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Dauermagnete Bei magnetischen Das Herzstück eines Magnetfeld der Materialien Erde Kompass ist einesich ändert unterscheidet frei im drehbar man Laufe Eisenkerne gelagerte der Zeit. Magnetnadel, Aus bzw. magnetischen Weicheisenstücke die sich Unterim und Magnetfelderstarrter suchungen Dauermagnete derbzw. ErdeHartLava in Nordin Süd-Richtung der magnetische atlantischen Materialien. ausrichtet. Bruchzone Alsbei Farbmarkierung Island Dauermagnete lässt sichziehen dies sind ermitteln. im Gegendeutschsprachigen stände aus Eisen an,Raum nichtdie aber Farben viele andere rot fürMetalle Nordpol und grün für Südpol (Cu,Al,Au). In der festgelegt. Nähe eines Als Konsequenz Magneten lassen dieser sich Definition z.B. der Magnetpolemagnetisieren. Büroklammern ergibt sich, daß beim geografischen (magnetische Influenz) Nordpol der Erde ein magnetischer Südpol liegen muss. Magnetisches Feld Den Ein In der Dauermagnet Spezialfall Nähe eines eines Stabin Stabform hat seine größte magneten homogenen orientieren Feldes Kraftwirkung mitsich an den Enden, Magnetnadeln parallelen Feldlinien also vom an Norderhält den zum Polen. Südpol man u.a. In und mit dermarkieren einem Mitte dagegen so eine heben sich die sogenannte Hufeisenmagneten. Feldlinie. Kraftwirkungen der beiden Pole gegenseitig auf. Das magnetische Feld -Grundlagen attraktiv repulsiv Wir bezeichnen das Ende des Stabmagneten, das zum geographischen Nordpol (rot) zeigt als “Nordpol (N)”, das andere Ende als “Südpol (S)” (grün) Wechselwirkung zwischen 2 Stabmagneten Fe2O3: 2 Stabmagnete, bei denen sich (N) und (N) gegenüberstehen, stoßen sich ab. 2 Stabmagnete, bei denen sich (N) und (S) gegenüberstehen, ziehen sich an. Das magnetische Feld -Grundlagen Es gibt keine magnetischen Ladungen. Ein Stabmagnet ist aus elementaren magnetischen Dipolen aufgebaut, deren Richtung die Magnetisierung des Stabmagneten definiert. B Es existiert ein magnetisches Feld , das durch Magnetisierung des Eisens hervorgerufen wird, und das im Außenraum vom (N)-Pol zum (S)-Pol gerichtet ist. Die Magnetisierung geschieht durch Ausrichtung der atomaren magnetischen Dipole mit Dipolmoment. Die Richtung eines magnetischen Dipols zeigt von (S) nach (N), diese Richtung ist äquivalent zu der des elektrischen Dipols, der von (-) nach (+) zeigt. In einem homogenen Magnetfeld erfährt der magnetische Dipol ein Drehmoment und besitzt eine potentielle Energie. Magnetfeld der Erde Der magnetische Südpol der Erde befindet sich in der Nähe des geometrischen Nordpols. Es existiert ein magnetisches Erdfeld. Seine Richtung weicht von der Nord-Süd-Horizontalen ab. Die Abweichung ist ortsabhängig. Die Neigung zur Horizontalen bezeichnet man als Inklination (I), die Abweichung von der Nord-Süd-Richtung als Deklination (D). Für Heidelberg ist zur Zeit (das ändert sich im Laufe von Jahrtausenden): I=6400,4’ D=1059,7’. Magnetfeld der Erde Seit man mit Satelliten das Magnetfeld der Erde großräumig untersuchen kann, weiß man dass das Magnetfeld der Erde auf der Sonnenseite gut dipolförmig ist. Auf der Nachtseite bewirkt aber der Sonnenwind mit seinem Magnetfeld eine deutliche Deformation des Erdmagnetfeldes. Das Magnetfeld der Erde lenkt einen Großteil dieser für den Menschen gefährlichen Teilchenstrahlung um. Magnetfeld des elektrischen Stroms Die magnetische Der Windet dänische man einen Physiker Feldstärke Leiter Oersted zu ist entdeckte, einer proportional Spule,dass dann zurein Stromstärke werden strom-die durchflossener Magnetfelder und zum Quotienten der Leiter Leiterstücke aus ein Magnetfeld zum Windungszahl Magnetfeld aufbaut. und einer Länge Das Spule der Magnetfeld eines aufgewickelt. Spule. Im Innern geradender Leitersergibt Spule zeigt sich geschlossene ein konzentrische verstärktes, nahezu Kreise, homogenes die innen im Feld, dichter, Außenbereich außen weniger dicht liegen. schließen sich die Feldlinien. Magnetfelder stationärer Ströme - Christian Oerstedt: Ein elektrischer Gleichstrom erzeugt ein Magnetfeld! Die Richtung des Magnetfeldes wechselt mit