Ph Oberstufe Einführung Magnetismus. Phänomenologie:

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1 Ph Oberstufe Einführung Magnetismus Phänomenologie: o Es gibt natürliche Eisenmagnete o Kraft eindeutig von Gravitation und Elektrizität unterscheidbar (unabh. Ladung) o Zwei Magnete: Kraft anziehend und abstoßend o Pole N, S o Kraft auch auf nichtmagnetisches Eisen (sehr schwach Kobalt, Nickel): nur anziehend o Das unmagnetische Eisen wird dabei selber magnetisch o Bei längerer Verweildauer im Kraftfeld eines Magneten selber Magnet o Magnetismus wird durch Erschüttern, Erhitzen zerstört. o Mechanisches Teilen liefert zwei Magneten mit je N. S Pol o 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!

2 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.

3 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.

4 Lorentzkraft Kraftregel, Drehspule

5 Generatorprinzip Lenz sches Gesetz Trafo Generator