 Fourieroptik 79 4.1 Lichtausbreitung im Vakuum 80 4.2 Die optische Fouriertransformation 88 4.3 Lichtbeugung 91 4.4 Bildentstehung 98 4.5 Holographie 105 5 Elektromagnetische Optik 117 5.1 Die elektromagnetische Theorie des Lichts 118 5.2 Elektromagnetische Wellen in Dielektrika 121 5.3 Monochromatische elektromagnetische Wellen 124 5.4 Einfache elektromagnetische Wellen 126 5.5 Absorption und Dispersion 130 5.6 Die Streuung elektromagnetischer Wellen 137 5.7 Pulsausbreitung in dispersiven Medien 143 6 Polarisationsoptik 151 6.1 Die Polarisation des Lichts 152 6.2 Reflexion und Brechung 159 6.3 Die Optik anisotroper Medien 163 6.4 Optische Aktivität und Magnetooptik 172 6.5 Optik von Flüssigkristallen 175 6.6 Polarisierende Bauelemente 177 7 Optik photonischer Kristalle 185 7.1 Optik von dielektrischen Schichtmedien 187 7.2 Eindimensionale photonische Kristalle 200 7.3 Zwei- und dreidimensionale photonische Kristalle 211 8 Optik von Metallen und Metamaterialien 221 8.1 Einfach- und doppelt-negative Medien 223 8.2 Optik von Metallen: Plasmonik 234 8.3 Optik von Metamaterialien 245 8.4 Transformationsoptik 253 9 Wellenleiteroptik 261 9.1 Wellenleiter aus ebenen Spiegeln 262 9.2 Ebene dielektrische Wellenleiter 267 9.3 Zweidimensionale Wellenleiter 273 9.4 Optische Kopplung in Wellenleitern 276 9.5 Photonische Kristalle als Wellenleiter 282 9.6 Plasmonische Wellenleiter 283 10 Faseroptik 289 10.1 Geführte Strahlen 290 10.2 Geführte Wellen 293 10.3 Dämpfung und Dispersion 306 10.4 Hohlkernfasern und Fasern aus photonischen Kristallen 314 10.5 Materialien für optische Fasern 316 11 Resonatoroptik 321 11.1 Resonatoren aus ebenen Spiegeln 323 11.2 Kugelspiegelresonatoren 330 11.3 Zwei- und dreidimensionale Resonatoren 337 11.4 Mikro- und Nanoresonatoren 340 12 Statistische Optik 349 12.1 Statistische Eigenschaften von stochastischem Licht 350 12.2 Interferenz von partiell kohärentem Licht 359 12.3 Transmission von partiell kohärentem Licht durch optische Systeme 364 12.4 Partielle Polarisation 370 13 Photonenoptik 377 13.1 Das Photon 378 13.2 Photonenströme 387 13.3 Quantenzustände des Lichts 396 Teil II Photonik 411 14 Licht und Materie 413 14.1 Energieniveaus 413 14.2 Die Besetzung von Energieniveaus 428 14.3 Die Wechselwirkung von Photonenmit Atomen 430 14.4 Thermisches Licht 443 14.5 Lumineszenz und Lichtstreuung 446 15 Laserverstärker 457 15.1 Theorie der Laserverstärkung 459 15.2 Pumpen des Verstärkers 461 15.3 Verbreitete Laserverstärker 468 15.4 Die Nichtlinearität von Verstärkern 476 15.5 Verstärkerrauschen 480 16 Laser 485 16.1 Theorie der Laseroszillation 486 16.2 Die Eigenschaften der Laserstrahlung 490 16.3 Bauarten von Lasern 500 16.4 Gepulste Laser 523 17 Halbleiteroptik 543 17.1 Halbleiter 544 17.2 Wechselwirkungen von Photonen mit Ladungsträgern 569 18 LED und Laserdioden 585 18.1 Lichtemittierende Dioden (LED) 586 18.2 Optische Halbleiterverstärker 607 18.3 Laserdioden 618 18.4 Quanteneinschlusslaser 627 18.5 Mikroresonatorlaser 636 18.6 Nanoresonatorlaser 642 19 Photodetektoren 651 19.1 Photodetektoren 652 19.2 Photoleiter 660 19.3 Photodioden 663 19.4 Lawinenphotodioden 669 19.5 Arraydetektoren 679 19.6 Rauschen in Photodetektoren 681 20 Akustooptik 705 20.1 DieWechselwirkung von Licht und Schall 706 20.2 Akustooptische Bauelemente 714 20.3 Akustooptik von anisotropen Medien 721 21 Elektrooptik 727 21.1 Grundlagen der Elektrooptik 728 21.2 Elektrooptik anisotroper Medien 737 21.3 Elektrooptik von Flüssigkristallen 742 21.4 Photorefraktivität 749 21.5 Elektroabsorption 753 22 Nichtlineare Optik 759 22.1 Nichtlineare optische Medien 760 22.2 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung 763 22.3 Nichtlineare Optik dritter Ordnung 775 22.4 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung: Die Theorie gekoppelter Wellen 782 22.5 Nichtlineare Optik dritter Ordnung: Die Theorie gekoppelter Wellen 789 22.6 Anisotrope nichtlineare Medien 794 22.7 Dispersive nichtlineare Medien 796 23 Ultraschnelle Optik 803 23.1 Eigenschaften von Pulsen 804 23.2 Pulsformung und Kompression 810 23.3 Pulsausbreitung in optischen Fasern 821 23.4 Ultraschnelle lineare Optik 831 23.5 Ultraschnelle nichtlineare Optik 838 23.6 Pulsdetektion 854 24 Optische Verbindungen und Schalter 869 24.1 Optische Verbindungen 871 24.2 Passive optische Router 881 24.3 Photonische Schalter 887 24.4 Photonische Logikgatter 908 25 Faseroptische Kommunikation 919 25.1 Faseroptische Komponenten 920 25.2 Faseroptische Nachrichtensysteme 931 25.3 Modulation und Multiplexing 945 25.4 Kohärente optische Kommunikation 952 25.5 Faseroptische Netze 958 Anhang A Die Fouriertransformation 969 A.1 Die eindimensionale Fouriertransformation 969 A.2 Zeitliche und spektrale Breite 970 A.3 Die zweidimensionale Fouriertransformation 973 Anhang B Lineare Systeme 977 B.1 Eindimensionale lineare Systeme 977 B.2 Zweidimensionale lineare Systeme 979 Anhang C Die Moden linearer Systeme 981 C.1 Die Moden eines diskreten linearen Systems 982 C.2 Die Moden eines kontinuierlichen durch einen Integraloperator beschriebenen Systems 982 C.3 Die Moden eines durch gewöhnliche Differentialgleichungen beschriebenen Systems 983 C.4 Die Moden eines durch eine partielle Differentialgleichung beschriebenen Systems 984 Lösungen zu den Übungen 987 1 Strahlenoptik987 2 Wellenoptik 992 3 Optik von Strahlbündeln 994 4 Fourieroptik 996 5 Elektromagnetische Optik 998 6 Polarisationsoptik 998 7 Optik photonischer Kristalle 999 9 Wellenleiteroptik 999 10 Faseroptik 1000 11 Resonatoroptik 1002 12 Statistische Optik 1003 13 Photonenoptik 1004 14 Licht und Materie 1005 15 Laserverstärker 1006 16 Laser 1008 17 Halbleiteroptik 1010 18 LED und Laserdioden 1012 19 Photodetektoren 1014 20 Akustooptik 1015 21 Elektrooptik 1016 22 Nichtlineare Optik 1016 23 Ultraschnelle Optik 1020 24 Optische Verbindungen und Schalter 1020 Stichwortverzeichnis 1023

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Book SynopsisComprehensive resource covering all in-space manufacturing and planetary resource exploration endeavors. The space economy is developing quickly, and pivotal events have brought us to a strong inflection point. This unique book includes fundamental and ground-breaking innovations in the field and is meant to quickly get readers up to speed on many different facets of space and planetary resource exploration, such as: Space health & medicine Space biology & space farming Space chemistry & space mining Space construction & advanced materials production Space policy, law & economics Presenting a snapshot of the expanding space economy and manufacturing applications in low-Earth orbit, along with resource utilization capabilities in development for Moon and Mars missions, this an indispensable source for all researchers and commercial companies working on space and planetary resource exploration.Table of ContentsIntroductory Statement: National Aeronautics and Space Administration Introductory Statement: European Space Agency Introductory Statement: Japan Aerospace Exploration Agency Introductory Statement: Australian Space Agency Part 1: Space Medicine and Human Health 1. Human Health in Space 2. Space Medicine and Countermeasures 3. Frontier Medical Technologies to Support Space Exploration Part 2: Space Biology 4. Plant Biology and a New Approach to Space Farming 5. Stem Cell Biology and Tissue Engineering in Space Part 3: Space Chemistry 6. Chemistry Related Innovations in Space. Benefits of Flow Chemistry 7. Catalysis in Space Environments Part 4: Space Mining 8. Mining and Microbiology for the Solar System Silicate and Basalt Economy 9. Near-Earth Asteroids as Promising Candidates for Space Resources 10. Space Mining of Phosphorus from Moon Crust–Spillover of Learning from Earth 11. Lunar Resources in Support of Human Interplanetary Settlement & Limitations Part 5: Space Farming & Food 12. PONDS: A New Method for Plant Production in Space 13. Space Food for the Future: Nutritional Challenges and Technological Strategies for Healthy and High-Quality Products Part 6: Advanced Materials 14. Metal Alloy Synthesis in Microgravity 15. Layer-by-Layer Deposition in Microgravity for Enhanced Thin Film Production 16. 3D Bioprinting Aboard the International Space Station using the Techshot BioFabrication Facility Part 7: Space Construction 17. Beyond the ISS: The World’s First Commercial Space Station 18. Leveraging Open Innovation to Incentivize Advances in Additive Construction in Space and on Earth Part 8: Space Policy, Law, and Economics 19. The Impact of the Artemis Accords on Resource Extraction 20. Space Resources: Physical Constraints, Policy Choices, & Ethical Considerations The Future of Space Exploration: A Young Perspective

