PN 2 Einführung in die Experimentalphysik für
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PN 2 Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker und Biologen 5. Vorlesung – 18.5.07 Nadja Regner, Thomas Schmierer, Gunnar Spieß, Peter Gilch Lehrstuhl für BioMolekulare Optik Department für Physik Ludwig-Maximilians-Universität München Erinnerung Kondensator lehrt uns u.a. viel über das dielektrische Verhalten von Materie εr und Brechungsindex „Atomarer“ Magnetismus Ströme machen Magnetfelder Experiment Pendel im Magnetfeld Michael Faraday 1791 - 1867 Faradaysches Induktionsgesetz Unser Held (IV): Michael Faraday „English bookbinder who became interested in electricity.“ 1791 in Newington Butts geboren (Vater Hufschmied) 1813 wurde nach Besuch der Abendvorlesung von Humphry Davy dort Laborgehilfe 1816 erste wissenschaftliche Arbeit (über Ätzkalk) 1824 Mitglied der Royal Society 1825 Direktor der Royal Institution 1856 zieht sich aus der aktiven Wissenschaft zurück (Hg-Vergiftung?) 1867 stirbt in London • wichtige chemische Arbeiten (Verflüssigung von Chlor, Elektrochemie, Benzol) • Arbeiten zum Elektromagnetismus • Entdeckung von Para- und Diamagnetismus „Convert Magnetism into Electricity“ 1822 Faradaysches Gesetz und Magnetischer Fluss Den elektrischen Fluss kennen wir schon dank Herrn Gauß. Völlig analog lässt sich der magnetische Fluss ϕm definieren: Homogenes Feld & Ebene Allgemein Änderung des Magnetischen Fluss erzeugt Spannung Experiment Induktion: Stabmagnet mit Spule Änderungen des magnetischen Flusses ϕm erzeugt eine Spannung (und gegebenenfalls einen Strom), Faradasches Induktionsgesetz: Was ändert den magnetischen Fluss? Experiment Induktion: Stabmagnet mit Leiterschleife Ohne das Induktionsgesetzgesetz säßen wir alle im Dunkeln Im großen wie im kleinen wird fast alle elektrische Energie durch Generatoren „hergestellt“! Experiment Generator mit Kurbel Zeitliche Änderung des magnetischen Flusses ϕm: Drehung der Schleife: Wenn man an den Generator „Verbraucher“ anschließt, Elektrische Wirbelfelder und Wirbelströme Wir erinnern uns an die Elektrostatik: Ladungen sind Senken bzw. Quellen des elektrischen Feldes Aber: Bei Änderung des magnetischen Flusses ϕm kommt es zu Wirbelströmen und Wirbelfeldern! Bei geschlossenem Leiter kommt es zu Das elektrische Wirbelfeld und Herr Maxwell Der Wirbelstrom wird von einem elektrischen Wirbelfeld hervorgerufen. Dieses Wirbelfeld tritt immer bei Änderungen des magnetischen Flusses auf! Maxwell-Gleichungen r r d r r E • d r = − B • dS ∫K dt ∫SK r r d r r 1 (II) c 2 ∫ B • dr = ∫ E • dS + K dt SK ε0 r r 1 (III) ∫ E • dS = ∫ ρdV (I) SO (IV) r r ε0 ∫ B • dS = 0 SO VSO ∫ SK r r j • dS Das Minuszeichen im Induktionsgesetz und die Lenzsche Regel Experiment Lenzsche Regel Magnet bewegt sich auf Ringleiter zu! Wirbelstrom I wird induziert! Lenzsche Regel: Die Stromänderung steht sich selbst im Wege – Selbstinduktion Ein Stromkreis enthält einen Widerstand R und eine Spule L. Über einen Schalter wird der Stromkreis geschlossen. Wie verhält sich der Strom als Funktion der Zeit? I R Zeit t Nach Einschalten gilt: Induktivität Feld im Inneren einer Spule: B = µ0 n I Magnetischer Fluss: Selbstinduktivität L Dimension von L Vergleich mit dem Induktionsgesetz: Experiment Selbstinduktion Im Magnetfeld steckt Energie Bei supraleitende Magnetsystem kann es zu einem Zusammenbruch der Supraleitung führen. Sogenanntes „Quenchen“. Bei diesem Quenchen wird Energie frei, die zum schlagartigen Verdampfen großer Mengen flüssigem He und N2 führt. Woher kommt diese Energie? Kinetische Energie der Elektronen, die „im Kreis“ fließen? Energie des Magnetfeldes:
