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Lösungen der Aufgaben zum magnetischen Feld

2012-09-18T16:26:34Z

Joschka.Cremers: /* Messen der magnetischen Ladung */

==Magnetisierung und magnetische Ladung==
*Erklären Sie mit einem geeigneten Modell, wie ein Stück Eisen magnetisch oder unmagnetisch sein kann.
*Was ist in diesem Modell der Unterschied zwischen Aluminium und Eisen?
*Was ist der Unterschied zwischen einem Dauermagneten und einem Stück Weicheisen?
*Zeichnen Sie einen einfachen Stabmagneten mit den magnetischen Ladungen, den Magnetisierungslinien und den Feldlinien.
*Welche Aussagen sind richtig?
:a) Magnetische Feldlinien beginnen bei Nordpolladungen und enden bei Südpolladungen.
:b) Magnetische Feldlinien sind immer in sich geschlossen, also Wirbelfelder.
:c) Die Magnetisierungslinien geben die Ausrichtung der Elementarmagnete an.
:d) Die Magnetisierungslinien beginnen wie die Feldlinien beim Nordpol und enden beim Südpol.
:e) Die Magnetisierungslinien beginnen dort, wo die Feldlinien enden und umgekehrt.

==Material im Magnetfeld==
*Wie kann man ein Magnetfeld abschirmen? Machen Sie dazu eine erklärende Zeichnung
*Ein Stück Weicheisen wird in ein Magnetfeld gehalten.
:Wie groß ist die Feldstärke innerhalb des Eisens?
:Was passiert, wenn man kein Weicheisen verwendet, sondern ein weniger gut magnetisierbares Eisen?

==Felderzeugung durch elektrische Ströme==
*Zeichnen Sie jeweils einige Feldlinien und Flächen ein und kennzeichnen Sie die Stromrichtung.
*Ein stromdurchflossenes Kabel.
*Eine stromdurchflossene Spule.

==Magnetische Feldstärke==
*Wie wurde die elektrische, schwere und magnetische Feldstärke bereits mit Hilfe einer Probeladung definiert?
Antwort: -Die Kraftwirkung auf einen Probekörper ist proportional zu seiner Ladung F~Q
-Der Quotient aus Kraft und Ladung ist konstant, nur vom Feld abhängig und gibt die Stärke des Feldes an diesem Punkt an. E=F:Q(el) Orttsfaktor g=F:m H=F:Q(magnetisch)
:Warum ist diese Festlegung im elektrischen und schweren Fall praktikabel, aber im magnetischen Fall nicht?
Antwort: Weil Messgeräte nur Ströme messen und nicht "magnetismus"
*Wie wird daher die magnetische Feldstärke definiert?
Antwort: H=F:Q(magnetisch)
*Eine Spule ist 40cm lang und hat 1000 Windungen. Es fließt ein Strom der Stärke 4 A durch sie hindurch.
:Berechnen Sie die magnetische Feldstärke im Inneren der Spule.
Antwort: H=(n*I):l n=Anzahl der Windungen I=Stromstärke l=Spulenlänge H=(1000*4A):0,4m=10000 [A:m]
:Ist es egal, ob die Spule einen Durchmesser von 40cm oder von nur 4cm hat?
Antwort:Nein, da Je größer die Spule desto kleiner ist die Feldstärke

==Messen der magnetischen Ladung==
*Beschreiben Sie ein Verfahren, mit dem man die magnetische Ladung eines Festmagneten bestimmen kann.
Antwort: Man legt einen Festmagneten in eine Spule mit einer bekannten Anzahl an Windungen und einer festgelegten Stromstärke und misst die Kraft mit der der Nordpol des Magneten in die Spule gezogen wird: Qm = F/((I*n)/l)
*Der Nordpol eines Dauermagneten erfährt im Inneren einer Spule eine Kraft von 0,3N. Die Spule hat 500 Windungen und es fließt ein Strom der Stärke 2A hindurch. Die Länge der Spule beträgt 10cm.
:Wieviel magnetische Ladung "sitzt" auf dem Nordpol?
Antwort: Qm = F/((I*n)/l) = 0,3N/((2A*500)/0,1m) = 3 * 10^-5 Wb
:Wieso ist es wichtig, dass der Südpol relativ weit entfernt ist?
Antwort: Durch die Spule wirkt auch eine Kraft auf den Südpol. Damit diese Kraft das Messergebnis nicht verfälscht, sollte sie durch großen Abstand relativ gering gehalten werden.
:Was erwarten Sie, wenn man die Kraftwirkung auf den Südpol misst? (Warum?)
Antwort: Die Kraftwirkung wird gleich stark sein, allerdings in die entgegengesetzte Richtung zeigen.