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Book SynopsisNanowire Energy Storage Devices Comprehensive resource providing in-depth knowledge about nanowire-based energy storage technologies Nanowire Energy Storage Devices focuses on the energy storage applications of nanowires, covering the synthesis and principles of nanowire electrode materials and their characterization, and performance control. Major parts of the book are devoted to the applications of nanowire-based ion batteries, high energy batteries, supercapacitors, micro-nano energy storage devices, and flexible energy storage devices. The book also addresses global energy challenges by explaining how nanowires allow for the design and fabrication of devices that provide sustainable energy generation. With contributions from the founders of the field of nanowire technology, Nanowire Energy Storage Devices covers topics such as: Physical and chemical properties, thermodynamics, and kinetics of nanowires, and basic performance parameters of nanowire-based electrochemical energy storage devices Conventional, porous, hierarchical, heterogeneous, and hollow nanomaterials, and in-situ electron microscopic and spectroscopy characterization Electrochemistry, advantages, and issues of lithium-ion batteries, unique characteristic of nanowires for lithium-ion batteries, and nanowires as anodes in lithium-ion batteries Nanowires for other energy storage devices, including metal-air, polyvalent ion, alkaline, and sodium/lithium-sulfur batteries Elucidating the design, synthesis, and energy storage applications, Nanowire Energy Storage Devices is an essential resource for materials scientists, electrochemists, electrical engineers, and solid state physicists.Table of ContentsPreface xi 1 Nanowire Energy Storage Devices: Synthesis, Characterization, and Applications 1 1.1 Introduction 1 1.1.1 One-Dimensional Nanomaterials 1 1.1.1.1 Nanorods 3 1.1.1.2 Carbon Nanofibers 3 1.1.1.3 Nanotubes 3 1.1.1.4 Nanobelts 5 1.1.1.5 Nanocables 6 1.1.2 Energy Storage Science and Technology 6 1.1.2.1 Mechanical Energy Storage 7 1.1.2.2 Electromagnetic Energy Storage 9 1.1.2.3 Electrochemical Energy Storage 9 1.1.3 Overview of Nanowire Energy Storage Materials and Devices 13 1.1.3.1 Si Nanowires 15 1.1.3.2 ZnO Nanowires 17 1.1.3.3 Single Nanowire Electrochemical Energy Storage Device 18 References 19 2 Fundamentals of Nanowire Energy Storage 27 2.1 Physical and Chemical Properties of Nanowires 27 2.1.1 Electronic Structure 27 2.1.2 Thermal Properties 29 2.1.2.1 Melting Point 29 2.1.2.2 Thermal Conduction 30 2.1.3 Mechanical Properties 31 2.1.4 Adsorption and Surface Activity 32 2.1.4.1 Adsorption 33 2.1.4.2 Surface Activity 33 2.2 Thermodynamics and Kinetics of Nanowires Electrode Materials 34 2.2.1 Thermodynamics 34 2.2.2 Kinetics 34 2.3 Basic Performance Parameters of Nanowires Electrochemical Energy Storage Devices 35 2.3.1 Electromotive Force 36 2.3.2 Operating Voltage 36 2.3.3 Capacity and Specific Capacity 36 2.3.4 Energy and Specific Energy 37 2.3.5 Current Density and Charge–Discharge Rate 37 2.3.6 Power and Specific Power 38 2.3.7 Coulombic Efficiency 38 2.3.8 Cycle Life 38 2.4 Interfacial Properties of Nanowires Electrode Materials 38 2.4.1 Interface Between Nanowire Electrode Materials and Electrolytes 38 2.4.2 Heterogeneous Interfaces in Nanowire Electrode Materials 40 2.5 Optimization Mechanism of Electrochemical Properties of Nanowires Electrode Materials 42 2.5.1 Mechanism of Electron/Ion Bicontinuous Transport 42 2.5.2 Self-Buffering Mechanism 44 2.6 Theoretical Calculation of Nanowires Electrode Materials 44 2.7 Summary and Outlook 48 References 49 3 Design and Synthesis of Nanowires 51 3.1 Conventional Nanowires 51 3.1.1 Wet Chemical Methods 51 3.1.1.1 Hydrothermal/Solvothermal Method 52 3.1.1.2 Sol–Gel Method 53 3.1.1.3 Coprecipitation Method 54 3.1.1.4 Ultrasonic Spray Pyrolysis Method 55 3.1.1.5 Electrospinning Method 55 3.1.2 Dry Chemical Method 57 3.1.2.1 High-Temperature Solid-State Method 57 3.1.2.2 Chemical Vapor Deposition Method 58 3.1.3 Physical Method 59 3.2 Porous Nanowires 60 3.2.1 Template Method 60 3.2.1.1 Template by Nanoconfinement 60 3.2.1.2 Template by Orientation Induction 62 3.2.2 Self-Assembly Method 63 3.2.3 Chemical Etching Method 64 3.3 Hierarchical Nanowires 65 3.3.1 Self-Assembly Method 65 3.3.2 Secondary Nucleation Growth Method 68 3.4 Heterogeneous Nanowires 69 3.4.1 Heterogeneous Nucleation 69 3.4.2 Secondary Modification 71 3.5 Hollow Nanowires 73 3.5.1 Wet Chemical Method 73 3.5.2 Template Method 73 3.5.3 Gradient Electrospinning 76 3.6 Nanowire Arrays 79 3.6.1 Template Method 79 3.6.2 Wet Chemical Method 81 3.6.3 Chemical Vapor Deposition 83 3.7 Summary and Outlook 86 References 88 4 Nanowires for In Situ Characterization 95 4.1 In Situ Electron Microscopy Characterization 95 4.1.1 In Situ Scanning Electron Microscopy (SEM) Characterization 95 4.1.2 In Situ Transmission Electron Microscope (TEM) Characterization 97 4.2 In Situ Spectroscopy Characterization 101 4.2.1 In Situ X-ray Diffraction 101 4.2.2 In Situ Raman Spectroscopy 106 4.2.3 In Situ X-ray Photoelectron Spectroscopy 108 4.2.4 In Situ XAS Characterization 108 4.3 In Situ Characterization of Nanowire Devices 111 4.3.1 Nanowire Device 111 4.3.2 Nanowire Device Characterization Example 111 4.4 Other In Situ Characterization 115 4.4.1 In Situ Atomic Force Microscopy Characterization 115 4.4.2 In Situ Nuclear Magnetic Resonance 117 4.4.3 In Situ Neutron Diffraction 119 4.4.4 In Situ Time-of-Flight Mass Spectrometry 121 4.5 Summary and Outlook 123 References 124 5 Nanowires for Lithium-ion Batteries 131 5.1 Electrochemistry, Advantages, and Issues of LIBs Batteries 131 5.1.1 History of Lithium-ion Batteries 131 5.1.2 Electrochemistry of Lithium-ion Batteries 132 5.1.2.1 Theoretical Operation Potential 133 5.1.2.2 Theoretical Specific Capacity of Electrode Materials and Cells 133 5.1.2.3 Theoretical Specific Energy Density of an Electrochemical Cell 134 5.1.3 Key Materials for Lithium-ion Batteries 134 5.1.3.1 Cathode 134 5.1.3.2 Anode 135 5.1.3.3 Electrolyte 135 5.1.3.4 Separator 136 5.1.4 Advantages and Issues of Lithium-ion Batteries 137 5.2 Unique Characteristic of Nanowires for LIBs 138 5.2.1 Enhancing the Diffusion Dynamics of Carriers 138 5.2.2 Enhancing Structural Stability of Materials 138 5.2.3 Befitting the In Situ Characterization of Electrochemical Process 139 5.2.4 Enabling the Construction of Flexible Devices 139 5.3 Nanowires as Anodes in LIBs 139 5.3.1 Alloy-Type Anode Materials (Si, Ge, and Sn) 139 5.3.1.1 Lithium Storage in Si Nanowires 139 5.3.1.2 Lithium Storage in Ge Nanowires 142 5.3.1.3 Lithium Storage in Sn Nanowires 145 5.3.2 Metal Oxide Nanowires 146 5.3.3 Carbonaceous Anode Materials 148 5.4 Nanowires as Cathodes in LIBs 151 5.4.1 Transition Metal Oxides 151 5.4.2 Vanadium Oxide Nanowires 153 5.4.3 Iron Compounds Including Oxides and Phosphates 157 5.5 Nanowires-Based Separators in LIBs 160 5.6 Nanowires-Based Solid-State Electrolytes in LIBs 163 5.7 Nanowires-Based Electrodes for Flexible LIBs 168 5.8 Summary and Outlook 174 References 175 6 Nanowires for Sodium-ion Batteries 185 6.1 Advantages and Challenges of Sodium-ion Batteries 185 6.1.1 Development of Sodium-ion Batteries 185 6.1.2 Characteristic of Sodium-ion Batteries 186 6.1.2.1 The Working Principle of Sodium-ion Battery 186 6.1.2.2 Advantages of Sodium-ion Batteries 186 6.1.3 Key Materials for Sodium-ion Batteries 187 6.1.3.1 Cathode 188 6.1.3.2 Anode 188 6.1.3.3 Electrolyte 189 6.1.3.4 Separator 189 6.1.4 Challenges for Sodium-ion Batteries 191 6.2 Nanowires as Cathodes in Sodium-ion Batteries 193 6.2.1 Layered Oxide Nanowires 193 6.2.2 Tunnel-type Oxide Nanowires 195 6.2.3 Polyanionic Compound Nanowires 196 6.3 Nanowires as Anodes in Sodium-ion Batteries 200 6.3.1 Carbonaceous Materials and Polyanionic Compounds 200 6.3.1.1 Graphitized Carbon Materials 200 6.3.1.2 Amorphous Carbon Materials 201 6.3.1.3 Carbon Nanomaterials 201 6.3.2 Polyanionic Compounds 203 6.3.3 Metals and Metal Oxides 206 6.3.3.1 Metal Nanowires 206 6.3.3.2 Transition Metal Oxide Nanowires 207 6.3.4 Metal Sulfides 215 6.3.4.1 Molybdenum Sulfide and Its Composites 216 6.3.4.2 Tungsten Sulfide and Its Composites 216 6.3.4.3 Stannic Sulfide and Its Composites 218 6.3.4.4 Nickel Sulfide, Ferrous Sulfide and Their Composites 218 6.4 Summary 220 References 220 7 Application of Nanowire Materials in Metal-Chalcogenide Battery 229 7.1 Lithium–Sulfur Battery 230 7.1.1 Sulfur–Carbon Nanowire Composite Cathode Materials 231 7.1.2 Conductive Polymer Nanowire/Sulfur Composite Cathode Materials 236 7.1.3 Metal Compound Nanowires/Sulfur Composite Cathode Materials 237 7.2 Sodium–Sulfur Battery and Magnesium–Sulfur Battery 243 7.2.1 Sodium–Sulfur Battery 243 7.2.2 Magnesium–Sulfur Battery 247 7.3 Lithium–Selenium Battery 249 7.3.1 Reaction Mechanism of Lithium–Selenium Battery 250 7.3.2 Selenium-Based Cathode Materials 251 7.3.3 Existing Problems and Possible Solutions 256 7.4 Summary and Outlook 257 References 258 8 Application of Nanowires in Supercapacitors 263 8.1 Nanowire Electrode Material for Electrochemical Double-Layer Capacitor 265 8.1.1 The Application of Carbon Nanotubes in EDLCs 266 8.1.2 The Application of Carbon Nanofibers in EDLCs 267 8.2 Nanowire Electrode Materials for Pseudocapacitive Supercapacitors 269 8.2.1 Metal Oxide Nanowire Electrode Materials 269 8.2.2 Conducting Polymer Nanowire Electrode Materials 271 8.3 Nanowire Electrode Materials of Hybrid Supercapacitors 272 8.3.1 Hybrid Supercapacitor Based on Aqueous Electrolyte 274 8.3.1.1 Carbon/Metal Oxide 274 8.3.1.2 Carbon/Conductive Nanowire Polymer 276 8.3.2 Other Electrolyte System Hybrid Supercapacitors 277 8.3.2.1 Organic Electrolyte System 277 8.3.2.2 Redox-Active Electrolyte System 278 8.3.3 Solid Electrolyte or Quasi-Solid-State Hybrid Supercapacitor 279 8.4 Summary and Outlook 279 References 280 9 Nanowires for Multivalent-ion Batteries 285 9.1 Nanowires for Magnesium-Ion Battery 285 9.1.1 Vanadium-Based Nanowires for MIBs 286 9.1.2 Manganese-Based Nanowires for MIBs 289 9.1.3 Other Nanowires for MIBs 290 9.2 Nanowires for Calcium-Ion Batteries 292 9.3 Nanowires for Zinc-Ion Batteries 293 9.3.1 Vanadium-Based Nanowires for ZIBs 294 9.3.2 Manganese-Based Nanowires for ZIBs 295 9.4 Nanowires for Aluminum Ion Batteries 296 9.5 Summary and Outlook 298 References 299 10 Conclusion and Outlook 305 10.1 Structure Design and Performance Optimization of 1D Nanomaterials 305 10.2 Advanced Characterization Methods for 1D Nanomaterials 308 10.3 Applications and Challenges of Nanowire Energy Storage Devices 314 10.3.1 Application of Nanowire Structures in Lithium-ion Batteries 314 10.3.2 Applications of Nanowire Structures in Na-ion Battery 315 10.3.3 Applications of Nanowire Structures in Other Monovalent-ion Batteries 316 10.3.4 Application of Nanowires in Lithium–Sulfur Batteries 316 10.3.5 Application of 1D Nanomaterials in Supercapacitors 318 10.3.6 Nanowires for Other Energy Storage Devices 319 10.3.6.1 Metal Air Batteries 319 10.3.6.2 Multivalent-ion Battery 320 10.3.6.3 Metal Sulfur Batteries 320 References 322 Index 327

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Book SynopsisFlow Batteries The premier reference on flow battery technology for large-scale, high-performance, and sustainable energy storage From basics to commercial applications, Flow Batteries covers the main aspects and recent developments of (Redox) Flow Batteries, from the electrochemical fundamentals and the materials used to their characterization and technical application. Edited by a team of leading experts, including the “founding mother of vanadium flow battery technology” Maria Skyllas-Kazacos, the full scope of this revolutionary technology is detailed, including chemistries other than vanadium and organic flow batteries. Other key topics covered in Flow Batteries include: Flow battery computational modeling and simulation, including quantum mechanical considerations, cell, stack, and system modeling, techno-economics, and grid behavior A comparison of the standard vanadium flow battery variant with new and emerging flow batteries using different chemistries and how they will change the field Commercially available flow batteries from different manufacturers, their technology, and application ranges The pivotal role of flow batteries in overcoming the global energy crisis Flow Batteries is an invaluable resource for researchers and engineers in academia and industry who want to understand and work with this exciting new technology and explore the full range of its current and future applications.Table of ContentsVOLUME 1 PART 1: FUNDAMENTALS The Need for Stationary Energy Storage History of Flow Batteries General Electrochemical Fundamentals of Batteries General Aspects and Fundamentals of Flow Batteries Redox-mediated Processes Membranes for Flow Batteries Standards for Flow Batteries Safety Considerations of the Vanadium Flow Battery A Student Workshop in Sustainable Energy Technology: The Principles and Practice of a Rechargeable Flow Battery PART 2: CHARACTERIZATION OF FLOW BATTERIES AND MATERIALS Characterization Methods in Flow Batteries: A General Overview Electrochemical Methods Radiography and Tomography Characterization of Carbon Materials Characterization of Membranes for Flow Batteries PART 3: MODELING AND SIMULATION Quantum Mechanical Modeling of Flow Battery Materials Mesoscale Modeling and Simulation for Flow Batteries Continuum Modelling and Simulation of Flow Batteries Pore-scale Modeling of Flow Batteries Dynamic Modelling of Vanadium Flow Batteries for System Monitoring and Control Techno-economic Modelling and Evaluation of Flow Batteries Machine Learning for FB Electrolyte Screening VOLUME 2 PART 4: VANADIUM FLOW BATTERIES The History of the UNSW All‐Vanadium Flow Battery Development Vanadium Electrolytes and Related Electrochemical Reactions Electrodes for Vanadium Flow Batteries (VFBs) Membranes for Vanadium Flow Batteries Advanced Flowfield Architecture for Vanadium Flow Batteries State‐of‐Charge Monitoring for Vanadium Redox Flow Batteries Rebalancing/Regeneration of Vanadium Flow Batteries Life Cycle Analysis of Vanadium Flow Batteries Next‐Generation Vanadium Flow Batteries Asymmetric Vanadium‐based Aqueous Flow Batteries PART 5: OTHER IMPORTANT INORGANIC FLOW BATTERY TECHNOLOGIES Zn/Br Battery - Early Research and Development An Overview of the Polysulfide/Bromine Flow Battery Fe/Fe Flow Battery Zinc-Cerium and Related Cerium‐Based Flow Batteries: Progress and Challenges Undivided Copper-Lead Dioxide Flow Battery Based on Soluble Copper and Lead in Aqueous All‐copper Flow Batteries Hydrogen‐Based Flow Batteries VOLUME 3 PART 6: ORGANIC FLOW BATTERIES Aqueous Organic Flow Batteries Metal Coordination Complexes for Flow Batteries Organic Redox Flow Batteries: Lithium‐Ion‐based FBs Nonaqueous Metal‐Free Flow Batteries Polymeric Flow Batteries PART 7: INDUSTRIAL AND COMMERCIALIZATION ASPECTS OF FLOW BATTERIES Inverter Interfacing and Grid Behaviour Flow‐Battery System Topologies and Grid Connection Vanadium FBESs installed by Sumitomo Electric Industries, Ltd Industrial Applications of Flow Batteries Applications of VFB in Rongke Power Metal‐Free Flow Batteries Based on TEMPO Commercialization of All‐Iron Redox Flow‐Battery Systems Application of Hydrogen-Bromine Flow Batteries: Technical Paper Some Notes on Zinc/Bromine Flow Batteries Mobile Applications of the ZBB

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Book SynopsisComprehensive knowledge on the preparation, characterization, and applications of polymer nanocomposites Chemical Physics of Polymer Nanocomposites examines the state of the art in preparation, processing, characterizing, and applying a wide range of polymer nanocomposites, elucidating nanofiller/polymer interactions, nanofiller dispersion, distribution, filler-filler interactions, and interface properties, with a particular focus on the rheology of this important class of materials. The dependence of the rheological properties on the preparation techniques is discussed in detail, complemented by an overview of the processing approaches using conventional and micro injection molding, extrusion, compression molding, film blowing, pultrusion, and resin transfer molding. The book covers the latest understanding and accomplishments on polymer composites and presents the huge variety of this materials class. Practice-oriented with industry relevance, it also reviews p

