Kapitel 3: Magnetismus

3 Magnetismus
Sonne λ= 284Å
Magnetit (Fe3O4)
Magnetare/
Neutronensterne
Kernspintomographie =
Magnetresonanztomographie
• 2 magnetische Pole: Nord (zeigt nach S) und Süd (zeigt nach N); Feldlinien laufen von N nach S
• gleichnamige Pole stoßen sich ab - ungleichnamige Pole ziehen sich an
• Es gibt keine magnetischen Monopole (d.h. es wurden noch keine beobachtet)
• Kräfte nehmen mit dem Abstand ab
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
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: 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
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Kapitel 3: Magnetismus /
2
Magnetfeld um stromführenden Draht
der zu einer Schleife gebogen ist
Magnetfeld eines Elektrons
Ursache: Eigendrehimpuls(Spin)
des Elektrons
B
I
Drehachse
Magnetfeld eines Protons
(Neutrons, Atomkerns)
Drehachse
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Kapitel 3: Magnetismus /
3
Das Erdmagnetfeld
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: Magnetismus /
4
Computersimulation des Erdmagnetfelds
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Kapitel 3: Magnetismus /
Wanderung des magnetischen Südpols
Das Erdmagnetfeld polt sich ca. alle 250.000 Jahre um.
Die letzte Umpolung fand allerdings schon
vor 780.000 Jahren statt.
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Kapitel 3: Magnetismus /
6
Heute
Schwarze Bereiche:
Magnetfeld Richtung wie heute
Weiße Bereiche:
Magnetfeld Richtung umgekehrt
Aktuelle Forschungsergebnisse:
Umpolung geschah extrem schnell ( ≈ 100 Jahre ) !
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: Magnetismus /
7
3.1 Stärke des Magnetfeldes
3.1.1 Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: Magnetismus /
8
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: Magnetismus /
9
3.1.2 Magnetische Feldstärke
Erdmagnetfeld
Kernspintomographie
ATLAS Detektor (LHC)
Stärkste Magnetfelder im Labor
Magnetfeld in Atomen
Magnetfeld an der Oberfläche
eines Neutronensterns
Magnetar (10% der Neutronensterne)
10-4T = 1 G (Gauss)
ca. 1-9T
2T
ca. 45T
ca. 10T
ca. 108T
ca. 1011T
Nicola Tesla 1856-1943
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: Magnetismus / 10
3.2
Kräfte im Magnetfeld
3.2.1 Kraft auf bewegte Ladung im Magnetfeld
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
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Kapitel 3: Magnetismus / 11
3.2.2 Magnetische Feldlinien und magnetischer Fluss
Eine Kompassnadel richtet sich tangential zu den magnetischen Feldlinien aus.
Achtung: Im Unterschied zum elektrischen Feld ist die Kraft auf eine bewegte Ladung
nicht tangential zu den magnetischen Feldlinien.
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: Magnetismus / 12
3.2.3 Bewegung von Ladungen im Magnetfeld
Anwendung: Zyklotron
a) Geschwindigkeit v ist genau senkrecht zum Magnetfeld
x
x
x
x
x
Geladenes Teilchen (q < 0)
x
x
Fx
x
x
x
x
v
x
x
+ x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Anwendung: Synchrotron
LHC (Cern)
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Kapitel 3: Magnetismus / 13
Beispiel für Teilchenbahnen im Magnetfeld:
Nachweis von Elementarteilchen in der Teilchenphysik
(CMS Detektor bei LHC)
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Kapitel 3: Magnetismus / 14
Wiederholung: Kräfte im Magnetfeld
Kraft auf bewegte Ladung:
Kraft auf stromdurchflossenen Leiter:





 
F  q v B

 
F  I LB
oder
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Kapitel 3: Magnetismus /
Versuch Fadenstrahlrohr:
1. Geschwindigkeit genau senkrecht
zum Magnetfeld:
Kreisbahn
2. Geschwindigkeit schräg zum
Magnetfeld:
Schraubenlinie
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Kapitel 3: Magnetismus / 16
b) Bewegung von Ladungen im Magnetfeld (v ist nicht senkrecht zu B)
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Kapitel 3: Magnetismus / 17
c) Bewegung von Ladungen im Magnetfeld (B inhomogen)
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Kapitel 3: Magnetismus / 18
Erdmagnetfeld
Sonnenwind =
Teilchen (Protonen, Elektronen, He-Kerne)
von der Sonne
20
Polarlicht
(Aurora Borealis,
Aurora Australis)
Experimentalphysik I/II für Studierende der Biologie und Zahnmedizin
Caren Hagner V5 15.01.2007
21
Polarlicht über der Erde (gesehen vom Space Shuttle Discovery)
Experimentalphysik I/II für Studierende der Biologie und Zahnmedizin
Caren Hagner V5 15.01.2007
3.2.4 Magnetischer Dipol im Magnetfeld
a) Magnetisches Dipolmoment
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Kapitel 3: Magnetismus / 22
b) Leiterschleife (Dipol) in homogenem B-Feld
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Kapitel 3: Magnetismus / 23
c) Dipol in inhomogenem B-Feld
ein Eisen-Nagel
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Kapitel 3: Magnetismus / 24
Anwendung: Drehspulinstrument
Galvanometer
Anwendung: Elektromotor (Gleichstrom)
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Kapitel 3: Magnetismus / 25
Basteltipp:
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Kapitel 3: Magnetismus / 26
Weitere Beispiele für Gleichstrommotoren:
Scheibenläufermotor
Barlowsches Rad
Modell
Einsatzgebiet z.B. Elektrofahrzeuge
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Kapitel 3: Magnetismus / 27
3.3 Quellen des magnetischen Feldes
3.3.1 Feld einer bewegten Ladung
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: Magnetismus /
3.3.2 Feld eines stromführenden Leiters
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: Magnetismus /
a) Magnetfeld eines geraden Leiters (Länge 2a) im Abstand r:
b) Magnetfeld eines unendlich langen, geraden Leiters im Abstand r:
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Kapitel 3: Magnetismus /
Wiederholung:
Bewegung geladener Teilchen im Magnetfeld
Bahn bewegter Ladung im Magnetfeld:
  
