Materialeigenschaften: Dielektrika
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Magnetische Materialeigenschaften Dia- und Paramagnetismus Inhalt Makroskopische und mikroskopische Ursachen für • Diamagnetismus – Diamagnetismus in Supraleitern • Paramagnetismus Beispiele Suszeptibiliät χ=μ-1 Diamagnetika Paramagnetika Wismut -14 ·10-6 Platin 19,3·10-6 Wasser -0,72·10-6 Fl. Sauerstoff 360·10-6 Stickstoff -0,0003·10-6 Sauerstoff 0,14·10-6 Diamagnetismus • Makroskopisch: Abstoßung des Materials bei Annäherung an ein magnetisches Feld • Mikroskopisch: Durch die Bewegung im Magnetfeld induzierte Kreisströme (Quantenmechanischer Effekt) sind der Ursache entgegengerichtet (Lenzsche Regel) • Schwacher, in allen Materialien vorhandener Effekt • Temperatur unabhängig Diamagnetismus • Die Elektronenhülle eines Atoms beginnt beim Aufbau eines Magnetfelds als ganzes um die Feldrichtung zu rotieren • Dadurch entsteht einen Kreisstrom, der nach der Lenzschen Regel der Ursache entgegengerichtet ist: Abstoßung im Feld Versuch • Diamagnetische Stoffe Diamagnetismus in Supraleitern Schwebender Permanentmagnet Supraleitende Keramik See mit flüssigem Stickstoff zur Kühlung Versuch • Schwebender Supraleiter Diamagnetismus in Supraleitern Diamagnetismus in Supraleitern Nähert man ein Material in supraleitendem Zustand einem Magnetfeld, dann wird • in diesem Material gemäß der Lenzschen Regel eine Spannung induziert, so dass – analog zum Diamagneten- der dadurch entstehende Strom das äußere Magnetfeld vollständig kompensiert • Im Innern des Materials ist die magnetische Feldstärke auf Null kompensiert • Der Strom fließt ohne Verluste mit konstanter Stärke, so dass der Supraleiter dauerhaft über dem Magneten in Schwebe gehalten werden kann Paramagnetimus • Makroskopisch: Anziehung bei Annäherung an ein magnetisches Feld • Mikroskopisch: Atome zeigen ein permanentes magnetisches Moment – Bahnmoment – Spinmoment • Die thermische Bewegung verhindert vollständige Ausrichtung: χ folgt dem Curie-Gesetz – Häufigkeit der Orientierung entsprechend dem Boltzmannfaktor Paramagnetismus • Elektronen mit Bahndrehimpuls erzeugen ein permanentes Dipolmoment, das im Feld ausgerichtet wird Drehimpuls und magnetisches Moment Drehimpuls l Mag. Moment μ Fläche A Strom I l m r 2 IA l 1 m2kg/s Drehimpuls des Elektrons 1 Am2 Magnetisches Moment des Elektrons 1 Am2 Definition des gyromagnetischen Verhältnis Das gyromagnetische Verhältnis l mr 2 I e / T e / 2 m IA A m er 2 / 2 l e 2m 1 m2kg/s Drehimpuls des Elektrons 1A 1 Am2 1 m2 1 Am2 1 Am2 Kreisstrom Magnetisches Moment eines Kreisstroms Stromumflossene Fläche Magnetisches Moment des Elektrons Definition: Gyromagnetisches Verhältnis Gyromagnetisches Verhältnis 1 As/kg für das Bahmoment Das gyromagnetische Verhältnis für den Spin s spin s spin s spin 1 m2kg/s Eigendrehimpuls, Spin des Elektrons spin 1 Am2 Spinmoment des Elektrons l 1 Am2 Definition: gyromagnetisches Verhältnis 1 As/kg Gyromagnetisches Verhältnis für den Spin, experimenteller Befund (Einstein de Haas Effekt) e m Versuch • Paramagnetische Stoffe Magnetische Eigenschaften, Zusammenfassung (Diamagetismus) Magnetische Materialeigenschaft Dia- Verhalten im magnetischen Feld Die Suszeptibilität und ihre Temperaturabhängigkeit Supraleiter, kristalliner Zustand Im Supraleiter fließen Ströme widerstandslos, die dem äußeren Feld ein gleiches entgegensetzen: Im Innern des Supraleiters gilt .B=0 Bei T > TC geht der Supraleiter in einen diaoder paramagnetischen Zustand über Für T > TC -1 In allen Materialien, unabhängig vom Aggregatzus tand Quanteneffekt: Unter dem Einfluss eines äußeren Feldes werden in den Elektronenhüllen Ströme induziert, die dem äußeren Feld entgegenwirken Temperatur unabhängige Stoffkonstante, klein 10 6 Magnetische Eigenschaften, Zusammenfassung (Paramagnetismus) Magnetische Materialeigenschaft Verhalten im magnetischen Feld Die Suszeptibilität und ihre Temperaturabhängigkeit Im Material permanent Stoffkonstante, klein, vorhandene mag. Materialien Temperatur abhängig Dipole richten sich mit unnach dem Paranach dem äußeren gepaarten Feld aus, die Curie-Gesetz: Elektronen Temperaturbewegung 1 arbeitet dagegen T 10 4 Zusammenfassung Diamagnetismus • Abstoßung des Materials bei Annäherung an ein magnetisches Feld • Schwacher, in allen Materialien vorhandener Effekt • Temperatur unabhängig • Spezieller Effekt: Diamagnetismus in Supraleitern Paramagnetismus • Anziehung bei Annäherung an ein magnetisches Feld • Die thermische Bewegung verhindert vollständige Ausrichtung der atomaren magnetischen Momente: χ folgt dem Curie-Gesetz: χ = 1/T – Häufigkeit der Orientierung entsprechend dem Boltzmannfaktor