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Book SynopsisDer anwendungsorientierte Einstieg in die Welt der Funktionswerkstoffe für Studierende der Ingenieurwissenschaften! Werkstoffkunde ist alles andere als trocken. Sicher, anfangs gilt es, sich über Bindungsarten und Richtungsabhängigkeiten von Eigenschaften den Kopf zu ­zerbrechen und sich in den verschiedenen Werkstoffklassen zurechtzufinden. Doch eröffnet die profunde Kenntnis von Struktur und Eigenschaften der Werkstoffe Türen zum Einstieg in High-Tech-Branchen wie Maschinenbau, Lasertechnik und Photonik, Medizintechnik, erneuerbare Energien, Präzisionsmechanik, Luft- und Raumfahrt oder Mikro- und Nanotechnologie. Mit seinem Fokus auf Funktionswerkstoffen richtet sich dieses Lehrbuch an ­angehende Ingenieurinnen und Ingenieure der Fachrichtungen Elektrotechnik, Medizintechnik, Mikrotechnologie und Wirtschaftsingenieurwesen im ersten und zweiten Studienjahr sowie an Studierende des Maschinenbaus, die sich für die funktionellen Eigenschaften der Werkstoffe interessieren. Dabei werden die Grundlagen ausführlich dargestellt und gerade notorisch schwierige Themen wie Legierungen und Magnetismus mit Bezügen zu Praxisanwendungen flankiert. Mit mehr als 400 farbigen Abbildungen und Illustrationen Kapitelzusammenfassungen und zahlreiche Aufgaben mit Lösungen im Anhang helfen bei der Prüfungsvorbereitung Mit Praxisbezug zu modernen Anwendungen aus High-Tech-Industrien Trade ReviewDas Alleinstellungsmerkmal dieses Lehrbuches ist die sehr gute Darstellung der Grundlagen von Werkstoffstrukturen, Gitterstörungen, Verfestigungsmechanismen, Werkstoffprüfung und Legierungslehre in Kombination mit der Anwendung dieser Grundlagen auf Funktionswerkstoffe, insbesondere in der Elektrotechnik. Prof. Dr.-Ing. habil. Olaf Keßler, Universität Rostock (18.02.2022) Die Grundlagen werden ausführlich dargestellt und schwierige Themen wie Legierungen und Magnetismus mit Bezügen zu Praxisanwendungen flankiert. Das Buch enthält viele Abbildungen und Illustrationen sowie Kapitelzusammenfassungen und zahlreiche Aufgaben mit Lösungen im Anhang. KONSTRUKTION (12.05.2022)Table of ContentsVorwort ix Danksagung xiii 1 Einführung und Grundlagen 1 1.1 Bindungsarten 1 1.2 Werkstoffklassen und Strukturmodelle 3 1.3 Nah- und Fernordnung 6 1.4 Die Richtungsabhangigkeit der Eigenschaften 7 1.5 Polymorphie: Die Vielgestalt vonWerkstoffen 10 1.6 Phasen 11 1.7 Werkstoffe, Rohstoffe und Nachhaltigkeit 12 1.8 Aufgaben 16 Zusammenfassung 18 2 Struktur und Gitterfehler 19 2.1 Gittertypen der wichtigsten Metalle 19 2.2 Kristallbaudefekte 22 2.3 Elastische Verformung 27 2.4 Plastische Verformung der Metalle 32 2.5 Vertiefende Betrachtung der plastischen Verformung 34 2.6 Zusammenhang zwischen Gitterstruktur und plastischer Verformbarkeit 41 2.7 Verfestigungsmechanismen in Metallen 41 2.8 Rekristallisation 45 2.9 Verformung von Keramiken und Kunststoffen 46 2.10 Aufgaben 48 Zusammenfassung 49 3 Werkstoffprüfung 51 3.1 MechanischeWerkstoffprufung 52 3.2 Verfahren der Rissprufung 66 3.3 MikroskopischeMess- und Prufverfahren 68 3.4 Analyse von Struktur und Gefuge 69 3.5 Analyse der chemischen Zusammensetzung 74 3.6 Aufgaben 79 Zusammenfassung 81 4 Legierungskunde 83 4.1 Erstarrungsverhalten von Metallschmelzen 83 4.2 Legierungen und Phasen 85 4.3 Zweistoffsystemmit vollstandiger Loslichkeit 88 4.4 Eutektisches Zweistoffsystem mit begrenzter Loslichkeit 91 4.5 Eutektisches Zweistoffsystem mit vollkommener Unloslichkeit im festen Zustand 98 4.6 Eutektisches Zweistoffsystem Al-Si 103 4.7 Erklarung der Ausscheidungshartung 104 4.8 Zweistoffsysteme mit intermetallischen Phasen 106 4.9 Aufgaben 109 Zusammenfassung 111 5 Korrosion 113 5.1 Standardpotentiale und galvanische Zelle 113 5.2 Wasserstoff- und Sauerstoffkorrosion 118 5.3 Sonderfall Passivierung 120 5.4 Flachenregel 121 5.5 Arten der Korrosion und Fallbeispiele 121 5.6 Korrosionsschutz und Prufverfahren 135 5.7 Aufgaben 142 Zusammenfassung 144 6 Metallische Leiter, Widerstände und Kontakte 145 6.1 Bandermodell 145 6.2 Elektrische Leitfahigkeit 147 6.3 Leiterwerkstoffe 151 6.4 Widerstandswerkstoffe 157 6.5 Elektrische Kontakte 160 6.6 Aufgaben 166 Zusammenfassung 168 7 Halbleiter 169 7.1 Eigenleitung und Storstellenleitung 170 7.2 Der p-n-Ubergang und seine Anwendungen 172 7.3 Halbleitertechnologie 179 7.4 Graphen 181 7.5 Einige Bemerkungen zur Nanotechnologie 184 7.6 Aufgaben 184 Zusammenfassung 185 8 Polymere (Kunststoffe) 187 8.1 Begriffe und Einteilung der Polymere 189 8.2 Struktur und Eigenschaften der Polymere 190 8.3 Polymere als Konstruktionswerkstoffe 195 8.4 Polymere als Leiterwerkstoffe 196 8.5 Biologisch abbaubare Polymere 201 8.6 Aufgaben 203 Zusammenfassung 204 9 Magnetwerkstoffe 207 9.1 Ursachen des Magnetismus 207 9.2 Arten des Magnetismus 210 9.3 Physikalische Grundlagen 211 9.4 Kollektiver Magnetismus 212 9.5 Weichmagnete und Hartmagnete 216 9.6 Magnetspeicher 221 9.7 Supraleiter und Magnetismus 223 9.8 Aufgaben 226 Zusammenfassung 227 10 Dielektrika 229 10.1 Polarisationsmechanismen 229 10.2 Physikalische Grundlagen 233 10.3 Materialien fur Isolierstoffe 236 10.4 Materialien fur Kondensator-Dielektrika 240 10.5 Ferroelektrika und Piezoelektrika 241 10.6 Aufgaben 244 Zusammenfassung 245 11 Lichtleiter und Photonik 247 11.1 Brechungsgesetz und Totalreflexion 248 11.2 Lichtleiterfasern 249 11.3 Weitere optische Komponenten (Auswahl) 251 11.4 Laserbearbeitung von Funktionswerkstoffen 253 11.5 Aufgaben 261 Zusammenfassung 262 12 Werkstoffe für Transducer 263 12.1 Einfuhrung in die MEMS-Reinraumtechnologien 263 12.2 Photolithographie 264 12.3 Subtraktive Atzverfahren 265 12.4 Additive Beschichtungsverfahren und Lift-off 266 12.5 Electroforming, LIGA 269 12.6 Wandlereffekte und typische Anwendungen 270 12.7 Aufgaben 288 Zusammenfassung 289 Schlusswort 291 Lösungen zu den Aufgaben 293 Literatur 319 Stichwortverzeichnis 323

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Book SynopsisLiquid Electrolyte Chemistry for Lithium Metal Batteries An of-the-moment treatment of liquid electrolytes used in lithium metal batteries Considered by many as the most-promising next-generation batteries, lithium metal batteries have grown in popularity due to their low potential and high capacity. Crucial to the development of this technology, electrolytes can provide efficient electrode electrolyte interfaces, assuring the interconversion of chemical and electrical energy. The quality of electrode electrolyte interphase, in turn, directly governs the performance of batteries. In Liquid Electrolyte Chemistry, provides a comprehensive look at the current understanding and status of research regarding liquid electrolytes for lithium metal batteries. Offering an introduction to lithium-based batteries from development history to their working mechanisms, the book further offers a glimpse at modification strategies of anode electrolyte interphases and cathode electrolytic interphases. More, by discussing the high-voltage electrolytes from their solvents—organic solvents and ionic liquids—to electrolyte additives, the text provides a thorough understanding on liquid electrolyte chemistry in the remit of lithium metal batteries. Liquid Electrolyte Chemistry for Lithium Metal Batteries readers will also find: A unique focus that reviews the development of liquid electrolytes for lithium metal batteries State-of-the-art progress and development of electrolytes for lithium metal batteries Consideration of safety, focusing the design principles of flame retardant and non-flammable electrolytes Principles and progress on low temperature and high temperature electrolytes Liquid Electrolyte Chemistry for Lithium Metal Batteries is a useful reference for electrochemists, solid state chemists, inorganic chemists, physical chemists, surface chemists, materials scientists, and the libraries that supply them.Table of ContentsPreface ix 1 Lithium Metal Batteries 1 1.1 History 1 1.2 Types 2 1.2.1 Lithium–Oxygen Batteries 2 1.2.1.1 Working Mechanism of Li–O2 Batteries 2 1.2.1.2 Cathode Design of Li–O2 Batteries 4 1.2.1.3 Anode Protection of Li–O2 Batteries 8 1.2.2 Lithium–Sulfur Batteries 11 1.2.2.1 Conductive Matrixes for S Cathode 12 1.2.2.2 Modifying Separators of Li–S Batteries 15 1.2.2.3 Electrolyte Design for Li–S Batteries 17 1.2.2.4 Anode Protection for Li–S Batteries 18 1.2.3 Lithium–Selenium or –Tellurium Batteries 22 1.2.3.1 Lithium–Selenium Batteries 22 1.2.3.2 Lithium–Tellurium Batteries 29 1.2.4 Lithium–Iodine/Bromine Batteries 31 1.2.4.1 Lithium–Iodine Batteries 31 1.2.4.2 Lithium–Bromine Battery 36 1.2.5 TMO Batteries 37 1.3 Introductive Electrolytes 41 1.4 Prospects 44 References 45 2 Electrode–Electrolyte Interphase 55 2.1 Introduction 55 2.2 Solid Electrolyte Interphase 55 2.2.1 Concept and Roles 55 2.2.2 Types and Modification Strategies 56 2.3 Cathode Electrolyte Interphase 66 2.3.1 Concept and Roles 66 2.3.2 Types and Modification Strategies 66 References 75 3 Safe Electrolytes 79 3.1 Introduction 79 3.2 Flame-Retardant Mechanism 80 3.3 Flame-Retardant Electrolytes 80 3.4 Nonflammable Electrolytes 85 3.5 Prospects 93 References 95 4 High-Voltage Electrolytes 99 4.1 Introduction 99 4.2 The General Implications of High-Voltage Electrochemical Operation 101 4.2.1 Electrochemical Stability and Voltage Window for Electrolytes 101 4.2.2 Parasitic Electrolyte Oxidation and Formation of CEI 102 4.2.3 Metal Ion Diffusion, Surface Structural Reconstruction, and Mechanical Fracture of Cathode Materials 106 4.2.4 Instability of Other Cell Components at High Voltage 109 4.3 The Electrolyte Engineering for Various High-Voltage Cathodes 111 4.3.1 Nickel-Containing Layered Oxides 111 4.3.2 LiCoO2 116 4.3.3 Layered Li-Rich Cathodes 120 4.3.4 Other Cathode Materials 121 4.4 Conclusions 127 References 127 5 Extreme Temperature Electrolytes 133 5.1 Low-Temperature Electrolytes 133 5.1.1 The Limitations of Battery Performance at Low Temperature 133 5.1.2 The Improvement of Electrolytes 137 5.2 High-Temperature Electrolytes 143 5.2.1 The Limitations of Battery Performance at High Temperature 144 5.2.2 The Improvement of Electrolytes 148 5.3 Prospective 151 References 152 6 High-Concentration Electrolytes 157 6.1 High-Concentration Electrolytes 157 6.1.1 Concept, Design Strategies 157 6.1.2 Developments 158 6.2 Local High-concentration Electrolytes 168 6.2.1 Concept, Design Strategies 169 6.2.2 Developments 169 6.3 Prospects 178 References 178 7 Theoretical Basis for Electrolyte and Electrode Study 183 7.1 Redox Potential 183 7.1.1 Theoretical Basis 183 7.1.2 Solvents and Salts 185 7.1.3 Redox Potential of the Complex 186 7.2 Solvation Structure 187 7.2.1 Basic Theory 187 7.2.2 Influencing Factors and Implicit Solvent Model 188 7.2.3 Solvation Analysis 189 7.2.4 De-Solvation 190 7.3 Lithium Diffusion 192 7.3.1 Lithium Diffusion in SEI 192 7.3.2 Lithium Diffusion in Electrode Material 194 7.3.2.1 Calculation of Electrode Materials 194 7.3.2.2 Equilibrium Voltage 194 7.3.2.3 Ionic Mobility 195 7.4 Conclusion 195 References 196 8 Outlook 199 Index 203

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Book SynopsisRechargeable Ion Batteries Highly informative and comprehensive resource providing knowledge on underlying concepts, materials, ongoing developments and the many applications of ion-based batteries Rechargeable Ion Batteries explores the concepts and the design of rechargeable ion batteries, including their materials chemistries, applications, stability, and novel developments. Focus is given on state-of-the-art Li-based batteries used for portable electronics and electric vehicles, while other emerging ion-battery technologies are also introduced. The text addresses innovative approaches by reviewing nanostructured anodes and cathodes that pave new ways for enhancing the electrochemical performance. The first three chapters are dedicated to the general concepts of electrochemical cells, enabling readers to understand all necessary concepts for batteries from a single book. The following chapter covers the exciting applications of lithium-ion and sodium-ion batteries, while the subsequent chapters on Li-battery components include new types of anodes, cathodes, and electrolytes that have been developed recently, complemented by an overview of designing mechanically stable ion-battery systems. The last three chapters summarize recent progress in lithium-sulfur, sodium-ion, magnesium-ion and zinc and emerging ion-battery technologies. In Rechargeable Ion Batteries, readers can expect to find specific information on: Electrochemical cells, primary batteries, secondary batteries, recycling of batteries, applications of lithium and sodium batteries Next-generation cathodes, anodes and electrolytes for secondary lithium-ion batteries, which allow for improved performance and safety Multiphysics modeling for predicting design criteria for next generation ion-insertion electrodes Developments in lithium-sulfur batteries, sodium-ion batteries, and future ion-battery technologies Rechargeable Ion Batteries provides informative and comprehensive coverage of the subject to interested researchers, academics, and professionals in various fields, including materials science, electrochemistry, physical chemistry, mechanics, engineering, recycling and industry including the battery manufacturers and supply chain ancillaries, automotive, aerospace, and marine sectors, energy storage installers and environmental stakeholders. Readers can easily acquire a base of knowledge on the subject while understanding future developments in the field.Table of Contents1 INTRODUCTION TO ELECTROCHEMICAL CELLS 1.1 What are Batteries? 1.2 Quantities Characterizing Batteries 1.3 Primary and Secondary Batteries 1.4 Battery Market 1.5 Recycling and Safety Issues 2 MATERIALS FOR AND CHEMISTRY OF PRIMARY BATTERIES 2.1 Introduction 2.2 The Early Batteries 2.3 The Zinc/Carbon Cell 2.4 Alkaline Batteries 2.4.1 Electrochemical Reactions 2.5 Button Batteries 2.6 Li Primary Batteries 2.7 Oxyride Batteries 2.8 Damage in Primary Batteries 2.9 Conclusions 3 MATERIALS FOR AND CHEMISTRY OF SECONDARY BATTERIES 3.1 The Lead-Acid Battery 3.2 The Nickel-Cadmium Battery 3.3 Nickel-Metal Hydride (Ni-MH) Batteries 3.4 Secondary Alkaline Batteries 3.5 Secondary Lithium Batteries 3.6 Lithium-Sulfur Batteries 3.7 Conclusions 4 APPLICATIONS OF SECONDARY LI BATTERIES 4.1 Portable Electronic Devices 4.2 Hybrid and Electric Vehicles 4.3 Medical Applications 4.4 Application of Secondary Li Ion Battery Systems in Vehicle Technology 5 NEXT GENERATION CATHODES FOR SECONDARY LI-ION BATTTERIES 5.1 Energy Density and Thermodynamics 5.2 Materials Chemistry and Engineering of Voltage Plateau 5.3 Multitransition Metal Oxide Engineering for Capacity and Stability 5.4 Conclusion 6 NEXT-GENERATION ANODES FOR SECONDARY LI-ION BATTERIES 6.1 Introduction 6.2 Chemical Attack by the Electrolyte 6.3 Mechanical Instabilities during Electrochemical Cycling 6.4 Nanostructured Anodes 6.5 Thin Film Anodes 6.6 Nanofiber/Nanotube/Nanowire Anodes 6.7 Active/Less Active Nanostructured Anodes 6.8 Other Anode Materials 6.9 Conclusions 7 NEXT-GENERATION ELECTROLYTES FOR LI BATTERIES 7.1 Introduction 7.2 Background 7.3 Preparation and Characterization of Polymer Electrolytes 7.3.1 Preparation of Polymer Electrolytes 7.3.2 Characterization of Molten-Salt-Containing Polymer Gel Electrolytes 7.3.3 Characterization of Organic-Modified MMT-Containing Polymer Composite Electrolytes 7.3.4 Ion-Exchanged Li-MMT-Containing Polymer Composite Electrolytes 7.3.5 Mesoporous Silicate (MCM-41)-Containing Polymer Composite Electrolytes 7.4 Conclusions 8 DESIGNING MECHANICALLY STABLE ION-BATTERY SYSTEMS 8.1 Introduction 8.2 Mechanics Considerations During Battery Life 8.3 Modeling Elasticity and Fracture During Electrochemical Cycling 8.4 Multiscale Phenomena and Considerations in Modeling 8.5 Particle Models of Coupled Diffusion and Stress Generation 8.6 Diffusional Processes During Cycling 8.7 Conclusions 9 DEVELOPMENTS IN LI-S BATTERIES 9.1 Introduction to Li-S Batteries 9.2 Electrochemical Principles 9.3 Sulfur Utilisation and Cycle Life 9.4 Potential Solutions to Outstanding Problems 9.5 Carbon Materials 9.6 Metal Oxide-Sulfur Composites 9.7 Polymers 9.8 Some New Developments 9.9 Conclusions 10 NA-ION BATTERIES 10.1 Introduction 10.2 Cathode Materials for Na-ion Batteries 10.3 Anode Materials for Na-ion Batteries 10.4 Electrolyte for Na-ion Batteries 10.5 Conclusions 11 NOVEL ION-BATTERY TECHNOLOGIES 11.1 Introduction 11.2 Mn-ion Batteries 11.3 K-ion Batteries 11.4 Other-ion Batteries 11.5 Conclusions

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Book SynopsisThis book covers new frontiers in this field and help explore the fundamental effects, facilitate the standardized evaluation, and further promote the performance of triboelectric nanogenerators on energy harvesting and self-powered sensing.

