Fachinhalt Physikalische Effekte der Meßtechnik



(beinhaltet Vorlesungen, Übungen und Praktika)

Kurze Übersicht

  1. Was sind physikalische Effekte ( Einleitung, historischer Überblick,Bedeutung für die Sensor- und Meßtechnik)

  2. Grundlagen des physikalischen Meßprozesses (Quantisierung und Meßprozeß, Heisenbergsche Unschärferelation, kommensurable Größen, statistische Deutung)

  3. Systematik der physikalischen Effekte und und Einteilungskriterien (Reziprozität, Umkehrbarkeit, "Outputverhalten", Matrixanordnung der Effekte)

  4. Diskussion ausgewählter klassischer Effekte (Elektr./magn. Effekte, thermodyn. Effekte, opt. Effekte "interdisziplinäre Effekte" )

  5. Diskussion ausgewählter neuer Effekte und Quanteneffekte (Atom- und kernphys. - Effekte, Festkörpereffekte und Plasma-Effekte)

  6. Genauigkeit von physikalischen Messungen ( Meßbarkeit und Fehler, statistische Betrachtungen )

  7. Meßbarkeit und spezielle dynamische Syteme mit chaotischem Verhalten ( Determiniertheit von Effekten, Grenzzyklussysteme in der Elektronik, Quantenchaos und zelluläre Automaten)

  8. Bedeutung der rechnergestützten Meßwerterfassung zur Messung von physikalischen Effekten ( Erlaüterung an ausgewählten Beispielen der Hochenergiephysik)

  9. Zusammenfassung und Ausblick



Ausführlichere Beschreibung

Dieses Wahlpflichtfach soll das grundlegende Verständnis des Meßprozesses in der Physik durch Diskussion ausgewählter Effekte vertiefen. Der Begriff des physikalischen Effektes hat sich in den letzten Jahrzehnten immer mehr als Bezeichnung für eine herausragende physikalische Erscheinung durchgesetzt. Wir können im simpelsten Fall darunter die Abhängigkeit einer physikalischen Größe von einer anderen verstehen, wie etwa das bekannte Ohmsche Gesetz. Ausgehend von ähnlich einfachen Beispielen soll deutlich gemacht werden, daß physikalische Effekte Antworten der Natur auf unserer Suche nach grundlegendem wissenschaftlichen Verständnis sind. Nach einem historischen Überblick und der Erläuterung der Bedeutung dieses Themas für die heutige moderne Sensortechnik wird dieses einleitende Kapitel beschlossen.

Die Heisenbergsche Unschärferelation als ein wichtiges Kriterium für die gleichzeitige Meßbarkeit von physikalischen Größen wird ausführlich an Hand von Beispielen erläutert. Die Bedeutung für das Messen komplementärer Größen ist von außerordentlicher Wichtigkeit für das weitere Verständnis. Anschließend folgen einige Bemerkungen zum Kausalitätsbegriff und zur statistischen Deutung des Meßbegriffes.

Eine Systematik der physikalischen Effekte stellt das Kernstück des dritten Kapitels dar. Für eine Reihe von Effekten lassen sich Ursache und Wirkung vertauschen. Man erhält so die inversen Effekte wie etwa den Peltier- und Seebeck-Effekt. Ausgehend von diesem Beispiel werden weitere Kriterien entwickelt bis hin zur Unterscheidung in digitale und analoge Effekte. Die Bedeutung von physikalischen Effekten für die Elektronik wird besprochen. So kann der Hall-Effekt in eleganter Weise für Multiplizierschaltungen eingesetzt werden, um nur ein Beispiel zu nennen. Die Matrixanordnung der physikalischen Effekte schließt dieses Kapitel ab.

In den folgenden beiden Kapiteln werden ausgewählte klassische Effekte und die neueren Effekte erläutert. Der Schwerpunkt liegt bei den Quanteneffekten. So stehen der Quanten-Hall-Effekt und der Effekt der Supraleitung mit ihrer großen Bedeutung für die Meßtechnik und die Elektronik im Mittelpunkt. Supraleitende Quanteninterferometer, die sogenannten SQID's, werden mit ihren Anwendungen ausführlich erläutert. Insbesondere soll auf die Beziehungen zwischen den neueren Effekten und den klassischen Effekten eingegangen werden. In der Mehrzahl finden auch die klassischen Effekte ihre präzise Erklärung erst durch die Quanteneigenschaften der Materie.

Quantenchaos und zelluläre Automaten leiten zum nächsten Thema, der Determiniertheit von physikalischen Effekten über. Dies ist eng mit dem Begriff der Meßbarkeit verknüpft. Es werden spezielle Grenzzyklussysteme der Elektronik betrachtet, z.B. elektronische Schwingkreise mit chaotischem Verhalten, Analogrechner und Impedanzkonverter mit hyperchaotischen Verhalten. Insbesondere in diesem Teil der Veranstaltung finden experimentelle Untersuchungen und Praktika statt. Diese werden durch Rechnersimulationen in der Programmiersprache PASCAL ergänzt.

Mit der Bedeutung der rechnergestützten Meßwerterfassung zur Untersuchung neuer physikalischer Phänomene, erläutert an einigen ausgewählten Beispielen der Hochenergiephysik, schließt die Veranstaltung ab. Im Rahmen der Veranstaltung findet eine Exkursion statt.