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Handbook of Physics


Author(s): Walter Benenson, John W. Harris, Horst Stocker, Holger Lutz (Editors)
Publisher: American Institute of Physics; 1 edition
Date     : 2006
Pages    : 1
Format   : PDF
OCR      : Yes
Quality  :

Language : English
ISBN-10  : 0387952691
ISBN-13  :


The "Handbook of Physics" is a complete desktop reference for scientists, engineers, and students. A veritable toolbox for everyday use in problem solving, homework, examinations, and practical applications of physics, it provides quick and easy access to a wealth of information including not only the fundamental formulas of physics but also a wide variety of experimental methods used in practice. Compiled by professional scientists, engineers, and lecturers who are experts in the day-to-day use of physics, the "Handbook" covers topics from classical mechanics to elementary particles, electric circuits to error analysis. The previous editions in German are renowned for their clarity and completeness. Each chapter contains: - all the important concepts, formulas, rules and theorems - numerous examples and practical applications - suggestions for problem solving, hints, and cross references - measurement techniques and important sources of errors - numerous tables of standard values and material properties Access to information is direct and swift through the user-friendly layout, structured table of contents, and extensive index. Like the companion "Handbook of Mathematics and Computational Science" compiled by Harris and Stocker, the "Handbook of Physics" is an invaluable tool for college and graduate students and researchers and practitioners in all fields of engineering and natural science.
From the reviews:
CHOICE (OUTSTANDING TITLE)
"Benenson (Michigan State Univ., East Lansing) and colleagues have prepared an invaluable compendium of relationships and indexes from every area of physics. Worth its price, it provides students and researchers a ready access to laws and equations that govern physical behavior and current material facts. The topics covered range from classical mechanics to elementary particles. The handbook provides, as one example from mechanics, the latest understanding of the concept of rolling friction. The reference work is enhanced through additional features in each section that include sample examples, applications of the physics described, problem-solving hints, and measurement techniques pertaining to the specific phenomena in the section. The book's layout allows easy accessibility to every topic. It includes a very useful appendix on error analysis, excellent line diagrams, and a comprehensive index."
"The Handbook of Physics edited by W. Benenson, J. W. Harris, H. Stocker and H. Lutz is fantastically good value for money . This is a massive aide-memoire for basic physics ." (Ultramicroscopy, Vol. 99, 2004)
"This veritable toolbox for everyday use in problem solving, homework, examinations, and practical applications of physics provides quick and easy access to a wealth of information including not only the fundamental formulas of physics but also a wide variety of experimental methods used in practice." (Meteorology and Atmospheric Physics, Vol. 84 (1-2), 2003)
"This Handbook of Physics is a complete desktop reference for scientists, engineers and students. Compiled by professional scientists, engineers and lecturers who are experts in the day-to-day use of physics, the Handbook covers topics from classical mechanics to elementary particles, electric circuits to error analysis." (Revista Espanola de Fisica, Vol. 17 (1), 2003)
"The editors have amassed a veritable treasure trove of tables, formulae, relationships and concepts from Mechanics, right across the Physics spectrum to Quantum Physics, that are clearly presented along with examples . As a teaching academic, I believe that this is a resource well worth having at hand. Here is a useful addition to the bookshelf in the office . A copy in the reference section would be a worthwhile library investment." (John Holdsworth, The Physicist, Vol. 39 (6), 2002)

Contents
Preface v
Contributors xxiii
Part I Mechanics 1
1 Kinematics 3
1.1 Description of motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Reference systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.3 Length, area, volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.4 Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.5 Mechanical systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2 Motion in one dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.1 Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.2 Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.3 Simple motion in one dimension . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3 Motion in several dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.1 Velocity vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.2 Acceleration vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.3 Free-fall and projectile motion . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4 Rotational motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.4.1 Angular velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4.2 Angular acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.4.3 Orbital velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2 Dynamics 37
2.1 Fundamental laws of dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.1 Mass and momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.2 Newton’s laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.3 Orbital angular momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.1.4 Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.1.5 The fundamental law of rotational dynamics . . . . . . . . . 52
vii
viii Contents
2.2 Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.1 Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.2 Spring torsion forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.3 Frictional forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3 Inertial forces in rotating reference systems . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.1 Centripetal and centrifugal forces . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.3.2 Coriolis force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.4 Work and energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4.1 Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4.2 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4.3 Kinetic energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.4.4 Potential energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.4.5 Frictional work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.5 Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.5.1 Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.6 Collision processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.6.1 Elastic straight-line central collisions . . . . . . . . . . . . . 74