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Book SynopsisTitanium Carbide MXenes Discover the future of solar energy with this introduction to an essential new family of materials MXenes are a recently-discovered family of two-dimensional organic compounds formed from transition metal carbides. Their unique properties, such as high stability and electron conductivity, have made them a sought-after commodity with many industrial applications in cutting-edge industries. In particular, titanium carbide MXenes look poised to have significant applications in the solar energy industry, with potentially revolutionary consequences for the sustainable energy future. Titanium Carbide MXenes offers a thorough and accessible introduction to this family of compounds and their possible applications. It begins by surveying the fundamentals of the MXene groups, before characterizing titanium carbide MXenes and their processes of synthesis. It then moves on to discuss applications, current and future. The result is a must-read for researchers and professionals looking to synthesize and construct these materials and apply them in sustainable industry. Titanium Carbide MXenes readers will also find: Detailed treatment of MXenes including nitrides composites, perovskites composites, and more Discusses applications in photocatalytic CO2 reduction, hydrogen production, water splitting, and more Roughly 100 figures illustrating key concepts Titanium Carbide MXenes is a must-have for materials scientists, catalytic chemists, and scientists in industry.Table of ContentsPreface xi 1 Introduction to Titanium Carbide (Ti3C2) MXenes for Energy and Environmental Applications 1Muhammad Tahir 1.1 Introduction 1 1.2 Layout of the Book 4 2 Fundamentals, Properties, and Characteristics of Titanium Carbides MXenes (Ti3C2Tx) 9Areen Sherryna and Muhammad Tahir 2.1 Introduction 9 2.2 Fundamentals of MXene 10 2.3 Photocatalytic Attributes of MXene 17 2.4 Conclusion and Future Perspectives 24 3 Synthesis and Characterization of Titanium Carbide (Ti3C2) MXenes 33Azmat Ali Khan, Muhammad Tahir, and Nazish Khan 3.1 Introduction 33 3.2 Different Synthesis Techniques of MXene 35 3.3 Characterization of MXenes 46 3.4 X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 50 3.5 Raman Spectroscopy and Photoluminescence (PL) 50 3.6 Conclusions 51 4 Synthesis and Characterization of TiC MXene-Based Composites for Energy Storage and Conversion 57Azmat A. Khan, Muhammad Tahir, Areen Sherryna, Muhammad Madi, Abdelmoumin Y. Zerga, Nazish Khan, and Naveen Kumar 4.1 Introduction 57 4.2 Synthesis of TiC-Based Composites 58 4.3 Characterization of Ti3C2-Based Composites 69 4.4 Conclusion 82 5 Titanium Carbide (TiC) MXene-Based Titanium Dioxide Composites for Energy and Environment Applications 87Riyadh R. Ikreedeegh and Muhammad Tahir 5.1 Introduction 87 5.2 Recent Developments in TiC-Based TiO2Composites 88 5.3 TiC-Based TiO2 Composite for CO2 Reduction 96 5.4 TiC-Based TiO2 Composite for Hydrogen Production 100 5.5 TiC-Based TiO2 Composite for Degradation 102 6 Titanium Carbide (TiC) MXene-based Graphitic Carbon Nitride Composites for Energy and Environment Applications 115Abdelmoumin Y. Zerga and Muhammad Tahir 6.1 Introduction 115 6.2 Principle of Photocatalysis for Using MXene/g-C3N4 Composites 116 6.3 Applications of TiC MXene-based Carbon Nitride for H2 Evolution 118 6.4 Conclusions 127 7 Titanium Carbide MXene-Based MOF Composites for Energy and Environment Applications 133Animesh T. Partho, Muhammad Tahir, and Naveen Kumar 7.1 Introduction 133 7.2 Overview of MXenes and MOFs for Photocatalytic Applications 135 7.3 Photocatalytic Hydrogen Production 144 7.4 Photocatalytic Degradation Application 153 7.5 Photocatalytic CO2 Reduction Application 156 7.6 Conclusion and Outlook 158 8 Titanium Carbide (TiC) MXene-Based Layered Double Hydroxide (LDH) Composites for Energy and Environment Applications 169Azmat A. Khan, Muhammad Tahir, and Nazish Khan 8.1 Introduction 169 8.2 Basic Principles of Energy Storage and Conversion 170 8.3 Properties of TiC MXene 175 8.4 Properties of LDH 176 8.5 Structural and Optical Properties of LDH/TiC MXene 177 8.6 LDH-Based TiCMXene Composite Applications 179 8.7 Photocatalytic CO2 Reduction Application 185 8.8 Photocatalytic Degradation Application 187 8.9 Conclusions and Future Recommendations 189 9 Titanium Carbide MXene-Based Perovskites Composites for Energy and Environment Applications 193Mohamed Madi, Muhammad Tahir, and Naveen Kumar 9.1 Introduction 193 9.2 Properties and Application of Perovskite 194 9.3 Principle of Photocatalysis Using MXene/Perovskite Composite 195 9.4 Applications of TiC MXene-Based Perovskite Composite for CO2 Reduction 197 9.5 Applications of TiC MXene-Based Perovskite Composite for Degradation 199 9.6 Prospects and Challenges 201 9.7 Conclusions 202 10 Titanium Carbide (Ti3C2) Based MXenes for Energy Storage Applications 207Ebrima Ceesay, Shamaila Fatima, Muhammad Z. Iqbal, and Syed Rizwan 10.1 Introduction 207 10.2 Requirements for Energy Storage 208 10.3 Classification of MXenes 209 10.4 Synthesis of Titanium and Vanadium Carbide MXenes 212 10.5 Typical Characterization of MXenes 213 10.6 Electrochemical Energy Storage (EES) Devices 219 10.7 Thermodynamic and Cycle Stability of MXenes 224 10.8 Future Recommendations 226 10.9 Summary 227 Acknowledgments 227 References 228 Index 239

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Book SynopsisLow-Grade Heat Harvesting Harvest a vast untapped reservoir of energy with this essential resource The search for widely available, sustainable energy sources is arguably the defining challenge of the current era. Low-Grade Heat, a term referring to temperatures under 100 degrees Celsius, is an incredibly abundant form of energy in the natural world, but not one which existing sustainable technologies have been able to harvest efficiently and sustainably. The ubiquity of this energy, however, gives it huge potential to address the looming energy crisis. Low-Grade Heat Harvesting surveys existing technologies for utilizing low-grade heat and the related techniques for storing and converting low-grade heat energy. Beginning with the basic thermodynamic principles underlying low-grade heat, it proceeds to work systematically through the major categories of low-grade heat harvesting device, offering a comprehensive overview of the state of the field. Low-Grade Heat Harvesting readers will also find: A focus on emerging technologies Detailed discussion of thermoelectric devices for low-grade heat harvesting, liquid-based thermocells for heat-to-current conversion, and many more Authored by an acknowledged expert in energy storage and conversion Low-Grade Heat Harvesting is ideal for materials scientists, electrochemists, electronics engineers, and anyone else working to address energy needs.Table of ContentsAbout the Author ix Preface xi 1 Backgrounds and Principles of Low-Grade Heat Harvesting 1 1.1 Backgrounds and History 2 1.2 Working Principles of Current Systems 5 1.2.1 Seebeck Effect 5 1.2.2 Peltier Effect 6 1.2.3 Thomson Effect 6 1.2.4 Thermodiffusion Effect 8 1.2.5 Thermogalvanic Effect 9 1.2.6 Thermoextraction Effect 10 1.3 Parameters for Low-Grade Heat Harvesting 11 1.3.1 Seebeck Coefficient 13 1.3.2 Electrical Conductivity 13 1.3.3 Thermal Conductivity 14 1.3.4 Conversion Efficiency 15 1.3.5 Power Density 18 References 19 2 Conventional Thermoelectric Devices for Low-Grade Heat Harvesting 21 2.1 Basic Structure and Working Principle of Electronic Thermoelectric Device 21 2.1.1 Working Principle of Electronic Thermoelectric Devices 21 2.1.1.1 Seebeck Effect 21 2.1.1.2 Peltier Effect 22 2.1.1.3 Thomson Effect 23 2.2 Material System of Electronic Thermoelectric Device 24 2.2.1 Bi2Te3-Based Thermoelectric Material 25 2.2.2 PbX (X = S, Se, Te) Compound 28 2.2.3 SiGe Alloy 31 2.3 Performance and Optimization Method of Electronic Thermoelectric Device 33 2.4 Manufacturing Process of Electronic Thermoelectric Devices 36 2.5 Design, Integration and Application of Electronic Thermoelectric Device 38 2.5.1 Single-Stage/Multi-Stage Device Structure Design 38 2.5.2 Selection of Electrode Material and Electrode Connection Technology 39 2.5.3 Thermoelectric Material/Electrode Transition Layer and Interface Structure 39 2.5.4 Device Application and Service Performance 40 References 42 3 Polymer-based Thermoelectric Devices for Low-Grade Heat Harvesting 43 3.1 Introduction 43 3.2 Conversion Process and Mechanism 45 3.3 Current Material Types and Design Principles 49 3.3.1 p-type Organic TE Materials 50 3.3.2 n-Type Organic TE Materials 52 3.3.3 PEDOT Derivatives 56 3.3.4 Carbon Nanotubes/Conductive Polymer Composites 57 3.3.5 Inorganic Semiconductive Nanomaterials/Polymer Composites 58 3.4 Construction and Functionalization of TE Devices 60 References 64 4 Liquid-Based Thermocells for Heat-To-Current Conversion 67 4.1 Introduction 67 4.2 Basis of Thermocells Design 68 4.3 Engineering Strategies for Liquid-based Thermocells 74 4.3.1 Redox Couples 74 4.3.2 Electrolyte 77 4.3.3 Electrode 79 4.4 Direct and Indirect Thermocell Applications 82 References 85 5 Thermosensitive Thermocells for Low-Grade Heat Harvesting 87 5.1 Introduction 87 5.2 Design Principle and Method of Thermosensitive Thermocells 88 5.2.1 Working Principle of Thermosensitive Thermocells 88 5.2.2 Measurement Conditions of Thermosensitive Thermocells 90 5.2.3 The Basic Principle and Design Points of Thermosensitive Thermocells 91 5.2.3.1 Working Principle of Thermosensitive Thermocells 91 5.2.3.2 The Hot End Temperature of Thermosensitive Thermocells is Calculated by CJC 93 5.2.3.3 Key Point of System Design of Thermosensitive Thermocells 94 5.2.3.4 The Basic Law of Thermosensitive Thermocells 95 5.2.3.5 Thermosensitive Thermocells Requirements for Thermal Electrode Materials 96 5.3 Performance Test Method and Device Integration Technology of Thermosensitive Thermocells 98 5.3.1 Electrode Material Selection and Electrode-Connected Technology of Thermosensitive Thermocells 99 5.3.2 Device Construction and Functionalization of Thermosensitive Thermocells 101 5.3.2.1 The Basic Structure of Thermosensitive Thermocells 101 5.3.2.2 The Interface Structure of Thermosensitive Thermocells 104 5.3.3 Performance Test Method of Thermosensitive Thermocells 105 5.3.3.1 Evaluation and Measurement of Conversion Efficiency and Output Power 105 5.3.3.2 Measurement of Thermoelectric Properties of Materials by Harman Method 107 5.4 Summary and Perspective 108 References 109 6 Wearable Power Generation via Thermoelectrochemical Devices 111 6.1 Introduction 111 6.2 Thermoelectrochemical Devices Requirements for Wearables 113 6.2.1 Filler Material 113 6.2.2 Thermal Load Matching 113 6.2.3 Lateral Heat Flow and Substrates Effecting 115 6.3 Materials Toward Wearable Devices 116 6.3.1 Inorganic Material 116 6.3.2 Organic Polymer Material 121 6.3.3 Organic–Inorganic Composite Material 128 6.4 Summary and Future Trend 133 References 134 7 Thermoelectric Ionogel for Low-Grade Heat Harvesting 137 7.1 Introduction 137 7.2 Thermoelectric Performance of Thermoelectric Ionogels 139 7.2.1 Basic Performance 139 7.2.2 Thermodiffusion Cell 141 7.2.3 Thermogalvanic Effect 143 7.2.4 Synergistic Thermodiffusion and Thermogalvanic Effect 145 7.3 Preparation of Thermoelectric Ionogel 145 7.4 Application of Thermoelectric Ionogel 149 7.5 Challenges and Opportunities 152 References 152 8 Alkali Metal Thermal Electrochemical Converter 155 8.1 Introduction 155 8.2 The Single- and Dual-Stage Alkali Metal Thermal Electrochemical Converter 158 8.2.1 The Single-Stage Sodium Thermal Electrochemical Converter 158 8.2.2 The Dual-Stage Sodium Thermal Electrochemical Converter 163 8.3 The Alkali Metal Thermal Electrochemical Converter Devices 169 8.3.1 Working Fluids for AMTEC 169 8.3.2 Electrode for AMTEC 171 8.4 Challenges and Opportunities 171 References 174 9 Thermally Regenerative Electrochemical Cycle and Other Techniques 177 9.1 Introduction 177 9.2 Progresses of TRECs 180 9.3 Combination of TRECs with Other Techniques 186 9.4 Challenges and Outlooks 190 References 193 10 Integration of Energy Conversion and Storage Devices 195 10.1 Introduction 195 10.2 Mechanisms 196 10.2.1 Thermally Regenerative Electrochemical Cycles (TRECs) 200 10.3 Engineering Designs for Thermoelectrochemical Cells 203 10.3.1 p/n-Type Conversion 203 10.3.2 Functional Designs 205 10.3.3 Device Integration and Applications 207 10.4 Summary and Outlooks 210 References 212 Index 215

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Book SynopsisDie Technische Mechanik (TM) ist ein unerlässliches Grundlagenfach und bietet das Rüstzeug für die Planung und Entwicklung komplexer Strukturen wie zum Beispiel Gebäude, Brücken, Fahrzeuge oder Triebwerke. Die TM liefert das theoretische Hintergrundwissen und die Verfahren zur Untersuchung von Kräften und Bewegungen und somit zur Berechnung der Konstruktion, Festigkeit, Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Bauteilen. Sie liefert damit die Antwort auf die Frage: Was ist technisch möglich? Teilgebiete, die den Inhalt der klassischen Technischen Mechanik darstellen sind Statik, Festigkeitslehre, Kinematik und Dynamik. Stefan Hartmanns Technische Mechanik ist konzipiert als vorlesungsbegleitendes Buch für Ingenieurstudiengänge wie zum Beispiel Bauwesen, Maschinenbau und Verfahrenstechnik an deutschsprachigen Universitäten. Der Autor vermittelt die Grundlagen und prüfungsrelevanten Inhalte dieses zentralen, aber oft gefürchteten Faches auf hohem didaktischen Niveau. Er beschreibt dabei klar

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Book SynopsisMit Prüfungstraining Technische Mechanik von Stefan Hartmann braucht man vor Klausuren und Prüfungen nicht mehr zu zittern. Mehr als 250 Aufgaben mit ausführlich durchgerechneten Lösungen aus allen Themengebieten der Technischen Mechanik Statik, Elastostatik, Kinematik und Dynamik helfen beim Verstehen und Vertiefen der Lerninhalte. Unerlässlich für Studierende in Ingenieurstudiengängen wie Maschinenbau, Verfahrenstechnik und Bauwesen: Insbesondere zusammen mit dem Lehrbuch Technische Mechanik legt das Prüfungstraining die Grundlagen fürs weiterführende Studium.

