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Prof. Dr. Jörg Kröger

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INHALTE

Vorlesungen für den Studiengang Bachelor Technische Physik

Experimentalphysik 1

Die Vorlesung führt in die Kinematik und Dynamik des Massenpunktes ein.  Newtons Axiome werden formuliert. Der Energie- und Impulserhaltungssatz stellen ein zentrales Ergebnis dar.  Die Beschreibung der Bewegung in unterschiedlichen Bezugssystemen erfolgt mit Hilfe der Galilei-Transformation. Trägheitskräfte werden bei der Diskussion zueinander beschleunigter Bezugssysteme eingeführt.  Die Modellvorstellungen des einzelnen Massenpunktes werden erweitert auf Systeme von Massenpunkten und in der Planetenbewegung angewendet.  Das Kapitel zum starren Körper gipfelt in der Beschreibung der Kreiseldynamik anhand der Euler-Gleichungen.  In einem ersten Teil der Speziellen Relativitätstheorie werden die Lorentz-Einstein-Transformation, die Zeitdilatation und Längenkontraktion behandelt.  Die Vorlesung schließt mit der Präsentation von grundlegenden Eigenschaften von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen, der Beschreibung der Strömungsphysik anhand der Navier-Stokes-Gleichung und taucht in die Thermodynamik über die kinetische Gastheorie ein.

Experimentalphysik 2

Die im Kurs Experimentalphysik 1 begonnene Wärmelehre wird zu Beginn der Vorlesung weitergeführt. Zustandsgrößen und -änderungen werden behandelt ebenso wie die Wärmeleitung in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen.  Die Hauptsätze der Thermodynamik werden formuliert.  Kreisprozesse für Wärmekraft- und Kraftwärmemaschinen werden zusammen mit Wirkungsgraden bzw. Leistungsziffern diskutiert.  Schwingungen und Wellen bilden den zweiten Teil der Vorlesung, in dem der getriebene, gedämpfte, harmonische Oszillator eine wichtige Rolle einnimmt.  Die Ausbreitung von Wellen wird analytisch mit der Wellengleichung beschrieben, wobei ein Schwerpunkt auf den Schallwellen liegt.  Die Vorlesung schließt mit einem zweiten Teil zur Speziellen Relativitätstheorie, in dem der relativistische Doppler-Effekt zur Erläuterung des Zwillingsparadoxons herangezogen wird.

Experimentalphysik 3

Vorlesung

Dozent Prof. Dr. J. Kröger

Die Vorlesung behandelt die Elektro- und Magnetostatik. Das Coulombsche Kraftgesetz und das Gaußsche Gesetz der Elektrostatik sind zentrale Ergebnisse. Magnetfelder bewegter Ladungen werden durch das Ampèresche und Biot-Savart-Gesetz beschrieben. Ein herausragendes Ergebnis stellt die Erscheinung der elektromagnetischen Induktion dar. Eine Zusammenfassung der Gesetze führt zur Formulierung der Maxwellschen Gleichungen. Es schließt sich die Wellenoptik an. Das Huygensche und Fermatsche Prinzip für die Lichtausbreitung stehen am Anfang dieses Kapitels. Es werden dann Interferenzerscheinungen und das Auflösungsvermögen optischer Instrumente behandelt. Zeitliche und räumliche Kohärenz werden diskutiert. Doppelbrechung, Phasenverschiebungsplättchen, Laser und Holographie bilden den Abschluss der Vorlesung.

Übung

Informationen zum Zugang und zu den Übungen selbst werden in der Vorlesung bekannt gegeben.

Modul

Experimentalphysik 2

Experimentalphysik 4

Vorlesung

Dozent Prof. Dr. J. Kröger

Die Vorlesung schärft die Begriffsbildung von Raum, Zeit und Messung. In einer kurzen
Einführung in die Spezielle Relativitätstheorie wird die aus der Newton-Mechanik bekannte
Galilei-Transformation durch die Lorentz-Einstein-Transformation für Inertialsysteme
erweitert.

Aus diesen Transformationen werden die Längenkontraktion, die Zeitdilatation und die Äquivalenz von Masse und Energie abgeleitet. Der Hauptteil der Vorlesung beschäftigt sich mit der Physik kleinster Teilchen. Nach der Diskussion des Welle-Teilchen-Dualismus wird die klassische Atom-Physik behandelt, die schließlich in die quantenmechanische Beschreibung der Atome, Moleküle und Kerne mündet. Wichtige Ergebnisse werden das Bohrsche Atommodell, die Schrödinger-Gleichung und die Heisenbergschen Unschärferelationen sein. Radioaktivität und Elementarteilchen bilden den Abschluss der Vorlesung.