2.6.2 Elastic off-center central collisions . . . . . . . . . . . . . . 76
2.6.3 Elastic non-central collision with a body at rest . . . . . . . . 76
2.6.4 Inelastic collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.7 Rockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.7.1 Thrust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.7.2 Rocket equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.8 Systems of point masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.8.1 Equations of motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.8.2 Momentum conservation law . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.8.3 Angular momentum conservation law . . . . . . . . . . . . . 85
2.8.4 Energy conservation law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.9 Lagrange’s and Hamilton’s equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.9.1 Lagrange’s equations and Hamilton’s principle . . . . . . . . 86
2.9.2 Hamilton’s equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3 Rigid bodies 93
3.1 Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1.1 Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1.2 Center of mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1.3 Basic kinematic quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.2 Statics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.1 Force vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.2.2 Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.2.3 Couples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.2.4 Equilibrium conditions of statics . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2.5 Technical mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.2.6 Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.3 Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.4 Moment of inertia and angular momentum . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.4.1 Moment of inertia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.4.2 Angular momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.5 Work, energy and power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.5.1 Kinetic energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.5.2 Torsional potential energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Contents ix
3.6 Theory of the gyroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.6.1 Tensor of inertia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.6.2 Nutation and precession . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.6.3 Applications of gyroscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4 Gravitation and the theory of relativity 129
4.1 Gravitational field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.1.1 Law of gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.1.2 Planetary motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.1.3 Planetary system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.2 Special theory of relativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.2.1 Principle of relativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.2.2 Lorentz transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.2.3 Relativistic effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.2.4 Relativistic dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.3 General theory of relativity and cosmology . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.3.1 Stars and galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5 Mechanics of continuous media 153
5.1 Theory of elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.1.1 Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.1.2 Elastic deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.1.3 Plastic deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.2 Hydrostatics, aerostatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.2.1 Liquids and gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.2.2 Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.2.3 Buoyancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.2.4 Cohesion, adhesion, surface tension . . . . . . . . . . . . . . 183
5.3 Hydrodynamics, aerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
5.3.1 Flow field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
5.3.2 Basic equations of ideal flow . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.3.3 Real flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.3.4 Turbulent flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.3.5 Scaling laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
5.3.6 Flow with density variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
6 Nonlinear dynamics, chaos and fractals 211
6.1 Dynamical systems and chaos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
6.1.1 Dynamical systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
6.1.2 Conservative systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
6.1.3 Dissipative systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
6.2 Bifurcations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
6.2.1 Logistic mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
6.2.2 Universality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
6.3 Fractals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Formula symbols used in mechanics 229
7 Tables on mechanics 231
7.1 Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
7.1.1 Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
7.1.2 Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
7.1.3 Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
x Contents
7.2 Elastic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
7.3 Dynamical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
7.3.1 Coefficients of friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
7.3.2 Compressibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
7.3.3 Viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
7.3.4 Flow resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
7.3.5 Surface tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
Part II Vibrations andWaves 253
8 Vibrations 255
8.1 Free undamped vibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
8.1.1 Mass on a spring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
8.1.2 Standard pendulum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
8.1.3 Physical pendulum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
8.1.4 Torsional vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