==Kraftwirkung auf elektrische Stöme im Magnetfeld==
*Beschreiben Sie ein Beispiel/Versuch mit dem Sie erklären, wie eine Kraft auf elektrische Ströme im Magnetfeld wirken kann.
*Was besagt die "3-Finger-Regel" oder auch "UVW-Regel"? Und warum verwenden manche die linke und manche die rechte Hand?
*Zeichnen Sie einige Magnetfeldlinien und Flächen ein. Erklären Sie die Wirkung einmal mit Hilfe der Zug- und Druckspannungen im Feld. Wie kann man die Wirkung auch mit Hilfe der Lorentzkraft beschreiben?
:a) Zwei parallele Kabel, Stromfluß in die gleiche Richtung.
:b) Zwei parallele Kabel, Stromfluß in unterschiedliche Richtungen.
:c) Ein stromdurchflossenes Kabel senkrecht zu einem Magnetfeld.
*Erklären Sie die prinzipielle Funktionsweise einer Hall-Sonde.
:Antwort:In einer Hall-Sonde werden durchfließende Elektronen durch ein Magnetfeld bzw. durch die wirkende Lorentzkraft von ihrer eigentlichen Bahn abgelenkt. In der Sonde entsteht nun ein Ladungsunterschied (Spannung).Aufgrund der Ladungsverschiebung bildet sich zwischen den Anschlüssen an den Magneten ein elektrisches Feld. Die Spannung kann gemessen, und mit ihrer Hilfe die Stärke des Magnetfeldes berechnet werden.
:Beitrag von Felicia Chin-Malenski, Nina Haak, Marc Gualtiero
*[[Datei:Erdmagnetfeld_mit_Sonnenwind.jpg|thumb|Eine künstlerische Darstellung des Erdmagnetfeldes und des Sonnenwindes.]]Der Sonnenwind besteht aus schnellen, elektrisch geladenen Teilchen. Treffen diese im Äquatorbereich das Magnetfeld der Erde, so werden sie um die Erde herum abgelenkt.
:Erklären Sie mit Hilfe der Lorentzkraft und der 3-Finger-Regel, wie die Ablenkung erfolgt.
*Das Erdmagnetfeld hat eine Stärke von ca. 30A/m. (Das entspricht ca. 40 mikroTesla.)
:Welche Kraft erfährt ein Stromkabel, dass von 20A durchflossen wird und 1m lang ist maximal?
:Wie muss man das Kabel ausrichten, um die wirkende Kraft möglichst groß oder möglichst klein zu haben?

Fm = B · IL · l ==> 40mT*20A*1m= 0,8N. Senkrecht zur Erde, Waagerecht
*Es wir der Hall-Effekt bei einem Halbleiter und bei Silber untersucht. Folgende Messwerte wurden gefunden:
:Silber: (effektive)Länge l=5mm Höhe b=2cm Dicke d=0,1mm Stromstärke I=20A, Hallspannung U= 0,01 mV
:Germanium, p-dotiert: Länge l=10mm Höhe b=5mm Dicke d=1mm Stromstärke I=80mA, Hallspannung U= -40mV
:In beiden Fällen betrug die magnetische Feldstärke 80000A/m.
:Berechnen Sie jeweils die Geschwindigkeiten der Ladungsträger.
v=l*Rh / (d*b)

:Silber: = -2,25*10^-6 m/s Rh Silber: -9*10^-11 m³/C
:Germanium: = 0,2 m/s Rh Germanium: 10^-4 m³/C

:Warum ist das Vorzeichen der Hallspannung unterschiedlich?
Weil doch diese komische Materialkonstante(Hallkonstante)dabei ist. Also 1 / roh * e, damit der Strom mal in die eine mal in die andere Richtung fließt. Demnach eignen sich Halbleiter besonders gut als Hallsonden (Faktor -4000 im Vergleich zu Silber).

Was ist Physik?

2011-09-13T12:15:07Z

Joschka.Cremers: /* Interpretationen zu den einzelnen Zitaten: */

[[Bild:Physik_Maennchen.jpg|thumb|Das Physik-Männchen]]
[[Bild:Liebe_messen.jpg|thumb|Die ganz große Liebe!]]
[[Bild:Schönes_Bild.jpg|thumb|Wie schön!]]
[[Bild:Was_ist_Physik.JPG|thumb|Schematische Übersicht]]
[[Bild:Was_ist_Physik.jpg|thumb|Eine schöne farbige Übersicht]]

Hier soll jetzt einiges Metamäßiges thematisiert werden:

*Erkenntnisgewinn
*Vorgehensweise
**induktiv
**deduktiv
*Abbildung der Realität mit Modellen
*Einschränkungen der Modelle
*Experimente und Fehler

Das "Physik-Männchen steht stellvertretend für die Erforschung der Welt mit einer naturwissenschaftlichen, insbesondere physikalischen, Methode.

In der Hand hält das Männchen Messinstrumente, wie ein Metermaß, eine Uhr oder eine Waage, um Längen, die Zeit oder eine Masse zu messen. Im Kopf des Männchens sind mathematische Formeln und Modelle, wie das Atommodell oder das heliozentrische Weltbild. Es schaut durch seine Brille und hat am Arm hat eine Blindenbinde.

Das Männchen möchte offensichtlich gerne die uns umgebende Welt erkunden und erklären. Dabei bedient es sich einerseits der Messinstrumente, quasi als Sinnesorgane, um mit der Welt Kontakt aufzunehmen. Andererseits hat es Ideen und Vorstellungen im Kopf, welche die Realität beschreiben oder abbilden. Diese Vorstellungen sind das Ergebnis von Messungen und alltäglichen Erfahrungen, sie beeinflussen auch die Sichtweise auf die Dinge, was mit der Brille angedeutet wird.

Die Physik ist die Wissenschaft der in der Natur vorhandenden einzelnen Bausteine und der Gesetze nach welchen diese sich verhalten. Generell kann man die Physik in zwei große Kategorien einteilen, die Theoretische Physik und die Experimentalphysik, diese bauen jedoch zwangsläufig stark aufeinander auf. Auf Grund dessen gibt es zwei Arten von physikalischer Forschung, oder physikalischen Experimenten.

Um Erkenntisse zu gewinnen, kann man induktiv oder deduktiv vorgehen.

Bei einer Induktion forscht man zuerst mit Hilfe eines Versuches, wobei man die enstandene Messergebnisse aufzeichnet und nach dem Versuch daraus ein Modell erstellt. Man schließt vom Speziellen auf das Allgemeine.(Z.B. [[Experimentelle Untersuchung einer Schaukel]])

Bei einer Deduktion wird ein Versuch nach einem zuvor konzipierten Modell oder einer Idee erarbeitet und durchgeführt, mit Hilfe des Versuches wird über die Gültigkeit des Modells entschieden. Man schließt vom Allgemeinen auf das Spezielle. Deduzieren bedeutet Ableiten. (Z.B. [[Mathematische Beschreibung von Schwingungen#Untersuchung dreier Schwingungen|Untersuchung dreier Schwingungen]])

Experimente generell könnten aber überhaupt nicht gemacht werden, wenn es nicht zuvor einheitlich geregelte Maßvoragaben und Maßeinheiten gäbe. Die Erfassung jeglicher Daten kann deshalb nur durch Instrumente erfolgen die von der [[http://www.ptb.de/ |Physikalisch-Technischen Bundesanstalt]] geeicht und geprüft wurden.

Die Physik ist im Wesentlichen auf Dinge beschränkt, die sich mit Hilfe von Experimenten messen lassen. Probleme könnten dabei sein: Das Experiment ist zu ungenau, oder das Experiment verändert die Zustandsbedingungen. Außerdem kann es sein, dass die menschliche Vorstellungskraft nicht ausreicht, um ein Phänomen einzuschätzen. Oder ein Phänomen ist grundsätzlich nicht exakt beschreibbar.

von Till Peters

==Zitate von Naturwissenschaftlern==
[http://129.143.233.233/images/physik_os/science_is_like_sex.pdf Zitate, gesammelt von Jörg Rudolf] ([[Media:Zitate_NAT.pdf|hier]] auch zum direkten Herunterladen.)