Übung

Informationen zum Zugang und zu den Übungen selbst werden in der Vorlesung bekannt gegeben.

Modul

Experimentalphysik 2

Festkörperphysik 1

Vorlesung

Dozent Prof. Dr. J. Kröger

Die Vorlesung legt die Grundlagen der modernen Festkörperphysik dar. Hierzu werden zunächst Bindungs- und Kristalltypen eingeführt. Beugungsmethoden zur Strukturanalyse motivieren das reziproke Gitter, die Ewald-Konstruktion, Struktur- und atomaren Formfaktor. Anschließend wird der Studierende mit den Dispersionsrelationen von akustischen und optischen Phononen konfrontiert. Das Einstein- und Debye-Modell der Phononen wird eingehend behandelt. Anharmonische Effekte im Festkörper werden anhand der thermischen Ausdehnung und der Wärmeleitung eingeführt. Einen weiteren Schwerpunkt der Vorlesung bildet die elektronische Struktur von Festkörpern. Beginnend mit dem Drude-Modell des klassischen Elektronengases, in dem das Wiedemann-Franz-Gesetz und der Hall-Effekt vorgestellt werden, werden anschließende Verfeinerungen im Sommerfeld-Modell des freien Fermi-Gases und in der Bloch-Theorie des nahezu freien Elektronengases im Potential des periodischen Festkörpergitters vorgenommen. Ein Höhepunkt ist die Beschreibung des Verhaltens eines nahezu freien Elektronengases im äußeren Magnetfeld. Die auftretenden Landau-Niveaus dienen als Grundlage für die beobachtbaren de-Haas-van-Alphén-Oszillationen. Im vorletzten Kapitel der Vorlesung werden die Grundlagen der Halbleiterphysik vermittelt. Hierbei spielen direkte, indirekte, intrinsische und dotierte Halbleiter eine Rolle. Grenzflächen von unterschiedlich dotierten Halbleitern werden ebenso wie der Schottky-Kontakt behandelt. Dielektrische Eigenschaften von Festkörpern bilden den Abschluss der Vorlesung. Der zentrale Begriff ist hierbei die dielektrische Funktion. Die Dispersion von Plasmonen, Phononen, Plasmon-Polaritonen und Phonon-Polaritonen wird ausführlich behandelt.

Übung

Informationen zu den Übungen werden in der Vorlesung bekannt gegeben.

Module

Technische Physik 1 (TPh) bzw. Physikalische Optik (OTR bis Studienordnung 2008)

Techniken der Oberflächenphysik

Vorlesung

Dozent Prof. Dr. J. Kröger

Die Vorlesung stellt moderne Techniken der Oberflächenphysik vor. Schwerpunkte bilden die Strukturbestimmung von Oberflächen, die Analyse ihrer elektronischen und magnetischen Eigenschaften, die Spektroskopie von Substratphononen und Adsorbatschwingungen sowie die Beobachtung schneller Prozesse auf der Femtosekundenzeitskala. Ein tieferer Einblick in Konzepte der Oberflächenphysik wird in der Vorlesung Oberflächenphysik des Wahlmoduls 9 vermittelt.

Übung

Informationen zu den Übungen werden in der Vorlesung bekannt gegeben.

Modul

Technische Physik 2

Vorlesungen/Seminare für den Studiengang Master Technische Physik

Festkörperphysik 2

Vorlesung

Dozent Prof. Dr. J. Kröger

Zentral sind in dieser weiterführenden Vorlesung kollektive Phänomene des elektronischen Systems. Die ersten Vorlesungen behandeln die Abschirmung von Ladungsstörungen durch das nahezu freie Elektronengas. Die dielektrische Funktion wird in der Thomas-Fermi- und in der Lindhard-Näherung angegeben. Die Auswirkung der Abschirmung auf die Phonondispersion wird diskutiert und dient als Motivation für den Begriff des Quasiteilchens. In diesem Zusammenhang wird Landaus Idee der Fermi-Flüssigkeit diskutiert. Anschließend werden der Magnetismus in Festkörpern und die Supraleitung behandelt. Die mikroskopische Ursache von Dia-, Para- und Ferromagnetismus wird vorgestellt. Ein wichtiges Ergebnis stellt das Stoner-Wohlfarth-Modell für den Bandferromagnetismus dar. Es werden weiter Magnonen behandelt, die eine Spinanregung im Festkörper sind. Magnetische Domänen und Domänenwände, die magnetische Anisotropieenergie und eine Vielfalt von möglichen magnetischen Wechselwirkungen zwischen einzelnen Atomen werden behandelt. Der Kondo- und Rashba-Effekt bilden den Abschluss des Magnetismus-Kapitels. Die Supraleitung wird zunächst phänomenologisch mit Hilfe der London-Gleichungen beschrieben. Danach wird die mikroskospische Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie vorgestellt, deren zentrale Aussage die Cooper-Paar-Bildung aus zwei über virtuelle Phononen miteinander attraktiv wechselwirkenden Elektronen ist. Die Zustandsdichte der Quasiteilchen im Supraleiter wird hergeleitet. Die charakteristische Zustandslücke am Fermi-Niveau wird durch Experimente verifiziert. Flussquantisierung und Josephson-Effekt führen direkt auf das SQUID (superconducting quantum interference device), das ein Messgerät für extrem kleine Magnetfelder ist. Den Abschluss des Kapitels bilden Typ-2-Supraleiter, Hochtemperatur-Supraleiter und neuartige supraleitende Materialien.