8.1.5 Liquid pendulum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
8.1.6 Electric circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
8.2 Damped vibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
8.2.1 Friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
8.2.2 Damped electric oscillator circuit . . . . . . . . . . . . . . . 273
8.3 Forced vibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
8.4 Superposition of vibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
8.4.1 Superposition of vibrations of equal frequency . . . . . . . . 277
8.4.2 Superposition of vibrations of different frequencies . . . . . . 279
8.4.3 Superposition of vibrations in different
directions and with different frequencies . . . . . . . . . . . 280
8.4.4 Fourier analysis, decomposition into harmonics . . . . . . . . 282
8.5 Coupled vibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9 Waves 287
9.1 Basic features of waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
9.2 Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
9.3 Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
9.3.1 Coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
9.3.2 Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
9.3.3 Standing waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
9.3.4 Waves with different frequencies . . . . . . . . . . . . . . . 299
9.4 Doppler effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
9.4.1 Mach waves and Mach shock waves . . . . . . . . . . . . . . 302
9.5 Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
9.6 Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
9.6.1 Phase relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
9.7 Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
9.8 Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
9.8.1 Diffraction by a slit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
9.8.2 Diffraction by a grating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
9.9 Modulation of waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
9.10 Surface waves and gravity waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
Contents xi
10 Acoustics 311
10.1 Sound waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
10.1.1 Sound velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
10.1.2 Parameters of sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
10.1.3 Relative quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
10.2 Sources and receivers of sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
10.2.1 Mechanical sound emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
10.2.2 Electro-acoustic transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
10.2.3 Sound absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
10.2.4 Sound attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
10.2.5 Flow noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
10.3 Ultrasound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
10.4 Physiological acoustics and hearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
10.4.1 Perception of sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
10.4.2 Evaluated sound levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
10.5 Musical acoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
11 Optics 335
11.1 Geometric optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
11.1.1 Optical imaging—fundamental concepts . . . . . . . . . . . 338
11.1.2 Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
11.1.3 Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
11.2 Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
11.2.1 Thick lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
11.2.2 Thin lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
11.3 Lens systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
11.3.1 Lenses with diaphragms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
11.3.2 Image defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
11.4 Optical instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
11.4.1 Pinhole camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
11.4.2 Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
11.4.3 Eye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
11.4.4 Eye and optical instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
11.5 Wave optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
11.5.1 Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
11.5.2 Diffraction and limitation of resolution . . . . . . . . . . . . 377
11.5.3 Refraction in the wave picture . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
11.5.4 Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
11.5.5 Diffractive optical elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
11.5.6 Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
11.5.7 Spectroscopic apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
11.5.8 Polarization of light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
11.6 Photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
11.6.1 Photometric quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
11.6.2 Photometric quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
Symbols used in formulae on vibrations, waves, acoustics and optics 407
12 Tables on vibrations, waves, acoustics and optics 409
12.1 Tables on vibrations and acoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
12.2 Tables on optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
xii Contents
Part III Electricity 419
13 Charges and currents 421
13.1 Electric charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
13.1.1 Coulomb’s law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
13.2 Electric charge density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
13.3 Electric current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
13.3.1 Ampere’s law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
13.4 Electric current density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
13.4.1 Electric current flow field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
13.5 Electric resistance and conductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
13.5.1 Electric resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
13.5.2 Electric conductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
13.5.3 Resistivity and conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
13.5.4 Mobility of charge carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
13.5.5 Temperature dependence of the resistance . . . . . . . . . . . 434
13.5.6 Variable resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
13.5.7 Connection of resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
14 Electric and magnetic fields 439
14.1 Electric field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
14.2 Electrostatic induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
14.2.1 Electric field lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
14.2.2 Electric field strength of point charges . . . . . . . . . . . . . 444
14.3 Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
14.4 Electric voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
14.5 Electric potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
14.5.1 Equipotential surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
14.5.2 Field strength and potential of various charge distributions . . 448
14.5.3 Electric flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
14.5.4 Electric displacement in a vacuum . . . . . . . . . . . . . . . 453
14.6 Electric polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
14.6.1 Dielectric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
14.7 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
14.7.1 Parallel-plate capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
14.7.2 Parallel connection of capacitors . . . . . . . . . . . . . . . 458
14.7.3 Series connection of capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . 459
14.7.4 Capacitance of simple arrangements of conductors . . . . . . 459
14.8 Energy and energy density of the electric field . . . . . . . . . . . . . 460
14.9 Electric field at interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
14.10 Magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
14.11 Magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
14.11.1 Magnetic field lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
14.12 Magnetic flux density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
14.13 Magnetic flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
14.14 Magnetic field strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
14.15 Magnetic potential difference and magnetic circuits . . . . . . . . . . 470
14.15.1 Ampere’s law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
14.15.2 Biot-Savart’s law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
14.15.3 Magnetic field of a rectilinear conductor . . . . . . . . . . . 476
14.15.4 Magnetic fields of various current distributions . . . . . . . . 477
Contents xiii
14.16 Matter in magnetic fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
14.16.1 Diamagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
14.16.2 Paramagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
14.16.3 Ferromagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
14.16.4 Antiferromagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
14.16.5 Ferrimagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
14.17 Magnetic fields at interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
14.18 Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
14.18.1 Faraday’s law of induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
14.18.2 Transformer induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
14.19 Self-induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
14.19.1 Inductances of geometric arrangements of conductors . . . . . 490
14.19.2 Magnetic conductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
14.20 Mutual induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
14.20.1 Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
14.21 Energy and energy density of the magnetic field . . . . . . . . . . . . 494
14.22 Maxwell’s equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
14.22.1 Displacement current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
14.22.2 Electromagnetic waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
14.22.3 Poynting vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
15 Applications in electrical engineering 501
15.1 Direct-current circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
15.1.1 Kirchhoff’s laws for direct-current circuit . . . . . . . . . . . 503
15.1.2 Resistors in a direct-current circuit . . . . . . . . . . . . . . 503
15.1.3 Real voltage source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
15.1.4 Power and energy in the direct-current circuit . . . . . . . . . 507
15.1.5 Matching for power transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
15.1.6 Measurement of current and voltage . . . . . . . . . . . . . . 509
15.1.7 Resistance measurement by means of the
compensation method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
15.1.8 Charging and discharging of capacitors . . . . . . . . . . . . 511
15.1.9 Switching the current on and off in a RL-circuit . . . . . . . 513
15.2 Alternating-current circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
15.2.1 Alternating quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
15.2.2 Representation of sinusoidal quantities in a phasor diagram . . 517
15.2.3 Calculation rules for phasor quantities . . . . . . . . . . . . . 519
15.2.4 Basics of alternating-current engineering . . . . . . . . . . . 522
15.2.5 Basic components in the alternating-current circuit . . . . . . 529
15.2.6 Series connection of resistor and capacitor . . . . . . . . . . 534
15.2.7 Parallel connection of a resistor and a capacitor . . . . . . . . 535
15.2.8 Parallel connection of a resistor and an inductor . . . . . . . . 536
15.2.9 Series connection of a resistor and an inductor . . . . . . . . 536
15.2.10 Series-resonant circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
15.2.11 Parallel-resonant circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539
15.2.12 Equivalence of series and parallel connections . . . . . . . . 541
15.2.13 Radio waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
15.3 Electric machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
15.3.1 Fundamental functional principle . . . . . . . . . . . . . . . 544
15.3.2 Direct-current machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
15.3.3 Three-phase machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
xiv Contents
16 Current conduction in liquids, gases and vacuum 551
16.1 Electrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
16.1.1 Amount of substance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
16.1.2 Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
16.1.3 Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
16.1.4 Electrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
16.1.5 Galvanic cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557
16.1.6 Electrokinetic effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
16.2 Current conduction in gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
16.2.1 Non-self-sustained discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
16.2.2 Self-sustained gaseous discharge . . . . . . . . . . . . . . . 563
