Magnetismus
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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 Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 1 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 Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 2 Wie entsteht das Magnetfeld in Materie? Magnetfeld eines Elektrons Magnetfeld um stromführenden Draht der zu einer Schleife gebogen ist Ursache: Eigendrehimpuls(Spin) des Elektrons B Drehachse I Magnetfeld eines Protons (Neutrons, Atomkerns) Drehachse Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 3 Das Erdmagnetfeld Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 4 Computersimulation des Erdmagnetfelds Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 5 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. Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 6 Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld Rechte Hand Regel Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 7 Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 8 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 Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 9 Magnetfeld einer langezogenen Spule (Feld innen homogen, außen schwach): = Elektromagnet Elektromagnet Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 10 Kraft auf ein geladenes Teilchen im Magnetfeld, Lorentzkraft Magnetfeld in Bildebene hinein x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Rechte Hand Regel Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 11 Versuch Fadenstrahlrohr: 1. Geschwindigkeit genau senkrecht zum Magnetfeld: Kreisbahn 2. Geschwindigkeit schräg zum Magnetfeld: Schraubenlinie Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 12 Bedeutung (Beispiele): “Magnetische Flasche”, Erdmagnetfeld schützt vor kosmischer Strahlung, Polarlichter Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 13 Erdmagnetfeld Sonnenwind = Teilchen (Protonen, Elektronen, He-Kerne) von der Sonne Polarlicht (Aurora Borealis, Aurora Australis) Polarlicht über der Erde (gesehen vom Space Shuttle Discovery) 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 Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 17 Magnetischer Fluss: (diesen Begriff werden wir später benötigen zur Beschreibung der Induktion) Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 18 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): ∆φ U =− N ∆t Jede Änderung des magnetischen Flusses durch eine Leiterschleife, induziert darin eine elektrische Spannung U. Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 19 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: Magnet bewegt sich auf Ring zu Aluring: Dieser Aluring (mit Schlitz!) weicht dem Magneten nicht aus. Denn: Wegen des Schlitzes können keine Wirbelströme fliessen. Bewegt sich vom Magnet weg Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 20 Anwendungsbeispiel für Induktion: Wechselstromgenerator ∆φ U =− N ∆t 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 ) Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Wechselstromgenerator Caren Hagner Magnetismus 21 Versuch zum Wechselstromgenerator: Bei Drehung der Kurbel, fließt Wechselstrom! Hufeisenmagnet Spule, wird durch Kurbel gedreht Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 22 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 ) Wechselstromgenerator Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 23 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. magnetisierte Kugel Waltenhofsches Pendel (Wirbelstrombremse) 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. Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 24 Versuch: Induktions - Dosenöffner Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 25 Weiteres Anwendungsbeispiel: Induktionsherd Im Topfboden werden durch das magnetische Wechselfeld elektrische Wirbelströme induziert. Gutes Aufheizen des Topfbodens, wenn das Topfbodenmaterial magnetisch hart ist. Im Kochfeld: Spule in der Wechselstrom (20 - 100 kHz) Fließt, erzeugt magnetisches Wechselfeld. Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 26 Der schwebende Supraleiter (idealer Diamagnet) Supraleiter Bind Magnet B Magnet Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 27 Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 28 Diamagnetische Levitation: Hochfeldlabor Nijmegen erzeugt Magnetfelder von 16T: ( Die mpeg movies finden Sie unter http://www.hfml.ru.nl/levitation-movies.html ) Wassertropfen Beispiele verschiedener „Diamagneten“, die im starken Magnetfeld (16T) schweben. Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus Selbstinduktion: Spule R Schalter S U 1. Schalter wird geschlossen: Strom fließt durch die Spule, ein Magnetfeld baut sich auf. 2. Die Magnetfeldänderung in der Spule bewirkt Induktion in der Spule! Eine (Gegen-)Spannung entsteht, nach der Lenzschen Regel bewirkt der induzierte Strom ein Magnetfeld in entgegengesetzter Richtung. U ind dI = −L ⋅ dt L = Induktivität, Einheit 1 Henry 1H = 1Vs/A Durch diesen Effekt (= Selbstinduktion) verzögert sich der Stromanstieg beim Einschalten. 3. Schließlich fließt der Strom I0 = U/R. Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 30 Einschaltvorgang mit Spule (Induktivität): I (t ) = I 0 (1 − e − t /τ ) R L (Spule) U0 Ausschaltvorgang mit Spule (Induktivität): I (t ) = I 0e − t /τ R L (Spule) U0 Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 31 Einschaltvorgang mit Kondensator (Kapazität): U C (t ) = U 0 (1 − e − t /τ ) R C U0 Ausschaltvorgang mit Kondensator (Kapazität): U C (t ) = U 0e − t / τ R C U0 Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 32 Der elektrische Schwingkreis: + - - + 1. Start mit aufgeladenem Kondensator 2. C entlädt sich über L, ein Magnetfeld baut sich auf. 3. Strom fließt weiter, selbst wenn C entladen ist, weil die Selbstinduktion den Stromfluss aufrecht erhalten will. C wird vollständig aufgeladen (umgekehrte Polarität wie bei Beginn). 4. C entlädt sich über L, ein Magnetfeld baut sich auf (umgekehrte Richtung wie bei 2.) Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 33 Tesla Transformator (historisches Experiment) zur Erzeugung hoher Spannungen & elektromagnetischer Wellen em-Wellen werden abgestrahlt Extrem hohe Spannung Die 2 Spulen des Tesla Trafos Funkenstrecke Wechselspannung aus der Steckdose Kondensator Bringt man eine Leuchtstoffröhre in die Nähe, leuchtet diese auf (em-Wellen!) Netzgerät Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 34 Wechselstrom: Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 35 Der schwingende Dipol (Hertzscher Dipol): Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 36 Dipolschwingung: Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 37 Ablösung der elektromagnetischen Wellen vom Dipol Dipolachse KEINE Abstrahlung in Richtung der Dipolachse Maximale Abstrahlung senkrecht zur Dipolachse Experimentalphysik I/II für Biologie u. Zahnmedizin: Wintersemester 2011/12 Caren Hagner Magnetismus 38 Entstehung elektromagnetischer Wellen: em-Strahlung entsteht immer, wenn Ladungen beschleunigt werden Ladungen: schwingen rauf und runter veränderliches E-Feld erzeugt -> veränderliches B-Feld erzeugt -> veränderliches E-Feld -> usw. Experimentalphysik I/II für Biologie u. 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