[http://www.zitate.de/kategorie/Naturwissenschaft/ zitate.de Naturwissenschaft(wenig!)]

[http://www.zitate.de/kategorie/Physik/ zitate.de Physik]

==='''Interpretationen zu den einzelnen Zitaten:'''===

*(Johannes Schlicksbier)
**'''''Die Naturwissenschaft ohne Religion ist lahm, die Religion ohne die Naturwissenschaft ist blind.''''' <div align="right">Albert Einstein</div>
**'''''Die Naturwissenschaft ist der Versuch die Struktur des Universums zu verstehen. Die Religion will Ziel und Zweck des Universums und den Menschen verstehen.''''' <div align="right">Charles Howard Townes</div>
(Die Liebe des Menschen, sein Mitleid und sein Verstand lassen ihn nach mehr suchen, als die greifbare Welt, was oft in religionen Weltanschauungen resultiert.) Religion liefert der Naturwissenschaft die Motivation und den Antrieb, alles in seiner Gesamtheit verstehen zu wollen. Allerdings darf sich auch die Religion der erkannten Wirklichkeit nicht verschliessen.
Dies ist eine eindeutige Aufforderung an so manchen Naturwissenschaftler, der sich dem "gänzlich rationalen Denken" (soweit dieses überhaupt exestiert)verschrieben hat, als auch an die Religionen, die die Naturwissenschaften noch immer als eine Bedrohung ihrer Existens betrachten, sich gegenseitig anzuerkennen.

'''''"Das Buch der Natur ist mit mathematischen Symbolen geschrieben"'''''
<div align="right">'''Galileo Galilei'''</div>

Galilei versucht mit seiner Aussage zu erläutern, dass in der Natur, die etwas unglaublich riesiges und komplexes ist, jeder kleinste Vorgang nach den Gesetzen der Physik abläuft. In dieser scheinbar wirren und unberechenbaren Vielfalt, läuft alles doch sehr geregelt und vorhersehbar ab. Galilei beschreibt das Verhältnis zwischen Natur und Physik wie das eines Programmes und seinen dazugehörenden Konfigurationen und Befehle. Das Programm könnte ohne Konfiguration oder Befehle unter keinen Umständen funktionieren.

von Till Peters

*(Larissa Pychlau)
**'''''Ein Wissenschaftler ist jemand, dessen Einsichten größer sind, als seine Wirkungsmöglichkeiten. Gegenteil: Politiker.''''' <div
align="roght">Helmar Nahr</div>
Nahr meint, Wissenschaftler seien Menschen der Aufklärung, die notwendige Erkenntnisse bringen.
Sie werden jedoch, seiner Ansicht nach, nicht genug unterstützt.
Politiker hingegen, haben alle Mittel, die sie wollen, bewegen aber meist viel zu wenig und reden sich nur gegenseitig tot.
Nahr scheint nicht die Macht des Wissens zu meinen, sondern bezieht sich scheinbar mehr auf den Alltag und darauf, wie Forscher um alle Gelder und Projekte feilschen müssen.

'''''"Daraus, daß die Sonne bisher jeden Tag aufgegangen ist, folgt logisch nicht, daß sie es morgen wieder tun wird.
"'''''
<div align="right">'''Carl Friedrich v. Weizsäcker'''</div>

Weizsäcker möchte ausdrücken, dass physikalische Gesetze nicht absolut und endgültig sind. Die Physik ist auf Modelle begründet. Zwar können sich diese Modelle durch experimentelle Beobachtungen herleiten (Deduktion) oder werden durch ebensolche (Induktion) bestätigt, dennoch sind sie dadurch nicht unabänderlich. Das Aufgehen der Sonne, ein alltägliches und banal erscheiendendes physikalisches Phänomen, ist zwar nach physikalischer Erkenntnis ein kontinuierlicher Vorgang, tatsächlich ist das aber nur eine Mutmaßung. Zum einen könnte das physikalische Modell unvollständig sein, oder aber ein zufälliger, unberechenbarer Faktor "schaltet" sich ein. Deshalb kann man nicht mit absoluter Bestimmheit sagen, dass die Sonne morgen aufgehen wird.

'''''"Auch wenn alle einer Meinung sind, können alle Unrecht haben."'''''
<div align="right">'''Bertrand Russell'''</div>

Russel spielt auf die Geschichte der Physik an, in der es immer wieder Neuordnungen wzb. die Relativität der Gleichzeitigkeit gab. <br/> Auch heute dürfe man sich um des Fortschritts willen nicht auf seinen Lorbeeren ausruhen, sich nicht dem naiven Glauben hingeben, dass unser bisher erarbeitetes Konstrukt der Physik, das sich uns in dem uns Bekannten bisher als zutreffend erwiesen hat, auch richtig ist; Hinterfragung und Zweifel an den bisherigen Theorien sind grundlegend um die Wissenschaft voranzutreiben.

von Nikolaj Kulvelis

'''''"Das Wunder ist nicht ein Wiederspruch zu den Naturgesetzen , sondern ein Wiederspruch zu dem, was wir von diesen Gesetzen wissen.'''''"
<div align="right">'''Aurelius Augustinus'''</div>

Augustinus ist der Meinung, dass jedes Phänomen und jeder Vorgang im Universum mit einer Formel oder einer anderen Definition zu erfassen und zu erklären ist. Er macht jedoch auch deutlich, dass das bisher erforschte noch nicht ausreicht, um alles zu verstehen und scheint dazu aufzuforden diese Lücken zu schließen.

'''''"Was wir wissen ist ein Tropfen; was wir nicht wissen ist ein ganzer Ozean"'''''
<div align="right">'''Isaac Newton'''</div>

Die Natur überrascht immer wieder mit neuen erstaunlichen Dingen und es gibt immer etwas zu entdecken, untersuchen, spekulieren und überdenken. Der Prozess des Forschens wird niemals aufhören! Zu Newtons Zeit kannte man den Tropfen eines Ozeans, heute kennt man vielleicht tausende von Tropfen, also einen Eimer voll aber es gibt immer neues zu entdecken und hat man den Ozean erforscht gibt es den nächsten.

'''''"Das Wunder ist nict ein Widerpruch zu den Naturgesetzen, sondern ein Widerspruch zu dem, was wir über die Gesetze wissen."'''''
<div align="right">'''Aurelius Augustinus'''</div>

Ich schliesse mich der Meinung dessen, welcher auch dieses Zitat bearbeitete, im Grossen und Ganzen an, dennoch könnte ich mir auch vorstellen,dass A. Augustinius mit seiner These sagen will, dass wir unfähig sind ein dynamisches System genau fassen bzw. messen zu können.
Da wir nun auch nur in der Lage sind endlich genau zu messen leuchtet die Annahme, die Anfangsbdg. eines solchen Systems genau präzisieren zu können, in unserem hoch komplexen Universum auch ein.
Wenn dieses System nun eine weile ``läuft`` und die Anfangsbdg. unklar waren werden unsere Vorraussagen enorm von der Realität abweichen. Auch dieses könnte als Wunder betrachtet werden.

Ich denke, Augustinus will sagen, dass auch ein "Wunder" (und damit quasi alles) mit den Naturgesetzen in Einklang gebracht werden kann, nur, dass wir von den dafür benötigten Gesetzen eben noch nichts wissen. Außerdem will er möglicherweise dazu anregen, dass die Menschen sich fortwährend darüber Gedanken machen sollten, was von den heutezutage bekannten physikalischen Gesetzen zu halten ist und diese zu hinterfragen, zu prüfen und möglicherweise auch mit dem Wissen neuer Erkenntnisse zu ändern.

'''''"Im Grunde bewegen nur zwei Fragen die Menschheit: Wie hat alles angefangen und wie wird alles enden?
"'''''
<div align="right">'''Stephen Hawking'''</div>

In diesem Zitat zeigt sich die allumfassende Neugierde des Menschen in dem für Physiker typischen Fragewort "wie", mit dessen Hilfe man die Dinge auf ihre "Art zu Funktionieren" untersucht, aber nicht nach dem Grund ihrer Existenz fragt, was eher ein Fall für die Philosophen wäre.
Die Frage ist auf den Anfang und das Ende gerichtet, vielleicht weil man mit Hilfe der Gegebenheit (Anfang) und der Regel (Ende) alles Andere dazwischenliegende berechnen könnte.
Ich finde den Gedanken an eine solche "Universums-Formel" interessant und durchaus vorstellbar.