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Book SynopsisA systematic and comprehensive description of the most up-to-date research advance of polyimides dielectrics in the field of electrical and electronic engineering.

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Book SynopsisNoch bessere Didaktik, noch mehr Beispiele, noch mehr Aufgaben, noch mehr Spaß - die Neuauflage des "Halliday" erfüllt alle Wünsche an ein zeitgemäßes Lehrbuch der Physik! Das Lehrbuch bietet den gesamten Stoff der einführenden Experimentalphysik-Vorlesungen für Hauptfachstudenten. Mehrere Kapitel wurden im Sinne der besseren Verständlichkeit komplett umgeschrieben, etwa zum Gauß'schen Satz und zum elektrischen Potential. Die Kapitel zur Quantenmechanik sind deutlich umfangreicher und behandeln nun die Schrödinger-Gleichung ausführlicher bis hin zur Reflexion von Materiewellen an Potentialstufen und der Schwarzkörperstrahlung. Doch für die dritte Auflage wurden die Kapitel nicht nur überarbeitet, sondern didaktisch neu strukturiert: die Lerninhalte sind nun in Modulen organisiert, wobei jede Einheit die Lernziele explizit aufführt und die Schlüsselkonzepte zusammenfasst. So können Studentinnen und Studenten zielgerichtet lernen und den Lernerfolg nach der Lektüre selbst überprüfen. Das selbstständige Lernen wird unterstützt durch rund 300 im Text durchgerechnete Beispiele, 250 Verständnis-Checks, mehr als 650 konzeptionelle Fragen sowie mehr als 2500 Aufgaben unterschiedlichen Schwierigkeitsgrads.Trade Review"Die von Stephan W. Koch herausgegebene Übersetzung der erweiterten zehnten Auflage von 'Fundamentals of Physics' bietet mit 3,9 kg Physik-Wissen und 2,1 kg Übungsmaterial ein Schwergewicht geballten Wissens, nicht nur für Studierende sondern auch für allgemein Physik-Interessierte." Matierials and Corrosion (04/2018) "Die dritte deutsche Auflage erfüllt alle Wünsche an ein zeitgemäßes Lehrbuch der Physik für Hauptfachstudierende." LVT Lebensmittelindustrie (01.12.2017) "In 44 Kapiteln werden die Themen umfassend - mit zahlreichen hervorragenden Illustrationen und didaktisch überzeugend aufbereitet - behandelt. ? Ein hervorragendes Werk - nicht nur für angehende Physiker." DGZfP - Deutsche Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung (29.12.2017) Table of Contents1 Messung und Maßeinheiten 1.1 Grundsatzliches zuMessungen 1 1.2 Zeit 6 1.3 Masse 8 1.4 Zusammenfassung 9 1.5 Aufgaben 10 2 Geradlinige Bewegung 2.1 Ort, Verschiebung und mittlere Geschwindigkeit 13 2.2 Momentangeschwindigkeit 19 2.3 Beschleunigung 21 2.4 Konstante Beschleunigung 24 2.5 Der freie Fall 30 2.6 Zusammenfassung 33 2.7 Fragen 34 2.8 Aufgaben 35 3 Vektoren 3.1 Vektorenund ihre Eigenschaften 41 3.2 Einheitsvektorenund Vektoraddition 48 3.3 DieMultiplikation vonVektoren. 53 3.4 Felder 58 3.5 PartielleAbleitungen 60 3.6 Vektorableitungen 62 3.7 KomplexeZahlen und Funktionen 65 3.8 Zusammenfassung 68 3.9 Fragen 69 3.10 Aufgaben 71 4 Bewegung in zwei und drei Dimensionen 4.1 Ort undVerschiebung 77 4.2 Durchschnittsgeschwindigkeit undMomentangeschwindigkeit 80 4.3 Durchschnittsbeschleunigung undMomentanbeschleunigung 82 4.4 Wurfbewegungen 85 4.5 Die gleichformigeKreisbewegung. 92 4.6 Relativbewegung in einerDimension 95 4.7 Relativbewegung in zwei Dimensionen 98 4.8 Zusammenfassung 100 4.9 Fragen 101 4.10 Aufgaben 104 5 Kraft und Bewegung – I 5.1 Das erste und das zweite Newtonsche Gesetz 111 5.2 Einige besondereKrafte 121 5.3 Die Newtonschen Gesetze in der Praxis 126 5.4 Zusammenfassung 136 5.5 Fragen 137 5.6 Aufgaben 139 6 Kraft und Bewegung – II 6.1 Reibung 145 6.2 Stromungswiderstand und Endgeschwindigkeit 151 6.3 GleichformigeKreisbewegung 155 6.4 Scheinkrafte 161 6.5 Zusammenfassung 165 6.6 Fragen 166 6.7 Aufgaben 168 7 Kinetische Energie und Arbeit 7.1 Energie 175 7.2 Arbeit und kinetische Energie 178 7.3 Von der Gravitationskraft verrichtete Arbeit 183 7.4 Von einer Federkraft verrichtete Arbeit 188 7.5 Von einer allgemeinen veranderlichen Kraft verrichteteArbeit 192 7.6 Leistung 197 7.7 Zusammenfassung 200 7.8 Fragen 201 7.9 Aufgaben 204 8 Potenzielle Energie und Energieerhaltung 8.1 Potenzielle Energie 211 8.2 Der Energieerhaltungssatz derMechanik 219 8.3 Grafische Darstellung der potenziellen Energie 223 8.4 Von einer auseren Kraft an einem SystemverrichteteArbeit 228 8.5 Energieerhaltung 232 8.6 Zusammenfassung 238 8.7 Fragen 239 8.8 Aufgaben 241 9 Systeme von Teilchen 9.1 Der Schwerpunkt 251 9.2 Das zweite Newtonsche Gesetz fur einTeilchensystem. 256 9.3 Der Impuls 261 9.4 Stosprozesse:DerKraftstos 263 9.5 Die Impulserhaltung 267 9.6 Inelastische eindimensionale Stose 272 9.7 Elastische eindimensionale Stose 275 9.8 Zweidimensionale Stose 279 9.9 Systeme mit veranderlicherMasse: Eine Rakete 280 9.10 Ausere Krafte und Anderungen der inneren Energie 283 9.11 Zusammenfassung 286 9.12 Fragen 288 9.13 Aufgaben 290 10 Die Rotation ausgedehnter Körper 10.1 Die Variablen der Rotation 301 10.2 Rotation mit konstanter Winkelbeschleunigung 310 10.3 Beziehungen zwischen den Variablen fur lineareBewegung und Rotation 313 10.4 Die kinetische Energie der Rotation 318 10.5 Die Berechnung des Tragheitsmoments 319 10.6 DasDrehmoment 324 10.7 Das zweite Newtonsche Gesetz fur die Rotation 326 10.8 Arbeit und kinetische Energie der Rotation 330 10.9 Zusammenfassung 335 10.10 Fragen 337 10.11 Aufgaben 339 11 Rollbewegung, Drehmoment und Drehimpuls 11.1 Die Rollbewegung 347 11.2 Krafte und die kinetische Energie der Rollbewegung 349 11.3 Das Jo-Jo 354 11.4 Eine erweiterteDefinition desDrehmoments 355 11.5 DerDrehimpuls 357 11.6 Das zweite Newtonsche Gesetz inWinkelschreibweise 360 11.7 DerDrehimpuls eines starrenKorpers 363 11.8 Die Erhaltung desDrehimpulses 366 11.9 Die Prazession einesKreisels 374 11.10 Zusammenfassung 376 11.11 Fragen 377 11.12 Aufgaben 379 12 Gleichgewicht und Elastizität 12.1 Gleichgewicht 387 12.2 Beispiele fur statischeGleichgewichte 392 12.3 Elastizitat 400 12.4 Zusammenfassung 407 12.5 Fragen 407 12.6 Aufgaben 409 13 Gravitation 13.1 DasNewtonscheGravitationsgesetz 419 13.2 Gravitation und das Superpositionsprinzip 422 13.3 Die Gravitation in der Nahe der Erdoberflache. 425 13.4 DieGravitation innerhalb der Erde 428 13.5 Die potenzielle Energie der Gravitation 430 13.6 Planeten und Satelliten: Die KeplerschenGesetze 436 13.7 Satelliten:Umlaufbahnen und Energie 439 13.8 Einstein und dieGravitation 443 13.9 Zusammenfassung 445 13.10 Fragen 446 13.11 Aufgaben 448 14 Fluide 14.1 Fluide,Dichte undDruck 455 14.2 Ruhende Fluide 459 14.3 Druckmessung 462 14.4 Das Pascalsche Prinzip 464 14.5 Das archimedischePrinzip 465 14.6 Die Kontinuitatsgleichung 470 14.7 Die Bernoulli-Gleichung 475 14.8 Zusammenfassung 479 14.9 Fragen 480 14.10 Aufgaben 481 15 Schwingungen 15.1 Harmonische Schwingungen. 489 15.2 Die Energie einer harmonischen Schwingung 498 15.3 Das Torsionspendel 500 15.4 Pendel und Kreisbewegungen 502 15.5 Gedampfte harmonische Schwingungen 509 15.6 Erzwungene Schwingungen und Resonanz 514 15.7 Das FoucaultschePendel 518 15.8 Zusammenfassung 521 15.9 Fragen 522 15.10 Aufgaben 525 16 Wellen – I 16.1 Transversalwellen. 531 16.2 DieWellengeschwindigkeit eines gespannten Seils 542 16.3 Energie und Leistung einer sich ausbreitendenSeilwelle 544 16.4 DieWellengleichung 547 16.5 Die Interferenz vonWellen 549 16.6 Darstellung vonWellen durchZeiger 554 16.7 StehendeWellen und Resonanz 556 16.8 Zusammenfassung 563 16.9 Fragen 564 16.10 Aufgaben 566 17 Wellen – II 17.1 Die Schallgeschwindigkeit 573 17.2 DieAusbreitung von Schallwellen. 577 17.3 Interferenz 580 17.4 Schallintensitat und Schallpegel 583 17.5 MusikalischeTone 587 17.6 Schwebungen 592 17.7 Der Doppler-Effekt 594 17.8 Uberschallgeschwindigkeit und Stoswellen. 600 17.9 Zusammenfassung 601 17.10 Fragen 602 17.11 Aufgaben 604 18 Temperatur,Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik 18.1 Temperatur 611 18.2 DieCelsius- und die Fahrenheit-Skala 615 18.3 Warmeausdehnung 618 18.4 DieAbsorption vonWarme 621 18.5 Der erste Hauptsatz derThermodynamik 628 18.6 Mechanismen derWarmeubertragung 635 18.7 Zusammenfassung 641 18.8 Fragen 642 18.9 Aufgaben 644 19 Die kinetische Gastheorie 19.1 Ein neuer Blick aufGase 651 19.2 IdealeGase 653 19.3 Druck, Temperatur und gemittelte Geschwindigkeiten. 657 19.4 Kinetische Translationsenergie 661 19.5 Diemittlere freieWeglange 662 19.6 Die Verteilungsfunktion derMolekulgeschwindigkeiten 664 19.7 Die molareWarmekapazitat idealer Gase 669 19.8 Freiheitsgrade und molare Warmekapazitat 674 19.9 Die adiabatische Expansion eines idealenGases 678 19.10 RealeGase 683 19.11 Zusammenfassung 686 19.12 Fragen 688 19.13 Aufgaben 690 20 Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 20.1 Entropie 695 20.2 Entropie in Aktion: ThermodynamischeMaschinen 703 20.3 Kaltemaschinenund realeMaschinen 709 20.4 Eine statistische Interpretation der Entropie 713 20.5 Zusammenfassung 718 20.6 Fragen 719 20.7 Aufgaben 720 21 Elektrische Ladung 21.1 Elektromagnetismus 727 21.2 Die elektrische Ladung ist quantisiert 740 21.3 Die elektrische Ladung ist eine Erhaltungsgrose 742 21.4 Zusammenfassung 743 21.5 Fragen 744 21.6 Aufgaben 746 22 Elektrische Felder 22.1 Das elektrische Feld 751 22.2 Das elektrische Feld einer Punktladung 754 22.3 Das elektrische Feld einesDipols 757 22.4 Elektrisches Feld einer linearen Ladungsverteilung 760 22.5 Das elektrische Feld einer geladenen Scheibe 766 22.6 Punktladung imelektrischen Feld 768 22.7 EinDipol in einemelektrischen Feld 770 22.8 Zusammenfassung 774 22.9 Fragen 775 22.10 Aufgaben 777 23 Der Gaußsche Satz 23.1 Das Coulombsche Gesetz in neuem Licht 783 23.2 DerGaussche Satz 789 23.3 Eigenschaften eines geladenen, isolierten Leiters. 795 23.4 Eine Anwendung des Gausschen Satzes:Zylindersymmetrie 799 23.5 Eine Anwendung des Gausschen Satzes: Ebene Symmetrie 801 23.6 Eine Anwendung des Gausschen Satzes:Kugelsymmetrie 804 23.7 Zusammenfassung 807 23.8 Fragen 807 23.9 Aufgaben 809 24 Das elektrische Potenzial 24.1 Das elektrische Potenzial 817 24.2 Aquipotenzialflachen 823 24.3 Das Potenzial von Punktladungen. 827 24.4 Das Potenzial eines elektrischen Dipols 830 24.5 Das Potenzial einer kontinuierlichen Ladungsverteilung 832 24.6 Die Berechnung des elektrischen Felds aus demelektrischen Potenzial 835 24.7 Die elektrische potenzielle Energie eines Systems von Punktladungen 837 24.8 Das Potenzial eines geladenen, isolierten leitendenKorpers 841 24.9 Zusammenfassung 843 24.10 Fragen 844 24.11 Aufgaben 845 25 Kapazität 25.1 Kondensatoren und ihre Anwendungen 851 25.2 Die Berechnung derKapazitat 854 25.3 Parallel- und Reihenschaltung vonKondensatoren 859 25.4 In einem elektrischen Feld gespeicherteEnergie 865 25.5 KondensatormitDielektrikum 869 25.6 Dielektrika undGausscher Satz 873 25.7 Zusammenfassung 877 25.8 Fragen 878 25.9 Aufgaben 879 26 Elektrischer StromundWiderstand 26.1 Ladung in Bewegung: Elektrischer Strom 885 26.2 Die Stromdichte 889 26.3 Widerstand und spezifischerWiderstand 893 26.4 DasOhmscheGesetz 898 26.5 Elektrische Leistung in Stromkreisen 902 26.6 Zusammenfassung 908 26.7 Fragen 909 26.8 Aufgaben 911 27 Stromkreise 27.1 Unverzweigte Stromkreise. 917 27.2 Verzweigte Stromkreise 928 27.3 Amperemeterund Voltmeter 937 27.4 RC-Kreise 938 27.5 Zusammenfassung 944 27.6 Fragen 944 27.7 Aufgaben 946 28 Magnetfelder 28.1 Magnetfelder und die Definition von ⃗B 953 28.2 Gekreuzte Felder: Die Entdeckung des Elektrons 959 28.3 Gekreuzte Felder:DerHall-Effekt 961 28.4 Geladene Teilchen auf einer Kreisbahn 965 28.5 Zyklotronund Synchrotron 970 28.6 Die magnetische Kraft auf einen stromdurchflossenenDraht 973 28.7 Das Drehmoment auf eine stromdurchflosseneDrahtschleife 975 28.8 DasmagnetischeDipolmoment 978 28.9 Zusammenfassung 980 28.10 Fragen 981 28.11 Aufgaben 983 29 Magnetfelder aufgrund von Strömen 29.1 DasMagnetfeld umeinen Strom. 989 29.2 Die Kraft zwischen parallelen Stromen 997 29.3 DasAmperescheGesetz 999 29.4 Zylinder- und Ringspulen 1003 29.5 Eine stromfuhrende Spule alsmagnetischerDipol 1006 29.6 Zusammenfassung 1009 29.7 Fragen 1009 29.8 Aufgaben 1011 30 Induktion und Induktivität 30.1 Das Faradaysche Gesetz und die Lenzsche Regel 1017 30.2 Induktion und Energietransfer 1026 30.3 Induzierte elektrische Felder 1029 30.4 Induktivitat 1034 30.5 Selbstinduktion 1036 30.6 RL-Kreise 1038 30.7 Energiespeicherung imMagnetfeld 1042 30.8 Die Energiedichte einesMagnetfelds 1044 30.9 Gegeninduktion 1045 30.10 Zusammenfassung 1049 30.11 Fragen 1050 30.12 Aufgaben 1052 31 Elektromagnetische Schwingkreise undWechselstrom 31.1 LC-Schwingungen 1061 31.2 Gedampfte Schwingungen in einem RLC-Kreis 1070 31.3 Erzwungene Schwingungen 1072 31.4 Der Reihen-RLC-Kreis 1082 31.5 Leistung inWechselstromkreisen 1088 31.6 Transformatoren 1091 31.7 Zusammenfassung 1096 31.8 Fragen 1098 31.9 Aufgaben 1099 32 Magnetismus und Materie 32.1 DerGaussche Satz furMagnetfelder 1105 32.2 Induziertemagnetische Felder 1107 32.3 Der Verschiebungsstrom und dieMaxwell-Gleichungen 1110 32.4 Magnete 1116 32.5 DerMagnetismus von Elektronen. 1118 32.6 Diamagnetismus 1124 32.7 Paramagnetismus 1126 32.8 Ferromagnetismus 1128 32.9 Zusammenfassung 1132 32.10 Fragen 1134 32.11 Aufgaben 1136 33 Elektromagnetische Wellen 33.1 ElektromagnetischeWellen 1141 33.2 Energietransport und Poynting-Vektor 1151 33.3 Der Strahlungsdruck 1154 33.4 Polarisation 1157 33.5 Reflexion und Brechung 1162 33.6 Totalreflexion 1169 33.7 Polarisation durchReflexion 1170 33.8 Zusammenfassung 1172 33.9 Fragen 1173 33.10 Aufgaben 1175 34 Abbildungen 34.1 Bilder und ebene Spiegel 1183 34.2 Kugelspiegel 1187 34.3 Spharische brechende Flachen 1193 34.4 Dunne Linsen 1196 34.5 Optische Instrumente 1203 34.6 DreiHerleitungen 1207 34.7 Zusammenfassung 1210 34.8 Fragen 1211 34.9 Aufgaben 1213 35 Interferenz 35.1 Licht alsWelle 1219 35.2 Beugung amDoppelspalt 1225 35.3 Interferenzund Intensitat 1232 35.4 Interferenz an dunnen Schichten 1237 35.5 DasMichelson-Interferometer 1245 35.6 Zusammenfassung 1246 35.7 Fragen 1247 35.8 Aufgaben 1249 36 Beugung 36.1 Beugung amEinzelspalt 1255 36.2 Intensitaten bei der Beugung amEinzelspalt 1260 36.3 Beugung an einer kreisrunden Offnung 1265 36.4 Beugung amDoppelspalt 1269 36.5 Beugungsgitter 1273 36.6 Beugungsgitter: Dispersion undAuflosungsvermogen 1277 36.7 Rontgenbeugung 1281 36.8 Zusammenfassung 1283 36.9 Fragen 1284 36.10 Aufgaben 1286 37 Relativitätstheorie 37.1 Gleichzeitigkeitund Zeitdilatation 1293 37.2 Die Relativitat der Lange 1304 37.3 Die Lorentz-Transformation 1308 37.4 Die Relativitat derGeschwindigkeiten 1314 37.5 Der Doppler-Effekt fur Lichtwellen 1315 37.6 Impuls und Energie 1319 37.7 Zusammenfassung 1326 37.8 Fragen 1327 37.9 Aufgaben 1329 38 Photonen und Materiewellen 38.1 Das Photon:Teilchen des Lichts 1335 38.2 Der photoelektrischeEffekt 1337 38.3 Photonenimpuls, Compton- Verschiebung und Lichtinterferenz 1341 38.4 Die Geburtsstunde der Quantenphysik 1348 38.5 ElektronenundMateriewellen 1350 38.6 Die Schrodinger-Gleichung 1354 38.7 Die Heisenbergsche Unscharferelation 1357 38.8 Reflexion an einer Potenzialschwelle 1359 38.9 DerTunneleffekt 1361 38.10 Zusammenfassung 1365 38.11 Fragen 1366 38.12 Aufgaben 1367 39 Mehr über Materiewellen 39.1 Die Energie eines Elektrons in einer Elektronenfalle 1373 39.2 DieWellenfunktionen eines Elektrons in einemKastenpotenzial 1380 39.3 Das eindimensionale endliche Kastenpotenzial 1385 39.4 Zwei- und dreidimensionale Elektronenfallen 1388 39.5 DasWasserstoffatom 1393 39.6 Zusammenfassung 1406 39.7 Fragen 1408 39.8 Aufgaben 1409 40 Atome 40.1 Eigenschaften vonAtomen 1415 40.2 Das Stern-Gerlach-Experiment 1422 40.3 Kernspinresonanz 1426 40.4 Das Pauli-Prinzip 1428 40.5 DerAufbau des Periodensystems 1432 40.6 Rontgenstrahlung. 1435 40.7 Laser 1440 40.8 Zusammenfassung 1445 40.9 Fragen 1447 40.10 Aufgaben 1447 41 Elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern 41.1 Die elektrischen Eigenschaften vonMetallen 1453 41.2 Halbleiter und Dotierung 1466 41.3 pn-Ubergange undTransistoren 1472 41.4 Zusammenfassung 1480 41.5 Fragen 1481 41.6 Aufgaben 1482 42 Kernphysik 42.1 Die Entdeckung desAtomkerns 1487 42.2 Einige Eigenschaften vonAtomkernen 1489 42.3 Der radioaktiveZerfall 1497 42.4 DerAlpha-Zerfall 1501 42.5 Der Beta-Zerfall 1504 42.6 RadiometrischeAltersbestimmung. 1508 42.7 Mase fur Strahlungsdosen 1509 42.8 Kernmodelle 1511 42.9 Zusammenfassung 1514 42.10 Fragen 1515 42.11 Aufgaben 1516 43 Kernenergie 43.1 Kernspaltung 1525 43.2 Kernreaktoren 1531 43.3 Ein naturlicherKernreaktor 1536 43.4 Thermonukleare Fusion: Der grundlegende Prozess 1538 43.5 Thermonukleare Fusion in der Sonne und anderen Sternen 1541 43.6 Kontrollierte thermonukleareFusion 1544 43.7 Zusammenfassung 1547 43.8 Fragen 1548 43.9 Aufgaben 1549 44 Quarks, Leptonen und der Urknall 44.1 Grundzuge derTeilchenphysik 1555 44.2 Leptonen,Hadronen und Strangeness 1564 44.3 Quarks undAustauschteilchen 1570 44.4 Kosmologie. 1577 44.5 Zusammenfassung 1585 44.6 Fragen 1585 44.7 Aufgaben 1586 Anhang A Das Internationale Einheitensystem (SI) 1594 B AstronomischeDaten 1596 C Umrechnungsfaktoren 1597 D Mathematische Formeln 1599 E Eigenschaften der Elemente 1603 F Antworten auf die Kontrollfragen und Fragen 1606 G Stichwortverzeichnis 1614

