Magnetismus

Magnetismus
Sonne λ= 284Å
Magnetit (Fe3O4)
Magnetare/
Neutronensterne
Kernspintomographie =
Magnetresonanztomographie
Ein Magnetfeld wird erzeugt durch:
• Permanentmagnet
(mikroskopische Ursache: Eigendrehimpuls = Spin der Elektronen)
• Strom (bewegte Ladung)
(-> sh. Versuch Kompassnadel neben Strom durchflossenem Draht)
• zeitlich veränderliches elektrisches Feld
Es gibt keine magnetischen Monopole (d.h. es wurden noch keine beobachtet)
Experimentalphysik I/II für Mediziner: Sommersemester 2011
Caren Hagner
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Grundtypen magnetischer Felder
Magnetfeld
um stromdurchflossenen
Draht
B
I
Magnetfeld um stromführenden Draht
der zu einer Schleife gebogen ist
Magnetfeld einer
langen Spule
Magnetfeld eines
Permanentmagneten
B
N
S
I
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Wie entsteht das Magnetfeld in Materie?
Magnetfeld um stromführenden Draht
der zu einer Schleife gebogen ist
Magnetfeld eines Elektrons
Ursache: Eigendrehimpuls(Spin)
des Elektrons
B
Drehachse
I
Magnetfeld eines Protons
(Neutrons, Atomkerns)
Drehachse
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Das Erdmagnetfeld
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Computersimulation des Erdmagnetfelds
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Wanderung des magnetischen Nordpols
Das Erdmagnetfeld polt sich ca. alle 250.000 Jahre um.
Die letzte Umpolung fand allerdings schon
vor 780.000 Jahren statt.
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Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld
Rechte Hand Regel
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Magnetische Kraftflussdichte B und magnetische Feldstärke H
Erdmagnetfeld
Stärkste Magnetfelder im Labor
Magnetfeld in Atomen
Magnetfeld an der Oberfläche
eines Neutronensterns
ca. 10-4T = 1 G (Gauss)
ca. 45T
ca. 10T
ca. 108T
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Magnetfeld einer langezogenen Spule (Feld innen homogen, außen schwach):
= Elektromagnet
Elektromagnet
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Kraft auf ein geladenes Teilchen im Magnetfeld, Lorentzkraft
Rechte Hand Regel
oder
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Versuch Fadenstrahlrohr:
1. Geschwindigkeit genau senkrecht
zum Magnetfeld:
Kreisbahn
2. Geschwindigkeit schräg zum
Magnetfeld:
Schraubenlinie
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Bedeutung (Beispiele):
“Magnetische Flasche”, Erdmagnetfeld schützt vor kosmischer Strahlung, Polarlichter
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Erdmagnetfeld
Sonnenwind =
Teilchen (Protonen, Elektronen, He-Kerne)
von der Sonne
Polarlicht
(Aurora Borealis,
Aurora Australis)
Wiederholung:
+
-
Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld:
r r
r
F = I ⋅l × B
I
F
I = Stromstärke
l = Länge des Leiters im Magnetfeld
B = magnetische Kraftflussdichte
B
Kraft auf ein geladenes Teilchen im Magnetfeld (Lorentzkraft):
r
r r
F = q ⋅v × B
Rechte Hand Regel
q = Ladung des Teilchens
v = Geschwindigkeit des Teilchens
B = magnetische Kraftflussdichte
Bahn eines geladenen Teilchens im Magnetfeld:
a) v senkrecht B: Kreisbahn b) sonst: Schraubenlinie zwischen den Feldlinien
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Polarlicht über der Erde (gesehen vom Space Shuttle Discovery)
Magnetischer Fluss:
(diesen Begriff werden wir gleich benötigen zur Beschreibung der Induktion)
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Magnetische Induktion
Uind
Michael Faraday:
1791-1867
Wenn der Magnet bewegt wird, ändert sich der magnetische Fluss Φ in der Spule,
eine Spannung wird induziert, die vom Messgerät angezeigt wird.
(Je schneller die Bewegung, desto größer die angezeigte Spannung)
Induktionsgesetz
(Faraday):
Δφ
U =−
N
Δt
Jede Änderung des magnetischen Flusses durch eine Leiterschleife,
induziert darin eine elektrische Spannung U.
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Lenzsche Regel
Die durch Veränderung magnetischer Flüsse erzeugten Induktionsströme
fließen derart, dass ihre eigenen Magnetfelder der Induktionsursache
entgegenwirken
oder:
Die in Leitern induzierten Ströme sind immer so gerichtet, dass sie die
Bewegung durch die sie hervorgerufen wurden zu hemmen versuchen.
Beispiel:
Dieser Aluring
(mit Schlitz!)
weicht dem Magneten
nicht aus.
Denn: Wegen des Schlitzes
können keine Wirbelströme
fliessen.
Magnet bewegt sich
auf Ring zu
Aluring:
Bewegt sich vom Magnet weg
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Versuch zum Wechselstromgenerator:
Bei Drehung
der Kurbel, fließt Wechselstrom!
Hufeisenmagnet
Spule,
wird durch
Kurbel gedreht
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Anwendungsbeispiel für Induktion:
Wechselstromgenerator
Δφ
U =−
n
Δt
Hier: Der magnetische Fluss durch die Drahtschleife ändert sich,
weil sich der Winkel zwischen Magnetfeld und Fläche ändert,
→ In der Leiterschleife wird eine Spannung induziert.
U ind (t ) = − nBAω sin(ωt )
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Wechselstromgenerator
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Wechselstromgenerator:
Fahrraddynamo
Rad dreht sich, -> Magnet dreht sich,
-> Magnetfeld in der Spule ändert sich,
-> Spannung wird induziert, Strom fliesst.
Wenn sich das Rad schneller dreht,
ist die Änderung des magnetischen Flusses
größer, eine größere Spannung wird induziert,
die Lampe leuchtet heller!
U ind (t ) = −nBAω sin(ωt )
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Wechselstromgenerator
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Weitere Versuche zu Induktion, Lenzscher Regel & Wirbelströmen
Thomsonscher Ringversuch
Kugelrennen
unmagnetisierte
Kugel
Plastikrohr
Beim Einschalten des Stromes durch
die Spule wird der Aluring nach oben
katapultiert.
Ein Ring mit Schlitz zeigt keine Wirkung.
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magnetisierte
Kugel
Kupferrohr
Eine nicht magnetisierte Kugel fällt
gleich schnell durch beide Rohre.
Eine magnetisierte Kugel, erzeugt
beim Fallen durch das Kupferrohr
Wirbelströme und wird durch die
Lenzsche Regel stark gebremst.
Lässt man die magnetisierte Kugel
durch das Plastikrohr und die
unmagnetisierte Kugel durch das
Kupferrohr fallen, kommen beide
gleichzeitig an.
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Versuch: Induktions - Dosenöffner
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