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:
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