16.3 Electron emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
16.3.1 Thermo-ionic emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
16.3.2 Photo emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
16.3.3 Field emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
16.3.4 Secondary electron emission . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
16.4 Vacuum tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
16.4.1 Vacuum-tube diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568
16.4.2 Vacuum-tube triode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568
16.4.3 Tetrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
16.4.4 Cathode rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
16.4.5 Channel rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
17 Plasma physics 573
17.1 Properties of a plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
17.1.1 Plasma parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
17.1.2 Plasma radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
17.1.3 Plasmas in magnetic fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
17.1.4 Plasma waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
17.2 Generation of plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
17.2.1 Thermal generation of plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
17.2.2 Generation of plasma by compression . . . . . . . . . . . . . 586
17.3 Energy production with plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
17.3.1 MHD generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
17.3.2 Nuclear fusion reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
17.3.3 Fusion with magnetic confinement . . . . . . . . . . . . . . 590
17.3.4 Fusion with inertial confinement . . . . . . . . . . . . . . . 591
Symbols used in formulae on electricity and plasma physics 593
18 Tables on electricity 595
18.1 Metals and alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
18.1.1 Specific electric resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
18.1.2 Electrochemical potential series . . . . . . . . . . . . . . . . 598
18.2 Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601
18.3 Practical tables of electric engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . 606
18.4 Magnetic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609
18.5 Ferromagnetic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614
18.5.1 Magnetic anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617
18.6 Ferrites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
18.7 Antiferromagnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
18.8 Ion mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620
Contents xv
Part IV Thermodynamics 621
19 Equilibrium and state variables 623
19.1 Systems, phases and equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
19.1.1 Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
19.1.2 Phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
19.1.3 Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625
19.2 State variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627
19.2.1 State property definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627
19.2.2 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629
19.2.3 Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634
19.2.4 Particle number, amount of substance and Avogadro number . 637
19.2.5 Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 640
19.3 Thermodynamic potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
19.3.1 Principle of maximum entropy—principle of
minimum energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
19.3.2 Internal energy as a potential . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
19.3.3 Entropy as a thermodynamic potential . . . . . . . . . . . . . 642
19.3.4 Free energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643
19.3.5 Enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644
19.3.6 Free enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647
19.3.7 Maxwell relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648
19.3.8 Thermodynamic stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649
19.4 Ideal gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650
19.4.1 Boyle-Mariotte law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651
19.4.2 Law of Gay-Lussac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651
19.4.3 Equation of state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652
19.5 Kinetic theory of the ideal gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653
19.5.1 Pressure and temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653
19.5.2 Maxwell–Boltzmann distribution . . . . . . . . . . . . . . . 655
19.5.3 Degrees of freedom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657
19.5.4 Equipartition law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657
19.5.5 Transport processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658
19.6 Equations of state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661
19.6.1 Equation of state of the ideal gas . . . . . . . . . . . . . . . 661
19.6.2 Equation of state of real gases . . . . . . . . . . . . . . . . . 665
19.6.3 Equation of states for liquids and solids . . . . . . . . . . . . 671
20 Heat, conversion of energy and changes of state 675
20.1 Energy forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675
20.1.1 Energy units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675
20.1.2 Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676
20.1.3 Chemical potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677
20.1.4 Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678
20.2 Energy conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679
20.2.1 Conversion of equivalent energies into heat . . . . . . . . . . 679
20.2.2 Conversion of heat into other forms of energy . . . . . . . . . 683
20.2.3 Exergy and anergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683
20.3 Heat capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684
20.3.1 Total heat capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684
20.3.2 Molar heat capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686
20.3.3 Specific heat capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687
xvi Contents
20.4 Changes of state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691
20.4.1 Reversible and irreversible processes . . . . . . . . . . . . . 691
20.4.2 Isothermal processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692
20.4.3 Isobaric processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693
20.4.4 Isochoric processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694