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Book SynopsisDas Arbeitsbuch zur dritten Auflage des "Halliday" hilft bei der Durchdringung des Stoffs der einführenden Experimentalphysik-Vorlesungen für Hauptfachstudierende. Es enthält die Lösungen inklusive des Lösungswegs zu mehr als 2500 Aufgaben unterschiedlichen Schwierigkeitsgrades aus allen Kapiteln des Lehrbuchs. Dabei stammen die Aufgaben aus allen Themenbereichen der Experimentalphysik und reichen von Standardaufgaben, die jeder können muss, bis hin zu weiterführenden Aufgaben für Fortgeschrittene. Sowohl einzeln erhältlich als auch im Deluxe-Set mit dem Lehrbuch!Table of Contents1 MessungundMaßeinheiten 1 2 GeradlinigeBewegung 9 3 Vektoren 31 4 Bewegung in zwei und drei Dimensionen 47 5 KraftundBewegung–I 69 6 KraftundBewegung–II 85 7 KinetischeEnergieundArbeit 107 8 Potenzielle Energie und Energieerhaltung 123 9 SystemevonTeilchen 149 10 DieRotationausgedehnterKörper 175 11 Rollbewegung, Drehmoment und Drehimpuls 195 12 GleichgewichtundElastizität 219 13 Gravitation 239 14 Fluide 257 15 Schwingungen 273 16 Wellen – I 291 17 Wellen – II 309 18 Temperatur, Wärme und der erste HauptsatzderThermodynamik 323 19 DiekinetischeGastheorie 341 20 Entropie und der zweite Hauptsatz derThermodynamik 357 21 ElektrischeLadung 379 22 ElektrischeFelder 393 23 DerGaußscheSatz 411 24 Das elektrische Potenzial 427 25 Kapazität 443 26 ElektrischerStromundWiderstand 457 27 Stromkreise 471 28 Magnetfelder 489 29 Magnetfelder aufgrund von Strömen 503 30 InduktionundInduktivität 519 31 Elektromagnetische Schwingkreise undWechselstrom 539 32 MagnetismusundMaterie 559 33 Elektromagnetische Wellen 575 34 Abbildungen 593 35 Interferenz 607 36 Beugung 623 37 Relativitätstheorie 637 38 Photonen und Materiewellen 655 39 Mehr über Materiewellen 677 40 Atome 697 41 Elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern 713 42 Kernphysik 729 43 Kernenergie 749 44 Quarks,LeptonenundderUrknall 763