der Stromrichtung, die Stärke nimmt proportional zum Abstand ab. Die Magnetfeldlinien sind geschlossen. Faustregel: Wenn der Daumen in Richtung der technischen Stromrichtung zeigt, weisen die Finger einer leicht geöffneten Faust in Richtung der kreisförmigen Feldlinien. + Magnetische Feldstärke Magnetische Feldstärke in einem homogenen Magnetfeld: F B I Wobei F der Betrag der Kraft auf einen vom Strom durchflossenen Leiter der Länge bedeutet, der senkrecht zu den magnetischen Feldlinien steht. Kraft zwischen Leitern Stromrichtung parallel die Leiter ziehen sich an. Stromrichtung antiparallel die Leiter stoßen sich ab. Betrag der Kraft zwischen den Leitern mit gleicher Länge : 0 I1 I 2 F1, 2 2 d 0 0 0 c 2 10 7 N A2 2 2 Das Magnetfeld einer Spule Faustregel 2: Daumen der rechten Hand (im Inneren der Spule), übrige Finger der Faust in Stromrichtung. Magnetische Feldstärke: n B 0 I N V s T A m m 2 Stromstärke I, Anzahl der Windungen n, Länge der Spule Helmholtz-Spulenpaar Spulen stehen genau in einem Abstand mit der Größe des Spulenradius r parallel zueinander. Die Stromrichtung ist in beiden Spulen gleich. Diese Anordnung wird benutzt, um im Zentrum ein recht homogenes horizontales Magnetfeld zu erzeugen. n BHelmholtz 0,72 0 I r Materie in magnetischen Feldern In Atomen bewegen sich Elektronen auf kreisförmigen Bahnen und stellen damit kleine magnetische Dipole dar. Auch ein einzelnes Elektron trägt aufgrund seines ‘Spins’ ein magnetisches Moment. Sind alle diese atomaren Dipole zufällig ausgerichtet, verschwindet das resultierende makroskopische Dipolmoment und das B-Feld. Wie in der Elektrostatik kann man in einem äußeren B-Feld a) vorhandene atomare Dipole ausrichten und b) magnetische Dipole induzieren. Dabei ändert sich das ursprüngliche Feld relativ zum Vakuum um die relative Permeabilitätskonstante r 1 Diamagnetismus B r B0 r 1 Paramagnetismus Informationsspeicher Magnetische Medien spielen eine zentrale Rolle Magnetbänder, Computer-Festplatten Anwendungen für Elektromagneten Das einem Bei extremElektromotor Relais starkeschaltet Magnetfeld dreht ein der supraleitenden erster sich ein Stromkreis drehbar gelagerter über Spule einen einer Kernspinröhre wird Elektromagneten denfürSchalter im die Untersuchung eines Magnetfeld zweiten eines Stromkreises. desDauermenschlichen Beide magneten. Kreise Nach haben Körpers jeweils dabeieiner benötigt. keine Halbdrehung elektrische muss Verbindung, der Strom so dass mit Hilfe z.B. eines mit'Kommutators' einer ungefährlichen in der Ankerspule Niederumgepolt spannungdamit werden, eine eine Hochspannung geschaltet werden kontinuierliche Rotation kann. erreicht wird. Mikroskopische Vorstellung für Ferromagnetismus Im starken Die Bei einem magnetische unmagnetisch äußeren Eigenschaft Feld eines von Eisen erklärt wirkenden Dauermagneten Weicheisen oder sicheines aus sindder die Orientierung derder Orientierungen Elektromagneten sogenannten richten Domänen sich SpinsDomänen beliebig viele derinElektronen alle möglichen gleichinaus denund Nebenschalen. Richtungen bewirken soverteilt, eine Beim Verstärkung so besonders dass starken sich des Feldes. die Ferromagnetismus magnetischen Effekte kommt noch insgesamt aufheben. dazu, dass sich die magnetischen Momente von Einzelatomen in kleinen Bereichen, den magnetischen Domänen, gleichrichten. Fragen zum magnetischen Feld 1. 2. 3. 4. Das Erdmagnetfeld hat in München einen Inklinationswinkel von 60 Grad, seine horizontale Komponente hat eine Feldstärke B=2*10-5 T. Welchen Strom muß man durch eine Spule mit 20 cm Länge und 20 Windungen schicken, damit im Inneren der Spule eine gleich große Feldstärke erzeugt wird? Für einen Kernspintomographen wird eine Luftspule mit einem Durchmesser von 80cm und einer Länge von 2,50m gebaut, die mit einer Stromstärke von 150A betrieben werden soll. Welche Windungszahl wird benötigt, damit man eine Feldstärke von 1,26T erreicht? a) Was versteht man unter der Deklination einer Magnetnadel? b) Was ist die Ursache der Deklination? Wie läßt sich die Erscheinung der magnetischen Influenz erklären?