20.4.5 Adiabatic (isentropic) processes . . . . . . . . . . . . . . . . 695
20.4.6 Equilibrium states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697
20.5 Laws of thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698
20.5.1 Zeroth law of thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . 698
20.5.2 First law of thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . 698
20.5.3 Second law of thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . 701
20.5.4 Third law of thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . 702
20.6 Carnot cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702
20.6.1 Principle and application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702
20.6.2 Reduced heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705
20.7 Thermodynamic machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706
20.7.1 Right-handed and left-handed processes . . . . . . . . . . . . 706
20.7.2 Heat pump and refrigerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707
20.7.3 Stirling cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 708
20.7.4 Steam engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709
20.7.5 Open systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710
20.7.6 Otto and Diesel engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711
20.7.7 Gas turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713
20.8 Gas liquefaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714
20.8.1 Generation of low temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . 714
20.8.2 Joule–Thomson effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715
21 Phase transitions, reactions and equalizing of heat 717
21.1 Phase and state of aggregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 717
21.1.1 Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 717
21.1.2 Aggregation states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 717
21.1.3 Conversions of aggregation states . . . . . . . . . . . . . . . 718
21.1.4 Vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719
21.2 Order of phase transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720
21.2.1 First-order phase transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720
21.2.2 Second-order phase transition . . . . . . . . . . . . . . . . . 721
21.2.3 Lambda transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722
21.2.4 Phase-coexistence region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722
21.2.5 Critical indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723
21.3 Phase transition and Van der Waals gas . . . . . . . . . . . . . . . . . 724
21.3.1 Phase equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724
21.3.2 Maxwell construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724
21.3.3 Delayed boiling and delayed condensation . . . . . . . . . . 726
21.3.4 Theorem of corresponding states . . . . . . . . . . . . . . . 727
21.4 Examples of phase transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727
21.4.1 Magnetic phase transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727
21.4.2 Order–disorder phase transitions . . . . . . . . . . . . . . . 728
21.4.3 Change in the crystal structure . . . . . . . . . . . . . . . . . 729
21.4.4 Liquid crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730
21.4.5 Superconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730
21.4.6 Superfluidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 731
Contents xvii
21.5 Multicomponent gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 731
21.5.1 Partial pressure and Dalton’s law . . . . . . . . . . . . . . . 732
21.5.2 Euler equation and Gibbs–Duhem relation . . . . . . . . . . 733
21.6 Multiphase systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734
21.6.1 Phase equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734
21.6.2 Gibbs phase rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734
21.6.3 Clausius–Clapeyron equation . . . . . . . . . . . . . . . . . 735
21.7 Vapor pressure of solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736
21.7.1 Raoult’s law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736
21.7.2 Boiling-point elevation and freezing-point depression . . . . . 736
21.7.3 Henry–Dalton law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 738
21.7.4 Steam–air mixtures (humid air) . . . . . . . . . . . . . . . . 738
21.8 Chemical reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742
21.8.1 Stoichiometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743
21.8.2 Phase rule for chemical reactions . . . . . . . . . . . . . . . 744
21.8.3 Law of mass action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744
21.8.4 pH-value and solubility product . . . . . . . . . . . . . . . . 746
21.9 Equalization of temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 748
21.9.1 Mixing temperature of two systems . . . . . . . . . . . . . . 748
21.9.2 Reversible and irreversible processes . . . . . . . . . . . . . 749
21.10 Heat transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 750
21.10.1 Heat flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 751
21.10.2 Heat transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 751
21.10.3 Heat conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753
21.10.4 Thermal resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 757
21.10.5 Heat transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 759
21.10.6 Heat radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764
21.10.7 Deposition of radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764
21.11 Transport of heat and mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766
21.11.1 Fourier’s law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766
21.11.2 Continuity equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766
21.11.3 Heat conduction equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 767
21.11.4 Fick’s law and diffusion equation . . . . . . . . . . . . . . . 768
21.11.5 Solution of the equation of heat conduction and diffusion . . . 769
Formula symbols used in thermodynamics 771
22 Tables on thermodynamics 775
22.1 Characteristic temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775
22.1.1 Units and calibration points . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775
22.1.2 Melting and boiling points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777
22.1.3 Curie and N´eel temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786
22.2 Characteristics of real gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 787
22.3 Thermal properties of substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 788
22.3.1 Viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 788
22.3.2 Expansion, heat capacity and thermal conductivity . . . . . . 789