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Book SynopsisDas Halliday-Lehrbuch Physik für natur- und ingenieurwissenschaftliche Studiengänge bietet einen Überblick über den Stoff typischer Experimentalphysik-Vorlesungen. Dementsprechend wurde der Stoff auf die Bedürfnisse dieser Studierenden zugeschnitten und gestrafft. Außerdem stellt jedes Kapitel einen ausgeprägten Praxisbezug her, um die Anwendung physikalischer Konzepte zu illustrieren. Für die dritte Auflage wurden die Kapitel nicht nur überarbeitet, sondern didaktisch neu strukturiert: die Lerninhalte sind nun in Modulen organisiert, wobei jede Einheit die Lernziele explizit aufführt und die Schlüsselkonzepte zusammenfasst. So können Studentinnen und Studenten zielgerichtet lernen und den Lernerfolg nach der Lektüre selbst überprüfen. Das Übungsbuch hilft bei der Durchdringung des Stoffs der einführenden Experimentalphysik-Vorlesungen für Nebenfachstudierende. Es enthält mehr als 750 Aufgaben mit ausführlichenb Lösungen aus allen Kapiteln des Lehrbuchs. Dabei stammen die Aufgaben aus allen Themenbereichen der Experimentalphysik und reichen von Standardaufgaben, die jeder können muss, bis hin zu weiterführenden Aufgaben für Fortgeschrittene.Trade Review"Halliday Physik ist ein didaktisch hervorragend gestaltetes Lehrbuch." Prof. Dr. Franz Sachslehner, Universität WienTable of Contents1 Bewegung 1.1 Ort, Verschiebung und mittlere Geschwindigkeit 1 1.2 Momentangeschwindigkeit 4 1.3 Beschleunigung 5 1.4 Konstante Beschleunigung 8 1.5 Der freie Fall 12 1.6 Zwei und drei Raumdimensionen 14 1.7 Durchschnittsgeschwindigkeit und Momentangeschwindigkeit 15 1.8 Durchschnittsbeschleunigung und Momentanbeschleunigung 18 1.9 Wurfbewegungen 19 1.10 Die gleichformige Kreisbewegung 24 1.11 Relativbewegung in einer Dimension 26 1.12 Relativbewegung in zwei Dimensionen 28 1.13 Zusammenfassung 29 1.14 Fragen 31 2 Kraft und Bewegung 2.1 Das erste und das zweite NewtonscheGesetz 35 2.2 Einige besondere Krafte 42 2.3 Die Newtonschen Gesetze in der Praxis 47 2.4 Reibung 50 2.5 Stromungswiderstand und Endgeschwindigkeit 54 2.6 Gleichformige Kreisbewegung 56 2.7 Scheinkrafte 58 2.8 Zusammenfassung 61 2.9 Fragen 63 3 Kinetische Energie und Arbeit 3.1 Energie 69 3.2 Arbeit und kinetische Energie 71 3.3 Von der Gravitationskraft verrichtete Arbeit 74 3.4 Von einer Federkraft verrichtete Arbeit 76 3.5 Von einer allgemeinen veranderlichen Kraft verrichtete Arbeit 80 3.6 Leistung 83 3.7 Zusammenfassung 85 3.8 Fragen 86 4 Potenzielle Energie und Energieerhaltung 4.1 Potenzielle Energie 89 4.2 Der Energieerhaltungssatz derMechanik 94 4.3 Grafische Darstellung der potenziellen Energie 98 4.4 Von einer auseren Kraft an einem SystemverrichteteArbeit 101 4.5 Energieerhaltung 104 4.6 Zusammenfassung 107 4.7 Fragen 109 5 Systeme von Teilchen 5.1 Der Schwerpunkt 113 5.2 Das zweite Newtonsche Gesetz fur ein Teilchensystem 116 5.3 Der Impuls 119 5.4 Stosprozesse: Der Kraftstos 121 5.5 Die Impulserhaltung 125 5.6 Inelastische eindimensionale Stose 127 5.7 Elastische eindimensionale Stose 129 5.8 Zweidimensionale Stose 132 5.9 Systeme mit veranderlicher Masse: Eine Rakete 133 5.10 Ausere Krafte und Anderungen der inneren Energie 136 5.11 Zusammenfassung 138 5.12 Fragen 139 6 Die Rotation ausgedehnter Körper 6.1 Die Variablen der Rotation 143 6.2 Rotation mit konstanter Winkelbeschleunigung 148 6.3 Beziehungen zwischen den Variablen fur lineare Bewegung und Rotation 149 6.4 Die kinetische Energie der Rotation 152 6.5 Die Berechnung des Tragheitsmoments 154 6.6 Das Drehmoment 156 6.7 Das zweite Newtonsche Gesetz fur die Rotation 158 6.8 Arbeit und kinetische Energie der Rotation 159 6.9 Zusammenfassung 162 6.10 Fragen 164 7 Rollbewegung, Drehmoment und Drehimpuls 7.1 Die Rollbewegung 167 7.2 Krafte und die kinetische Energie der Rollbewegung 169 7.3 Das Jo-Jo 172 7.4 Eine erweiterte Definition des Drehmoments 173 7.5 Der Drehimpuls 175 7.6 Das zweite Newtonsche Gesetz in Winkelschreibweise 177 7.7 Der Drehimpuls eines starren Korpers 179 7.8 Die Erhaltung des Drehimpulses 182 7.9 Die Prazession eines Kreisels 185 7.10 Zusammenfassung 187 7.11 Fragen 188 8 Gleichgewicht und Elastizität 8.1 Gleichgewicht 191 8.2 Beispiele fur statische Gleichgewichte 195 8.3 Elastizitat 198 8.4 Zusammenfassung 203 8.5 Fragen 203 9 Gravitation 9.1 Das Newtonsche Gravitationsgesetz 207 9.2 Gravitation und das Superpositionsprinzip 210 9.3 Die Gravitation in der Nahe der Erdoberflache 211 9.4 DieGravitation innerhalb der Erde 214 9.5 Die potenzielle Energie der Gravitation 216 9.6 Planeten und Satelliten: DieKeplerschen Gesetze 220 9.7 Satelliten: Umlaufbahnen und Energie 223 9.8 Einstein und die Gravitation 225 9.9 Zusammenfassung 227 9.10 Fragen 229 10 Fluide 10.1 Fluide,Dichte und Druck 233 10.2 Ruhende Fluide 235 10.3 Druckmessung 238 10.4 Das Pascalsche Prinzip 240 10.5 Das archimedische Prinzip 241 10.6 DieKontinuitatsgleichung 245 10.7 Die Bernoulli-Gleichung 248 10.8 Zusammenfassung 251 10.9 Fragen 252 11 Schwingungen 11.1 Harmonische Schwingungen 255 11.2 Die Energie einer harmonischen Schwingung 260 11.3 Das Torsionspendel 262 11.4 Pendel und Kreisbewegungen 264 11.5 Gedampfte harmonische Schwingungen 269 11.6 Erzwungene Schwingungen und Resonanz 271 11.7 Das Foucaultsche Pendel 273 11.8 Zusammenfassung 274 11.9 Fragen 275 12 Wellen – I 12.1 Transversalwellen 279 12.2 DieWellengeschwindigkeit eines gespannten Seils 285 12.3 Energie und Leistung einer sich ausbreitenden Seilwelle 288 12.4 Die Wellengleichung 290 12.5 Die Interferenz von Wellen 293 12.6 Darstellung von Wellen durch Zeiger 297 12.7 Stehende Wellen und Resonanz 298 12.8 Zusammenfassung 304 12.9 Fragen 305 13 Wellen – II 13.1 Die Schallgeschwindigkeit 307 13.2 Die Ausbreitung von Schallwellen 310 13.3 Interferenz 314 13.4 Schallintensitat und Schallpegel 316 13.5 Musikalische Tone 319 13.6 Schwebungen 322 13.7 Der Doppler-Effekt 323 13.8 Uberschallgeschwindigkeit und Stoswellen 328 13.9 Zusammenfassung 329 13.10 Fragen 330 14 Temperatur, Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik 14.1 Temperatur 333 14.2 Die Celsius- und die Fahrenheit-Skala 336 14.3 Warmeausdehnung 339 14.4 Die Absorption von Warme 341 14.5 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 347 14.6 Mechanismen der Warmeubertragung 353 14.7 Zusammenfassung 358 14.8 Fragen 359 15 Die kinetische Gastheorie 15.1 Ein neuer Blick aufGase 363 15.2 Ideale Gase 364 15.3 Druck, Temperatur und gemittelte Geschwindigkeiten 368 15.4 Kinetische Translationsenergie 371 15.5 Diemittlere freie Weglange 372 15.6 Die Verteilungsfunktion der Molekulgeschwindigkeiten 374 15.7 Die molare Warmekapazitat idealer Gase 377 15.8 Freiheitsgrade und molare Warmekapazitat 382 15.9 Die adiabatische Expansion eines idealen Gases 385 15.10 RealeGase 389 15.11 Zusammenfassung 392 15.12 Fragen 393 16 Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 16.1 Entropie 397 16.2 Entropie in Aktion: Thermodynamische Maschinen 402 16.3 Kaltemaschinenund reale Maschinen 407 16.4 Eine statistische Interpretation der Entropie 411 16.5 Zusammenfassung 414 16.6 Fragen 416 17 Elektrische Ladung 17.1 Elektromagnetismus 419 17.2 Die elektrische Ladung ist quantisiert 426 17.3 Die elektrische Ladung ist eine Erhaltungsgrose 427 17.4 Zusammenfassung 429 17.5 Fragen 429 18 Elektrische Felder 18.1 Das elektrische Feld 433 18.2 Das elektrische Feld einer Punktladung 436 18.3 Das elektrische Feld eines Dipols 438 18.4 Elektrisches Feld einer linearen Ladungsverteilung 440 18.5 Das elektrische Feld einer geladenen Scheibe 444 18.6 Punktladung imelektrischen Feld 446 18.7 EinDipol in einemelektrischen Feld 448 18.8 Zusammenfassung 451 18.9 Fragen 452 19 Der Gaußsche Satz 19.1 Das Coulombsche Gesetz in neuem Licht 455 19.2 Der Gaussche Satz 458 19.3 Eigenschaften eines geladenen, isolierten Leiters 462 19.4 Eine Anwendung des Gausschen Satzes: Zylindersymmetrie 465 19.5 Eine Anwendung des Gausschen Satzes: Ebene Symmetrie 466 19.6 Eine Anwendung des Gausschen Satzes: Kugelsymmetrie 469 19.7 Zusammenfassung 471 19.8 Fragen 472 20 Das elektrische Potenzial 20.1 Das elektrische Potenzial 475 20.2 Aquipotenzialflachen 479 20.3 Das Potenzial von Punktladungen 482 20.4 Das Potenzial eines elektrischen Dipols 485 20.5 Das Potenzial einer kontinuierlichen Ladungsverteilung 487 20.6 Die Berechnung des elektrischen Felds aus demelektrischen Potenzial 490 20.7 Die elektrische potenzielle Energie eines Systems von Punktladungen 492 20.8 Das Potenzial eines geladenen, isolierten leitendenKorpers 493 20.9 Zusammenfassung 495 20.10 Fragen 497 21 Kapazität 21.1 Kondensatoren und ihre Anwendungen 499 21.2 Die Berechnung der Kapazitat 502 21.3 Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren 506 21.4 In einem elektrischen Feld gespeicherte Energie 511 21.5 Kondensatormit Dielektrikum 513 21.6 Dielektrika und Gausscher Satz 517 21.7 Zusammenfassung 519 21.8 Fragen 520 22 Elektrischer Stromund Widerstand 22.1 Ladung in Bewegung: Elektrischer Strom 523 22.2 Die Stromdichte 525 22.3 Widerstand und spezifischer Widerstand 528 22.4 Das Ohmsche Gesetz 532 22.5 Elektrische Leistung in Stromkreisen 536 22.6 Zusammenfassung 541 22.7 Fragen 542 23 Stromkreise 23.1 Unverzweigte Stromkreise 545 23.2 Verzweigte Stromkreise 554 23.3 Amperemeter und Voltmeter 558 23.4 RC-Kreise 559 23.5 Zusammenfassung 563 23.6 Fragen 564 24 Magnetfelder 24.1 Magnetfelder und die Definition von ⃗B 567 24.2 Gekreuzte Felder: Die Entdeckung des Elektrons 572 24.3 Gekreuzte Felder: DerHall-Effekt 574 24.4 Geladene Teilchen auf einer Kreisbahn 576 24.5 Zyklotronund Synchrotron 580 24.6 Die magnetische Kraft auf einen stromdurchflossenen Draht 582 24.7 Das Drehmoment auf eine stromdurchflossene Drahtschleife 584 24.8 Dasmagnetische Dipolmoment 587 24.9 Zusammenfassung 589 24.10 Fragen 590 25 Magnetfelder aufgrund von Strömen 25.1 Das Magnetfeld umeinen Strom 593 25.2 Die Kraft zwischen parallelen Stromen 598 25.3 Das Amperesche Gesetz 599 25.4 Zylinder- und Ringspulen 603 25.5 Eine stromfuhrende Spule alsmagnetischer Dipol 606 25.6 Zusammenfassung 609 25.7 Fragen 609 26 Induktion und Induktivität 26.1 Das Faradaysche Gesetz und die Lenzsche Regel 613 26.2 Induktion und Energietransfer 619 26.3 Induzierte elektrische Felder 622 26.4 Induktivitat 625 26.5 Selbstinduktion 627 26.6 RL-Kreise 629 26.7 Energiespeicherung im Magnetfeld 632 26.8 Die Energiedichte eines Magnetfelds 634 26.9 Gegeninduktion 635 26.10 Zusammenfassung 637 26.11 Fragen 638 27 Elektromagnetische Schwingkreise und Wechselstrom 27.1 LC-Schwingungen 641 27.2 Gedampfte Schwingungen in einem RLC-Kreis 647 27.3 Erzwungene Schwingungen 649 27.4 Der Reihen-RLC-Kreis 657 27.5 Leistung in Wechselstromkreisen 662 27.6 Transformatoren 664 27.7 Zusammenfassung 668 27.8 Fragen 669 28 Magnetismus und Materie 28.1 Der Gaussche Satz fur Magnetfelder 671 28.2 Induziertemagnetische Felder 673 28.3 Der Verschiebungsstrom und die Maxwell-Gleichungen 675 28.4 Magnete 678 28.5 Der Magnetismus von Elektronen 680 28.6 Diamagnetismus 687 28.7 Paramagnetismus 688 28.8 Ferromagnetismus 691 28.9 Zusammenfassung 694 28.10 Fragen 696 29 Elektromagnetische Wellen 29.1 Elektromagnetische Wellen 699 29.2 Energietransport und Poynting-Vektor 707 29.3 Der Strahlungsdruck 710 29.4 Polarisation 712 29.5 Reflexion und Brechung 716 29.6 Totalreflexion 721 29.7 Polarisation durch Reflexion 723 29.8 Zusammenfassung 724 29.9 Fragen 726 30 Abbildungen 30.1 Bilder und ebene Spiegel 729 30.2 Kugelspiegel 733 30.3 Spharische brechende Flachen 738 30.4 Dunne Linsen 740 30.5 Optische Instrumente 747 30.6 Drei Herleitungen 751 30.7 Zusammenfassung 753 30.8 Fragen 754 31 Interferenz 31.1 Licht als Welle 757 31.2 Beugung am Doppelspalt 761 31.3 Interferenzund Intensitat 766 31.4 Interferenz an dunnen Schichten 770 31.5 Das Michelson-Interferometer 776 31.6 Zusammenfassung 777 31.7 Fragen 778 32 Beugung 32.1 Beugung am Einzelspalt 781 32.2 Intensitaten bei der Beugung am Einzelspalt 785 32.3 Beugung an einer kreisrunden Offnung 789 32.4 Beugung am Doppelspalt 792 32.5 Beugungsgitter 795 32.6 Beugungsgitter: Dispersion und Auflosungsvermogen 799 32.7 Rontgenbeugung 801 32.8 Zusammenfassung 804 32.9 Fragen 805 33 Relativitätstheorie 33.1 Gleichzeitigkeitund Zeitdilatation 807 33.2 Die Relativitat der Lange 816 33.3 Die Lorentz-Transformation 818 33.4 Die Relativitat der Geschwindigkeiten 822 33.5 Der Doppler-Effekt fur Lichtwellen 823 33.6 Impuls und Energie 827 33.7 Zusammenfassung 833 33.8 Fragen 834 34 Photonen und Materiewellen 34.1 Das Photon: Teilchen des Lichts 837 34.2 Der photoelektrische Effekt 839 34.3 Photonenimpuls, Compton-Verschiebung und Lichtinterferenz 842 34.4 Die Geburtsstunde der Quantenphysik 848 34.5 Elektronenund Materiewellen 850 34.6 Die Schrodinger-Gleichung 854 34.7 Die Heisenbergsche Unscharferelation 857 34.8 Reflexion an einer Potenzialschwelle 858 34.9 Der Tunneleffekt 860 34.10 Zusammenfassung 863 34.11 Fragen 865 35 Mehr über Materiewellen 35.1 Die Energie eines Elektrons in einer Elektronenfalle 867 35.2 Die Wellenfunktionen eines Elektrons in einem Kastenpotenzial 871 35.3 Das eindimensionale endliche Kastenpotenzial 875 35.4 Zwei- und dreidimensionale Elektronenfallen 876 35.5 DasWasserstoffatom 880 35.6 Zusammenfassung 891 35.7 Fragen 892 36 Atome 36.1 Eigenschaften von Atomen 895 36.2 Das Stern-Gerlach-Experiment 901 36.3 Kernspinresonanz 904 36.4 Das Pauli-Prinzip 906 36.5 DerAufbau des Periodensystems 908 36.6 Rontgenstrahlung 911 36.7 Laser 915 36.8 Zusammenfassung 920 36.9 Fragen 921 37 Elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern 37.1 Die elektrischen Eigenschaften von Metallen 923 37.2 Halbleiter und Dotierung 930 37.3 pn-Ubergange und Transistoren 935 37.4 Zusammenfassung 943 37.5 Fragen 944 Anhang A Das Internationale Einheitensystem (SI) 948 B AstronomischeDaten 951 C Umrechnungsfaktoren 952 D Mathematische Formeln 954 E Eigenschaften der Elemente 959 F Antworten auf die Kontrollfragen und Fragen 962 G Stichwortverzeichnis 970

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Book SynopsisDas Übungsbuch zur dritten Auflage des Halliday-Lehrbuchs für natur- und ingenieurwissenschaftliche Studiengänge hilft bei der Durchdringung des Stoffs der einführenden Experimentalphysik-Vorlesungen für Ingenieure und Naturwissenschaftler. Es enthält die Lösungen inklusive des ausführlichen Lösungswegs zu mehr als 750 Aufgaben unterschiedlichen Schwierigkeitsgrades aus allen Kapiteln des Lehrbuchs. Sowohl einzeln erhältlich als auch im Deluxe-Set mit dem Lehrbuch!Table of Contents1 Geradlinige Bewegung 1 2 Kraft und Bewegung 63 3 Kinetische Energie und Arbeit 105 4 Potenzielle Energie und Energieerhaltung 125 5 Systeme von Teilchen 149 6 Die Rotation ausgedehnter Körper 175 7 Rollbewegung, Drehmoment und Drehimpuls 201 8 Gleichgewicht und Elastizität 223 9 Gravitation 245 10 Fluide 263 11 Schwingungen 277 12 Wellen – I 293 13 Wellen – II 311 14 Temperatur, Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik 327 15 Die kinetische Gastheorie 343 16 Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 361 17 Elektrische Ladung 377 18 Elektrische Felder 391 19 Der Gaußsche Satz 407 20 Das elektrische Potenzial 427 21 Kapazität 445 22 Elektrischer Strom und Widerstand 461 23 Stromkreise 475 24 Magnetfelder 495 25 Magnetfelder aufgrund von Strömen 511 26 Induktion und Induktivität 527 27 Elektromagnetische Schwingkreise und Wechselstrom 549 28 Magnetismus und Materie 567 29 Elektromagnetische Wellen 581 30 Abbildungen 597 31 Interferenz 611 32 Beugung 627 33 Relativitätstheorie 641 34 Photonen und Materiewellen 659 35 Mehr über Materiewellen 671 36 Atome 689 37 Elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern 701