Übung

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Modul

Angewandte und experimentelle Physik

Nanostrukturphysik

Vorlesung

Dozent Prof. Dr. J. Kröger

"Klein ist anders." Diese Aussage wird anhand von physikalischen Eigenschaften von Strukturen auf der Nanometerskala untermauert. Neben gängigen Herstellungsverfahren von Nanostrukturen werden vor allem strukturelle, elektronische und magnetische Eigenschaften von kleinsten Teilchen - bis hin zum einzelnen Molekül und Atom - vorgestellt und analysiert. Der quantisierte Ladungstransport durch elektrische Leiter auf atomarer Skala bildet den Abschluss der Vorlesung.

Übung

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Modul

Angewandte und experimentelle Physik

Ober- und Grenzflächenphysik

Vorlesung

Dozent Prof. Dr. J. Kröger


Im Unterschied zur vorbereitenden Vorlesung "Techniken der Oberflächenphysik" liegt das Hauptaugenmerk hier weniger auf den experimentellen Techniken als vielmehr auf allgemeinen Konzepten. Es werden Relaxationen an und Rekonstruktionen von Oberflächen behandelt, um zu verdeutlichen, welchen Einfluss das Erzeugen einer Oberfläche auf die Atompositionen des Festkörpers haben kann. Elektronische Zustände reiner Oberflächen sowie die Bindung von Adsorbaten an Oberflächen sind ebenso Bestandteil der Vorlesung wie die Behandlung von Schwingungseigenschaften. Im Hinblick auf technische Anwendungen wird vor allem der Magnetismus an Oberflächen untersucht. Diffusion, Nukleation und Wachstum bilden den Abschluss der Vorlesung. Kenntnis der Festkörperphysik ist hilfreich für das Verständnis der vorgestellten Themen.

Übung

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Modul

Ober- und Grenzflächenphysik

Seminar zur Ober- und Grenzflächenphysik

Seminar

Dozent Prof. Dr. J. Kröger

Das Seminar bietet die Gelegenheit, ausgewählte Themen der modernen Oberflächenphysik zu vertiefen. Aktuelle Forschungsfragen, besonders interessante experimentelle Techniken oder Aspekte aus der Vorlesung zur Oberflächen- und Grenzflächenphysik bieten reichhaltigen Inhalt für die studentischen Vorträge. Neben der fachlichen Ausbildung wird vermittelt, wie der Vortrag fesselnd von der ersten bis zur letzten Minute bleibt.

Die Vorbesprechung zum Seminar findet in der ersten Vorlesung zu Rastersondenverfahren statt.

Modul

Ober- und Grenzflächenphysik

Rastersondenverfahren

Vorlesung

Dozent Prof. Dr. J. Kröger

Das Rastertunnelmikroskop revolutioniert unsere Vorstellung von Prozessen auf der atomaren Längenskala. Die Vorlesung behandelt vorwiegend experimentelle Aspekte der Rastertunnelmikroskopie, -spektroskopie und der Rasterkraftmikroskopie.  Es werden zunächst technische Voraussetzungen zum Betrieb eines Rastertunnelmikroskops diskutiert. Die Vorstellung unterschiedlicher Abbildungsmodi und Spektroskopiemethoden schließt sich an. Ein Schwerpunkt wird gelegt auf inelastische und spinaufgelöste Rastertunnelspektroskopie. Das Ziel der Vorlesung ist die Vermittlung der Grundlagen zu Rastersondenverfahren und der Ergebnisse aus der aktuellen Forschung.

Modul

Ober- und Grenzflächenphysik