22.4 Heat transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795
22.5 Practical correction data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 798
22.5.1 Pressure measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 798
22.5.2 Volume measurements—conversion to standard temperature . 803
22.6 Generation of liquid low-temperature baths . . . . . . . . . . . . . . . 804
xviii Contents
22.7 Dehydrators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805
22.8 Vapor pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806
22.8.1 Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806
22.8.2 Relative humidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806
22.8.3 Vapor pressure of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 807
22.9 Specific enthalpies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 809
Part V Quantum physics 815
23 Photons, electromagnetic radiation and light quanta 817
23.1 Planck’s radiation law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 817
23.2 Photoelectric effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 820
23.3 Compton effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822
24 Matter waves—wave mechanics of particles 825
24.1 Wave character of particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825
24.2 Heisenberg’s uncertainty principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 827
24.3 Wave function and observable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 827
24.4 Schr¨odinger equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835
24.4.1 Piecewise constant potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . 837
24.4.2 Harmonic oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 841
24.4.3 Pauli principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843
24.5 Spin and magnetic moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844
24.5.1 Spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844
24.5.2 Magnetic moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 847
25 Atomic and molecular physics 851
25.1 Fundamentals of spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 851
25.2 Hydrogen atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854
25.2.1 Bohr’s postulates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855
25.3 Stationary states and quantum numbers in the central field . . . . . . . 859
25.4 Many-electron atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864
25.5 X-rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 868
25.5.1 Applications of x-rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 870
25.6 Molecular spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 871
25.7 Atoms in external fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874
25.8 Periodic Table of elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 877
25.9 Interaction of photons with atoms and molecules . . . . . . . . . . . . 879
25.9.1 Spontaneous and induced emission . . . . . . . . . . . . . . 879
26 Elementary particle physics—standard model 883
26.1 Unification of interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 883
26.1.1 Standard model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 883
26.1.2 Field quanta or gauge bosons . . . . . . . . . . . . . . . . . 887
26.1.3 Fermions and bosons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 889
26.2 Leptons, quarks, and vector bosons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 891
26.2.1 Leptons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 891
26.2.2 Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 892
26.2.3 Hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894
26.2.4 Accelerators and detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 898
Contents xix
26.3 Symmetries and conservation laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 900
26.3.1 Parity conservation and the weak interaction . . . . . . . . . 900
26.3.2 Charge conservation and pair production . . . . . . . . . . . 901
26.3.3 Charge conjugation and antiparticles . . . . . . . . . . . . . 902
26.3.4 Time-reversal invariance and inverse reactions . . . . . . . . 903
26.3.5 Conservation laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903
26.3.6 Beyond the standard model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904
27 Nuclear physics 907
27.1 Constituents of the atomic nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 907
27.2 Basic quantities of the atomic nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . 910
27.3 Nucleon-nucleon interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 912
27.3.1 Phenomenologic nucleon-nucleon potentials . . . . . . . . . 912
27.3.2 Meson exchange potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914
27.4 Nuclear models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915
27.4.1 Fermi-gas model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915
27.4.2 Nuclear matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915
27.4.3 Droplet model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 916
27.4.4 Shell model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 917
27.4.5 Collective model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 920
27.5 Nuclear reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 922
27.5.1 Reaction channels and cross-sections . . . . . . . . . . . . . 922
27.5.2 Conservation laws in nuclear reactions . . . . . . . . . . . . 926
27.5.3 Elastic scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 928
27.5.4 Compound-nuclear reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . 929
27.5.5 Optical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 931
27.5.6 Direct reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 931
27.5.7 Heavy-ion reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 932
27.5.8 Nuclear fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935
27.6 Nuclear decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 937
27.6.1 Decay law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 938
27.6.2 α-decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 941
27.6.3 β-decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943
27.6.4 γ -decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 946
27.6.5 Emission of nucleons and nucleon clusters . . . . . . . . . . 947
27.7 Nuclear reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 947
27.7.1 Types of reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 949
27.8 Nuclear fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 950
27.9 Interaction of radiation with matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 953
27.9.1 Ionizing particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 953