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Book SynopsisDas Deluxe-Set aus dem Halliday-Lehrbuch und passendem Übungsbuch für natur- und ingenieurwissenschaftliche Studiengänge ist der ideale Begleiter für alle, die im Studium Physik lernen und Physik-Klausuren und -Prüfungen bestehen müssen. Es bietet einen Überblick über den Stoff typischer einführender Experimentalphysik-Vorlesungen und wurde auf die Bedürfnisse dieser Studierenden zugeschnitten und gestrafft. Außerdem stellt jedes Kapitel einen ausgeprägten Praxisbezug her, um die Anwendung physikalischer Konzepte zu illustrieren. Für die dritte Auflage wurden die Kapitel nicht nur überarbeitet, sondern didaktisch neu strukturiert: die Lerninhalte sind nun in Modulen organisiert, wobei jede Einheit die Lernziele explizit aufführt und die Schlüsselkonzepte zusammenfasst. So können Studentinnen und Studenten zielgerichtet lernen und den Lernerfolg nach der Lektüre selbst überprüfen. Das Übungsbuch hilft bei der Durchdringung des Stoffs: es enthält die Aufgaben und Lösungen inklusive des ausführlichen Lösungswegs zu mehr als 750 Aufgaben unterschiedlichen Schwierigkeitsgrades aus allen Kapiteln des Lehrbuchs.Table of Contents1 Messung und Maßeinheiten 2 Geradlinige Bewegung 3 Vektoren 4 Bewegung in zwei und drei Dimensionen 5 Die Newtonschen Gesetze der Mechanik 6 Kraft und BewegungI 7 Kinetische Energie und Arbeit 8 Potenzielle Energie und Energieerhaltung 9 Systeme von Teilchen 10 Stoßprozesse 11 Die Rotation 12 Rollen, Drehmoment und Drehimpuls 13 Gleichgewicht und Elastitzität 14 Gravitation 15 Fluide 16 Schwingungen 17 Wellen 18 Schallwellen 19 Temperatur, Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik 20 Die kinetische Gastheorie 21 Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 22 Elektrische Ladung 23 Elektrische Felder 24 Der Gauß'sche Satz 25 Elektrisches Potential 26 Kapazität 27 Elektrischer Strom und Widerstand 28 Stromkreise 29 Magnetische Felder 30 Das magnetische Feld stromdurchflossener Leiter 31 Induktion und Induktivität 32 Magnetismus und Materie 33 Elektromagnetische Schwingkreise und Wechselstrom 34 Die Maxwellschen Gleichungen 35 Abbildungen 36 Interferenz 37 Beugung 38 Relativitätstheorie 39 Photonen und Materiefelder 40 Mehr zu Materiewellen 41 Atome und Radioaktivität 42 Metalle, Halbleiter und Isolatoren

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Book SynopsisFür alle, die noch mehr lernen möchten: mehr als 320 Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen zum Band 2 des unschlagbar präzisen Ansorge/Oberle-Lehrwerks zur Mathematik in den Ingenieur- und Naturwissenschaften In sämtlichen Ingenieurwissenschaften, insbesondere im Maschinenbau, im Bauingenieurwesen und in der Elektrotechnik, ist Mathematik unverzichtbar bei der Beschreibung, Modellierung und Lösung ingenieurwissenschaftlicher Probleme. Für Studierende dieser Fächer ist es daher unabdingbar, sich detailliert mit der Mathematik auseinanderzusetzen und Wissen zu erwerben, das über die reine Anwendung von "Kochrezepten" hinausgeht. Das vorliegende Übungsbuch zu Band 2 des vollständig überarbeiteten und erweiterten Lehrwerks "Mathematik in den Ingenieur- und Naturwissenschaften" enthält mehr als 320 Aufgaben und Lösungen zur Differential- und Integralrechnung mehrerer Variablen, Differentialgleichungen, Integraltransformationen und zur Funktionentheorie. * Zum Tiefereinsteigen: besonders geeignet für diejenigen, die eine anspruchsvolle Darstellung der höheren Mathematik in den Ingenieur- und Naturwissenschaften suchen * Bewährtes Konzept, überarbeitet und erweitert: präzise, sauber, fachlich korrekt und anwendungsnah * Dazu passend: das neue LehrbuchTable of ContentsVorwort zur fünften Gesamtauflage vii Vorwort zur vierten Gesamtauflage ix Vorwort zur dritten Auflage xi A/L 17 Differentialrechnung mehrerer Variabler 1/87 A/L 17.1 Partielle Ableitungen 1/87 A/L 17.2 Differentialoperatoren 3/94 A/L 17.3 Das vollstandige Differential 4/96 A/L 17.4 Mittelwertsatze und Taylorscher Satz 7/104 A/L 18 Anwendungen der Differentialrechnung 9/113 A/L 18.1 Extrema von Funktionen mehrerer Variabler 9/113 A/L 18.2 Implizit definierte Funktionen 10/124 A/L 18.3 Extremalprobleme mit Nebenbedingungen 12/130 A/L 18.4 Das Newton-Verfahren 13/139 A/L 19 Integralrechnung mehrerer Variabler 15/143 A/L 19.1 Bereichsintegrale 15/143 A/L 19.2 Kurvenintegrale 18/160 A/L 19.3 Oberflachenintegrale 20/167 A/L 20 Gewöhnliche Differentialgleichungen 25/189 A/L 20.1 Einfuhrende Beispiele 25/189 A/L 20.2 Losungsmethoden fur Differentialgleichungen erster Ordnung 26/191 A/L 20.3 Losungsmethoden fur Differentialgleichungen zweiter Ordnung 29/206 A/L 21 Theorie der Anfangswertaufgaben 31/211 A/L 21.1 Existenz und Eindeutigkeit fur Anfangswertaufgaben 31/211 A/L 21.2 Naherungsverfahren 31/213 A/L 22 Lineare Differentialgleichungen 33/215 A/L 22.1 Systeme erster Ordnung 33/215 A/L 22.2 Systeme erster Ordnung mit konstanten Koeffizienten 34/219 A/L 22.3 Einzelgleichungen hoherer Ordnung 37/235 A/L 22.4 Einzelgleichungen hoherer Ordnung mit konstanten Koeffizienten 38/237 A/L 22.5 Stabilitat 39/243 A/L 23 Randwertaufgaben 43/253 A/L 23.1 Lineare Randwertaufgaben bei Systemen 43/253 A/L 23.2 Grundbegriffe der Variationsrechnung 44/257 A/L 23.3 Lineare Randwertaufgaben zweiter Ordnung 44/258 A/L 23.4 Eigenwertaufgaben 45/263 A/L 24 Numerik für Anfangswertaufgaben 47/265 A/L 24.1 Einschrittverfahren 47/265 A/L 24.2 Mehrschrittverfahren 48/268 A/L 24.3 Anfangswertmethoden fur Randwertaufgaben 48/268 A/L 25 Partielle Differentialgleichungen 49/271 A/L 25.1 Grundlegende Begriffe und Beispiele 49/271 A/L 25.2 Partielle Differentialgleichungen erster Ordnung 51/278 A/L 25.3 Normalformen linearer partieller Differentialgleichungen zweiter Ordnung 54/296 A/L 25.4 Die Laplacegleichung 56/305 A/L 25.5 Die Warmeleitungsgleichung 59/319 A/L 25.6 Die Wellengleichung 62/330 A/L 25.7 Eigenwertaufgaben 65/346 A/L 25.8 Spezielle Funktionen 66/349 A/L 26 Funktionen einer komplexen Variablen 67/351 A/L 26.1 Grundlegende Begriffe 67/351 A/L 26.2 Elementare Funktionen 68/355 A/L 26.3 Komplexe Differentiation und konforme Abbildungen 72/366 A/L 26.4 Komplexe Integration und Cauchyscher Hauptsatz 74/372 A/L 26.5 Cauchysche Integralformel und Taylor-Entwicklung 76/376 A/L 26.6 Laurent-Entwicklung und Singularitaten 77/378 A/L 26.7 Residuensatz mit Anwendungen 79/388 A/L 27 Integraltransformationen 83/403 A/L 27.1 Fourier-Transformation 83/403 A/L 27.2 Laplace-Transformation 83/404

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Book SynopsisPyrometrie und Thermografie Die Thermografie ist ein bildgebendes Verfahren, um Oberflächentemperaturen von Objekten anzuzeigen. Dies erfolgt, indem man die Intensität der Infrarotstrahlung, die von einem bestimmten Punkt ausgeht, misst und daraus die dort herrschende Temperatur berechnet. Als Messgeräte dazu werden Thermografie-Kameras verwendet. Wird die Temperatur nur an einem Punkt gemessen, spricht man von Pyrometrie, die entsprechenden Geräte werden als Pyrometer bezeichnet. Die berührungslose Temperaturmessung ist überall dort von großem Interesse, wo hohe Temperaturen auftreten, harsche Bedingungen herrschen oder der Messort nicht erreicht werden kann. Das ist zum Beispiel in der Prozessmesstechnik, in Gießereien und Stahlwerken oder der Überwachung von brandanfälligen Umgebungen (Wälder, Müllplätze) der Fall. Das Buch wendet sich an alle, die Pyrometer und Thermografie-Kameras nutzen und typischerweise mit den zu überwachenden Prozessen vertraut sind, aber oft nicht mit der einzusetzenden Messtechnik. Deshalb fokussiert es auf die Anwendung von Pyrometern und Thermografie-Kameras und macht auf übersichtliche Weise mit den Grundlagen, den Fehlereinflüssen, den Grenzen hinsichtlich der thermischen, zeitlichen und räumlichen Auflösung und der erreichbaren Messgenauigkeit vertraut.Table of ContentsVorwort ix Symbolverzeichnis xi Abkürzungsverzeichnis xv 1 Einführung 1 1.1 Infrarotstrahlung 1 1.2 Technische Anwendungen 4 1.3 Vorteile der berührungslosen Temperaturmessung 6 1.4 Historische Entwicklung 7 Literatur 12 2 Radiometrische Grundlagen 13 2.1 Strahlungsphysik 13 2.1.1 Ausbreitung von Strahlung 13 2.1.2 Ausbreitung in verlustfreien Medien 16 2.2 Strahlungsgrößen 22 2.2.1 Strahlungsfeldbezogene Größen 22 2.2.2 Senderseitige Größen 23 2.2.3 Empfängerseitige Größen 24 2.2.4 Spektrale Größen 24 2.2.5 Absorption, Reflexion und Transmission 26 2.3 Strahlungsgesetze 27 2.3.1 Planck’sches Strahlungsgesetz 27 2.3.2 Wien’sches Verschiebungsgesetz 31 2.3.3 Stefan-Boltzmann-Gesetz 34 2.3.4 Kirchhoff’sches Strahlungsgesetz 36 2.3.5 Fotometrisches Grundgesetz 37 2.4 Emission 46 2.4.1 Emissionsgrad 46 2.4.2 Schwarze Strahler 48 2.4.3 Emission realer Körper 56 2.4.4 Bestimmung des Emissionsgrades 61 2.5 Reflexion 64 2.5.1 Reflexionsgrad 64 2.5.2 Reflexion an Grenzflächen 65 2.5.3 ReflexionandünnendielektrischenSchichten 66 2.6 Transmission 70 2.6.1 Transmissionsgrad 70 2.6.2 Transmission von Körpern 71 2.6.3 Transmission der Atmosphäre 75 2.6.4 Abhängigkeit von der CO 2 -Konzentration 81 Literatur 82 3 Sensor- und Gerätekennwerte 85 3.1 Thermische Auflösung 85 3.1.1 Empfindlichkeit 85 3.1.2 Rauschen 89 3.1.3 Rauschäquivalente Leistung NEP 106 3.1.4 Detektivität 108 3.1.5 Rauschäquivalente Temperaturdifferenz NETD 110 3.1.6 Inhomogenitätsäquivalente Temperaturdifferenz IEDT 113 3.2 Räumliche Auflösung 115 3.2.1 Optisch-geometrische Beziehungen einer scharfen Abbildung 115 3.2.2 Begrenzung der Ortsauflösung 117 3.2.3 Spaltbildfunktion und Messfleckgröße 119 3.2.4 Modulationsübertragungsfunktion MTF 121 3.3 Zeitliche Auflösung 132 3.3.1 Zeitkonstante 133 3.3.2 Einstellzeit 135 3.3.3 Erfassungszeit 137 3.4 Zusammenfassung 137 Literatur 137 4 Infrarotsensoren 139 4.1 Thermische Infrarotsensoren 140 4.1.1 Wirkprinzipien 140 4.1.2 Thermoelektrische Strahlungssensoren 145 4.1.3 Pyroelektrische Sensoren 147 4.1.4 Mikrobolometer 149 4.2 Photonensensoren 153 4.2.1 Wirkprinzipien 154 4.2.2 Fotowiderstände 162 4.2.3 Fotodioden 166 4.2.4 Bildgebene Photonensensoren 168 4.3 Vergleich von thermischen und photonischen Sensoren 170 4.3.1 Thermische Auflösung 172 4.3.2 Zeitliche Auflösung 173 4.3.3 Kosten 173 4.3.4 Energieverbrauch 174 4.4 Kühlung von Sensoren 174 4.4.1 Thermoelektrische Kühler 175 4.4.2 Direktkontaktkühlung 176 4.4.3 Joule-Thomson-Kühler 177 4.4.4 Kleinkältemaschinen 178 4.4.5 Vergleich der Kühlverfahren 180 Literatur 182 5 Pyrometer 187 5.1 Aufbau und Funktionsweise 187 5.1.1 Grundaufbau 187 5.1.2 Funktionsweise 188 5.1.3 Berücksichtigung parasitärer Strahlungsanteile 191 5.1.4 Pyrometergleichung 192 5.2 Grundtypen 193 5.2.1 Gleichlichtpyrometer 194 5.2.2 Wechsellichtpyrometer 194 5.3 Messverfahren 196 5.3.1 Gesamtstrahlungspyrometer 198 5.3.2 Spektralpyrometer 202 5.3.3 Bandstrahlungspyrometer 206 5.3.4 Verhältnispyrometer 212 5.3.5 Mehrkanalpyrometer 218 5.4 Messunsicherheit 220 5.4.1 Kalibrierung 220 5.4.2 Absolute und relative Messunsicherheit 221 5.4.3 Umfeldfaktor SSE 223 5.5 Kenngrößen und Klassifizierung 226 5.5.1 Kenngrößen 226 5.5.2 Klassifizierung von Pyrometern 227 5.5.3 Spezielle Baugruppen für Pyrometer 231 5.6 Auswahl eines für eine Messaufgabe geeigneten Pyrometers 234 5.6.1 Allgemeine pyrometrische Messungen 235 5.6.2 Pyrometrische Temperaturmessungen an speziellen Materialien 238 5.6.3 Applikationen mit Quotientenpyrometern 240 Literatur 241 6 Thermografie 243 6.1 Aufbau und Funktionsweise 244 6.1.1 Aufbau 244 6.1.2 Funktionsweise 245 6.2 Bauarten 247 6.2.1 Scannende Thermobildgeräte 247 6.2.2 Zeilenkameras 248 6.2.3 Starrende Thermobildkameras 249 6.3 Messverfahren 256 6.3.1 Bandstrahlungsthermobildgeräte 257 6.3.2 Spektralkameras 258 6.3.3 Räumliche Auflösung 259 6.4 Justage 264 6.4.1 Ursachen der Ungleichförmigkeit 265 6.4.2 Arbeitspunkteinstellung 269 6.4.3 Korrektur defekter Pixel 272 6.4.4 Korrektur der Ungleichförmigkeit (NUC) 279 6.4.5 Radiometrische Justage 297 6.4.6 Zusammenfassung 299 6.5 Messunsicherheit 301 6.5.1 Ungleichförmigkeit 301 6.5.2 Umfeldeinfluss (Size-of-Source-Effekt) 302 6.5.3 Kalibrierung 304 6.6 Kenngrößen und Klassifizierung 305 6.6.1 Kenngrößen von Thermobildgeräten 305 6.6.2 Klassifikation von Thermobildgeräten 308 6.7 Auswahl einer für eine Messaufgabe geeigneten Thermobildkamera 311 6.7.1 Allgemeine Messungen mit Bandstrahlungsthermobildgeräten 313 6.7.2 Bandstrahlungsthermobildgeräte für konkrete Anwendungen 314 6.7.3 Spektralkameras 314 6.8 Anwendungen 315 6.8.1 Passive Thermografie 315 6.8.2 Aktive Thermografie 317 6.8.3 Auswertemethoden in der Thermografie 318 Literatur 319 Stichwortverzeichnis 323

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