Magnetischer Dipol - Physik (Uni Würzburg)

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Einführung in die Physik II
für Studierende der Naturwissenschaften
und Zahnheilkunde
VL # 27, 30.06.2009
Vladimir Dyakonov
Experimentelle Physik VI
[email protected]
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Organisatorisches
• schriftliche Vordiplom-Klausur im SS 2009 für
Biologen, Biomediziner, Informatiker, LA etc. findet
immer noch am Samstag, den 26. September 2009
statt!!!!
• Klausuranmeldung über [email protected] Einführung - Dr.
Schutte am 14.07 und am 23.07
• Achtung: Anmeldungszeitraum 13.07.09-25.07.09
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Materie im Magnetfeld
• Dia• Para• Ferro-
Magnetische Dipole
-q
p (Dipolmoment)
+q
Elektrischer Dipol
Zwei Ladungen q im Abstand l
Dipolmoment p = q l
l
Magnetischer Dipol
Kreisstrom
Strom umschließt Fläche A (r2π)
A
A
I
magnetisches Dipolmoment
m=IA
Strom × F läche
Atomare magnetische Momente
Bohrsches Atommodell
Elektron kreist um Kern
Magnetisches Moment m = I A
Kreisendes Elektron mit Ladung e = Ladungstransport = Strom
I = Ladung/Zeit = e/T, wobei T Umlaufzeit des Elektrons
Klassische Berechnung
T=2πr/v – Umlaufzeit einer Umdrehung (Weg=2πr)
m=1/2evr=1/2evr × m/m = e/2m × L =
L=mvr - Drehimpuls
Quantenmechanik erlaubt nur bestimmte
Bahnen: ganzzahlige Vielfache L
= e/2m × nħ = nµB
µB= eħ/2m – Borsches Magneton (9.3 x 1024 Am2)
Oberflächenstrom
Magnetisches Moment
Elektronen laufen nicht nur auf Kreisbahnen, sonder drehen sich auch um
die eigene Achse (spin)
Spin kann als Kreisstrom aufgefasst werden
Magnetisches Dipolmoment mspin = µB Bohrsches Magneton
Wichtige Definitionen
Zwei verschiedene Gruppen von Strömen als
Quellen für magnetische Felder:
I. Freie Ströme durch makroskopischen Fluss freier
Ladungsträger (z.B. Elektromagnet):
Magnetische Feldstärke H (extern!)
II. Molekulare Ströme durch mikroskopische
Bewegung gebundener Ladungen (z.B. Atom):
Magnetisierung M (materialabhängig!)
Magnetfeld B, ergibt sich als Vektor-Summe:
B = µ0 (H + M)
µ0 = 4π × 10-7 Vs/Am: magnetische Feldkonstante
Magnetisierung M
B-Feld eines magnetischen Dipols und des Stabmagnets sind identisch
Wie und wie stark richten sich die magnetischen Dipole aus?
Diamagnetismus
Das Magnetfeld im Werkstoff wird geschwächt
Im magnetischen Feld werden
magnetische Momente induziert,
die zum äußeren Magnetfeld
entgegengesetzt gerichtet sind
(Lenzsche Regel)
Diamagnetismus
• Magnetfeldschwächung (kleiner Effekt)
• Existiert nur, wenn ein Magnetfeld anliegt
χ< 0
Beispiele:
• tritt in allen Stoffen auf (inkl. Edelgase) auch Si, Ge, Cu, Bi.
• wird häufig durch stärkere Effekte überlagert.
Paramagnetismus
Atome paramagnetischer Stoffe besitzen ein permanentes Dipolmoment
(paarweise ungesättigte Spins (= chem. Radikale)
Dipole sind aber ungeordnet, dass keine makroskopische Magnetisierung
beobachtbar ist
Anlegen eines Magnetfeldes: Ausrichtung der magnetischen Dipole
 Feldverstärkung
Para/ Diamagnetismus
• In einem paramagn. Material (Al) entsteht ein makroskopisches
magnetisches Dipolmoment, auf welches ein Drehmoment wirkt, bis
der Stab entlang der Feldlinien ausgerichtet ist.
• Bei einem Diamagneten (Bi) hat das Drehmoment das andere
Vorzeichen, die Stabenden werden von den nächstliegenden
Magnetpolen abgestoßen (immer!) und der Stab stellt sich senkrecht
zu den Feldlinien ein.
Para-und Diamagnet
Paramagnet
Diamagnet
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