Ph Oberstufe Einführung Magnetismus Phänomenologie: o Es gibt

Ph Oberstufe Einführung Magnetismus
Phänomenologie:
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Es gibt natürliche Eisenmagnete
Kraft eindeutig von Gravitation und Elektrizität unterscheidbar (unabh. Ladung)
Zwei Magnete: Kraft anziehend und abstoßend
→ Pole N, S
Kraft auch auf nichtmagnetisches Eisen (sehr schwach Kobalt, Nickel): nur anziehend
Das unmagnetische Eisen wird dabei selber magnetisch
Bei längerer Verweildauer im Kraftfeld eines Magneten selber Magnet
Magnetismus wird durch Erschüttern, Erhitzen zerstört.
Mechanisches Teilen liefert zwei Magneten mit je N. S Pol
Die Pole sind nicht trennbar (im Gegensatz zu den elektrischen Ladungspolen)
o Die Erde ist ein Magnet (aber im Innern kein riesiger Eisenmagnet): Skizze
Inklination, Deklination
o Proband ist eine Magnetnadel ( mit N, S Polen)
Skizze: Das Kraftfeld eines Stab- und U-Magneten
Orientierung N → S
EXP: Entscheidende Entdeckung 1819 H.Christian Örsted:
Stromführende Drähte sind magnetisch: Zylinderfeld ( ohne Pole )
Rechte Hand – Regel für die Orientierung
Stromführende Spulen haben ein dem Dauermagnetstab ähnliches externes Kraftfeld
→ Elektromagnetismus: regelbar
Magnetfeld durch Eisenkern bis bis zu verstärkbar (Kraftwandler)
Merkregel für die Polung
Kraftfeld im Innern einer Stromspule:
o annähernd homogen
o es gibt keine Pole !
Ursache des Magnetismus
Der Ferromagnetismus ist ein sekundäres Phänomen …
Hintergrund:
Bewegte Ladungen haben kein radialsymmetrisches Feld (relativistisches Phänomen).
Damit üben sie auf andere Ladungen eine in Richtung u. Stärke veränderte Kraft aus.
Diese Änderung interpretiert und behandelt man elegant als neue eigenständige Kraft.
Der Magnetismus ist ein Phänomen bewegter Ladungen.
Jede relativ (zu einem Beobachter) bewegte Ladung hat ein „magnetisches Moment“.
o Vorsicht: man darf sich das NICHT als kleine Stabmagneten vorstellen.
Eher Analogie zum Zylinderfeld eines Drahtes unter Strom: Feldorientierung !
o Auf atomarer Ebene sind diese magnetischen Momente ungeheuer stark.
Makroskopisch nullen sie sich aber i.a.
o Es ist i.a. nicht möglich, diese Momente parallel zu richten.
Praxis:
im MRT werden die Momente der Wasserstoffkerne durch extrem starke Felder parallel
ausgerichtet. Durch Radiostrahlung werden sie angeregt, in den chaotischen Normalzustand
zurück zu kippen. Dabei geben sie selber Strahlung ab.
In dichten Stoffen (Tumor!) geschieht das etwas langsamer als in dünnen.
Die zeitabhängigen Strahlungsmessungen in dünnen parallelen Körperschichten und in jeder
Schicht in vielen Richtungen liefern Daten, mit denen man mit Hilfe komplexer
mathematischer Berechungen ein 3D-Dichtebild erstellen und den Tumor millimetergenau
lokalisieren kann.
Erkenntnis: prinzipiell sind die Atomkerne und die Elektronen im Atom extrem starke
Magneten ( SPIN ).
Aber im Bestreben, eine möglichst niedrige Gesamtenergie zu erreichen, orden sie sich
chaotisch so an, dass sich die Effekte nullen. Der Körper ist makroskopisch unmagnetisch.
Ferromagnetismus
o Eisen ist das härteste Atom. Jedes Proton, Neutron ist mit 8,8 MeV im Kern gebunden.
Vgl.: im Heliumkern 7 MeV / Nukleon
o Eisen ist wie alle festen Stoffe mikroskopisch kristallin: Weiß´sche Bezirke
Aber nur bei Eisen zwingen die atomaren Kräfte den Elektronen in diesen kristallinen
Mikrobereichen parallele magnetische Momente auf.
o Die Weiß´schen Bezirke sind mikroskopische Magnete.
o Bei chaotischer Ausrichtung der Magnetmomente der Weiß-Bezirke liegt wieder ein
Potentialminimum vor. Das Eisenstück ist i.a. makroskopisch unmagnetisch.
o Diese Mikromomente lassen sich aber quantisiert in Stufen durch externe Magnetfelder
relativ leicht drehen und ausrichten.
Dabei „rasten“ sie mehr oder weniger in dieser Postion ein ….
o Vorsicht: das ist keine mechanische Drehung der Mikrokristalle.
EXP: dieses Einrasten und Zurückkippen kann man hörbar machen: Barkhausen-Effekt
Praxis
Moderne „Induktionsöfen“ arbeiten mit diesem Effekt (falscher Begriff)
Durch schnelle elektromagnetische Wechselfelder kippt man die magnetischen Momente der
Weißbezirke. Die zugeführte Energie wird letztlich in Wärme verwandelt.
Man braucht also Töpfe aus (billigem) Weicheisen.
Dauermagnete
Druch gezielten Einbau von Fremdatomen (Sauerstoff) in Eisen kann man die Momente
dauerhaft einrasten lassen. Die Ausrichtung erfolgt im Feld starker Elektromagneten.
Man kann auch die Weißbezirke trennen und im externen ausrichtenden Feld in eine
nichtmagnetische Matrix einbetten: z.B. Seifenmagnete.
Neodymmagnete
Neodym gehört zu den seltenen Erden ( Z = 60 )
In einer Mischung Neodym + Eisen + Bor liegen extrem starke magnetische Mikromomente
vor. Allerdings: spröde und empfindlich gegen Hitze.
Lorentzkraft
Kraftregel, Drehspule
Generatorprinzip
Lenz´sches Gesetz
Trafo
Generator