'''''"Der Beginn aller Wissenschaften ist das Erstaunen, dass die Dinge sind, wie sie sind."'''''
<div align="right">'''Aristoteles'''</div>

Das alt-griechische Wort für "erstaunen" bedeutet ebenso "staunen", wie "wundern", durchaus auch "hinterfragen".
Das Bestaunen, dass etwas funktioniert, aber auch das Wundern, warum es funktioniert, sind der Beginn aller Wissenschaften, weil man ohne dieses Staunen den Dingen nicht die nötige Bedeutung gibt, sich länger mit ihnen zu befassen. Wer einfach nur blind durch die Welt läuft und alles akzeptiert, wie es ist, wird nie auf die Idee kommen, es genauzu untersuchen. Also ist der erste Schritt der Wissenschaft immer, zu bewundern, zu bestaunen, zu staunen und zu wunder, dass die Dinge sind, wie sie sind.

'''"Es gibt einen Unterschied zwischen Gott und uns: Gott weiß alles. Wir wissen alles besser."'''
<div align="right">'''Ernst Ferstl'''</div>

Die Naturwissenschaften, besonders die Physik, standen immer schon in einem gewissen Konflikt mit der Kirche. Bestes Beispiel hierfür sind das geozentrische und das heliozentrische Weltbild. In der Religion wir von einer höheren, göttlichen Macht gesprochen. Gott ist allmächtig und allwissend. In der Physik beruht alles auf Beobachtungen, Erkenntnissen und Beweisen eines, oder mehrerer Menschen.

==Überlegungen zu den Bildern==

Bild 1: Beschreibung:

* In dem Kopf sind Formen, Zahlen, Graphen etc. zu sehen
* In den Händen trägt er (ich nenne ihn Hubert) eine Uhr, ein Lineal und eine Waage.
* Um den linken Arm trägt Hubert eine Blindenbinde.

Interpretation: Der Kopf soll die Theorie darstellen. Nur mit HIlfe von Formeln und anschaulichen Graphen sind wir in der Lage komplizierte und neue Aufgaben zu lösen. Die Sachen, welche er in seinen Händen hat stehen für den praktischen Teil. Es sind Hilfsmittel, die wir benötigen.

Über die Blindenbinde gibt es mehrere Theorien. Die erste Theorie: Es könnte bedeuten, dass das, was man mit dem Auge sieht anders ist, als das was man misst, ausrechnet,..... Kurz gesagt: Das Auge kann nicht alles genau erfassen. Eine zweite Theorie wäre: Man betrachtet und konzentriert sich oftmals nur auf einen Aspekt. Stellt euch vor ihr rechnet von einem Viereck die Fläche aus, dabei könntet ihr noch Gleichzeitig den Umfang ausrechen.

Bild 2: Beschreibung:

* Er misst das L des Wortes Liebe mit einem Lineal ab.
* Vor ihm ist eine Sprechblase. In ihr steht: 1,73 Meter

Interpretation: Hier waren wir uns alle einig. Wir denken, dass der Mensch für alles ein Maß finden möchte. Die menschen wollen nichts unerklärt, unerforscht und unbekannt lassen.

Bild 3: Beschreibung:

* Hubert steht vor einem Bild das wohl eher unabsichtlich etwas schräg hängt
* Er scheint zu dem Bild eine Meinung, bzw eine Empfindung zu haben (der runde Mund deutet darauf hin)

Interpretation: Vielleicht überlegt er sich gerade, ob das Bild schön oder eher nicht so schön ist. Doch ist Schönheit messbar? Physik ist eine exakte Wissenschaft. Sie kann sehr viel beschreiben. Doch es gibt auch Dinge die sie nicht kann. Zum Beispiel Alles und Jeden adäquat messen. Die Physik kann weder messen ob etwas schön ist oder etwa hässlich. Das kommt wohl mehr auf unseren Geschmack an.

==Links==
*[http://archiv.ethlife.ethz.ch/articles/tages/SciencemeetsDhar.html "Interkultureller Brückenschlag" Artikel aus der ETH Zürich ]
*[http://www.tibet-institut.ch/content/smd/de/index.html]
*[http://www.sciencemeetsdharma.org/]
*[[Datei:Science_meets_dharma.pdf]]