v  B, B homogen
r

B homogen

B inhomogen
mv
qB
Magn. Dipol im Magnetfeld
𝐷 =𝜇×𝐵
𝐸𝑝𝑜𝑡 = −𝜇 ∙ 𝐵
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2010/2011
𝜇 =𝐼∙𝐴
𝐹= 𝜇𝛻 𝐵
Kapitel 3: Magnetismus /
Wiederholung:
Gesetz von Biot-Savart:
(Entstehung magnetischer Felder)
𝜇0
𝐵=
4𝜋
𝑑𝑙 × 𝑒𝑟
𝐼∙
𝑟2
Magnetfeld eines geraden Leiters:
𝜇0 𝐼
𝐵 𝑟 =
2𝜋𝑟
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2010/2011
Kapitel 3: Magnetismus /
32
c) Kraft zwischen zwei stromführenden Drähten
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Kapitel 3: Magnetismus /
Versuch: Messung der Kraft zwischen stromführenden Drähten
Strommessung
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Kapitel 3: Magnetismus /
3.3.5 Amperesches Gesetz
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Kapitel 3: Magnetismus /
Zusammenfassung: Integralsätze für statische elektrische und magnetische Felder
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Kapitel 3: Magnetismus /
3.3.6 Anwendungen des Ampereschen Gesetzes
a) Magnetfeld im Inneren eines leitenden Zylinders
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Kapitel 3: Magnetismus /
b) Magnetfeld im Inneren eines Solenoids
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Kapitel 3: Magnetismus /
CMS Solenoid (LHC Cern)
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Kapitel 3: Magnetismus /
c) Magnetfeld im Inneren eines toroidalen Solenoids
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Kapitel 3: Magnetismus /
3.4 Magnetische Felder in Materie
3.4.1 Der Magnetisierungsvektor
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Kapitel 3: Magnetismus /
3.4.2 Magnetisierung von Materie
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Kapitel 3: Magnetismus /
3.4.3 Magnetische Eigenschaften von Materialien


 
B  0 H  M
Magnetfeld in Materie:
 
H  j frei
 
M  jmag 
Oberflächenstrom
Länge


M   H




B  0 H  H  0   H


  0,   1
Paramagnetismus:   0,   1
Ferromagnetismus:   0,   1
Diamagnetismus:
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
 
 Hdl  I frei
C
  1 
induziertes Dipolmoment
permanentes Dipolmoment
permanente Dipolmomente
und Austauschwechselwirkung.
Kollektives Phänomen
Kapitel 3: Magnetismus /
3.4.3 Magnetische Eigenschaften von Materialien
a) Diamagnetismus
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pyrolytisches Graphit
Kapitel 3: Magnetismus /
Kraft auf diamagnetischen Körper in inhomogenem Feld:
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Kapitel 3: Magnetismus /
Diamagnetische Levitation:
Hochfeldlabor Nijmegen erzeugt Magnetfelder von 16T:
( Die mpeg movies und Erklärungen finden Sie unter http://www.ru.nl/hfml/research/levitation/diamagnetic/ )
Wassertropfen
Beispiele verschiedener „Diamagneten“,
die im starken Magnetfeld (16T)
schweben.
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Kapitel 3: Magnetismus /
b) Paramagnetismus
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Kapitel 3: Magnetismus /
c) Ferromagnetismus
Magnetisierung eines ultrdünnen Eisenfilms
(blau: aufwärts, rot: abwärts).
Aufgenommen mit Hilfe von
Synchrotronstrahlung (BESSY)
Magnetische Domänen (helle Flecke)
in der Filmstruktur einer Festplatte. (PTB)
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Kapitel 3: Magnetismus /
Zusammenhang zwischem M und H bei Ferromagneten:
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Kapitel 3: Magnetismus /
Versuch:
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: Magnetismus /
Versuch: Hörbarmachen von Barkhausen Sprüngen
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: Magnetismus /
d) Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: Magnetismus /
3.4.4 Integralsätze für Magnetfelder in Materie
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: Magnetismus /
Magnetfelder an Grenzflächen (Stetigkeitsverhalten):
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: Magnetismus /
Anwendung: Ringmagnet mit Luftspalt
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: Magnetismus /
Caren Hagner / PHYSIK 2 / Sommersemester 2015
Kapitel 3: Magnetismus /