27.9.2 γ -radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 956
27.10 Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 958
27.10.1 Methods of dosage measurements . . . . . . . . . . . . . . . 962
27.10.2 Environmental radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964
28 Solid-state physics 967
28.1 Structure of solid bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 967
28.1.1 Basic concepts of solid-state physics . . . . . . . . . . . . . 967
28.1.2 Structure of crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 968
28.1.3 Bravais lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 970
28.1.4 Methods for structure investigation . . . . . . . . . . . . . . 974
28.1.5 Bond relations in crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976
xx Contents
28.2 Lattice defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 979
28.2.1 Point defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 979
28.2.2 One-dimensional defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 981
28.2.3 Two-dimensional lattice defects . . . . . . . . . . . . . . . . 982
28.2.4 Amorphous solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983
28.3 Mechanical properties of materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984
28.3.1 Macromolecular solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984
28.3.2 Compound materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 987
28.3.3 Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988
28.3.4 Liquid crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 990
28.4 Phonons and lattice vibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 991
28.4.1 Elastic waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 991
28.4.2 Phonons and specific heat capacity . . . . . . . . . . . . . . 995
28.4.3 Einstein model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996
28.4.4 Debye model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997
28.4.5 Heat conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 999
28.5 Electrons in solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000
28.5.1 Free-electron gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1001
28.5.2 Band model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1007
28.6 Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1011
28.6.1 Extrinsic conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014
28.6.2 Semiconductor diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1016
28.6.3 Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1023
28.6.4 Unipolar (field effect) transistors . . . . . . . . . . . . . . . 1030
28.6.5 Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1032
28.6.6 Integrated circuits (IC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034
28.6.7 Operational amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1037
28.7 Superconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1042
28.7.1 Fundamental properties of superconductivity . . . . . . . . . 1043
28.7.2 High-temperature superconductors . . . . . . . . . . . . . . 1047
28.8 Magnetic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1049
28.8.1 Ferromagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1052
28.8.2 Antiferromagnetism and ferrimagnetism . . . . . . . . . . . 1054
28.9 Dielectric properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055
28.9.1 Para-electric materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1059
28.9.2 Ferroelectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1059
28.10 Optical properties of crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1060
28.10.1 Excitons and their properties . . . . . . . . . . . . . . . . . 1061
28.10.2 Photoconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1062
28.10.3 Luminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063
28.10.4 Optoelectronic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063
Formula symbols used in quantum physics 1065
29 Tables in quantum physics 1071
29.1 Ionization potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1071
29.2 Atomic and ionic radii of elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1078
29.3 Electron emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1082
29.4 X-rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086
29.5 Nuclear reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1087
29.6 Interaction of radiation with matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1088
Contents xxi
29.7 Hall effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1089
29.8 Superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1091
29.9 Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1093
29.9.1 Thermal, magnetic and electric properties of semiconductors . 1093
Part VI Appendix 1095
30 Measurements and measurement errors 1097
30.1 Description of measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1097
30.1.1 Quantities and SI units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1097
30.2 Error theory and statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1100
30.2.1 Types of errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1100
30.2.2 Mean values of runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1102
30.2.3 Variance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1104
30.2.4 Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1105
30.2.5 Regression analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106
30.2.6 Rate distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106
30.2.7 Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1111
31 Vector calculus 1115
31.1.1 Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1115
31.1.2 Multiplication by a scalar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116
31.1.3 Addition and subtraction of vectors . . . . . . . . . . . . . . 1117
31.1.4 Multiplication of vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1117
32 Differential and integral calculus 1121
32.1 Differential calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1121
32.1.1 Differentiation rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1121
32.2 Integral calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1122
32.2.1 Integration rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1123
32.3 Derivatives and integrals of elementary functions . . . . . . . . . . . . 1124
33 Tables on the SI 1125
Index 1131
Natural constants in SI units 1183
Thermodynamic formulas 1184
Periodic table 1186

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Handbook of Physics.part1

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[ 本帖最后由 drjiachen 于 2008-12-11 10:59 编辑 ]

Handbook of Physics.part2-5

[ 本帖最后由 drjiachen 于 2008-12-11 10:59 编辑 ]

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