PN 2 Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker

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1 PN 2 Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker 4. Vorlesung Evelyn Plötz, Thomas Schmierer, Gunnar Spieß, Peter Gilch Lehrstuhl für BioMolekulare Optik Department für Physik Ludwig-Maximilians-Universität München

2 Erinnerung - Elektrischer Strom ist Ladungsfluss pro Zeit + R = U I Elektrischer Widerstand und Reibung Zusammenwirken von Widerständen Kondensator

3 Dielektrika

4 Nichtleiter zwischen Kondensatorplatten Nichtleiter bezeichnet man vornehm auch als Dielektrika! U Spannung U gemessen I U 0 Strom I gemessen Dielektrikum wird in Kondensator geschoben Ladung auf dem Kondensator konstant Angelegte Spannung am Kondensator konstant

5 Was passiert im Dielektrikum? U Zunächst (ohne Beweis) das elektrische Feld im Plattenkondensator Dielektrikum ohne permantes Dipolmoment Ohne Feld Q + Q - Q + Q - Positive und negative Ladungsschwerpunkte fallen zusammen!

6 Dielektrikum mit permantem Dipolmoment Ohne Feld Q + Q - Dipole isotrop verteilt, Felder der Dipole kompensieren sich! Experiment Ablenkung von Dielektrika-Strahlen durch elektrischer Felder

7 Dielektrizitätskonstante ε r und Polarisation P Die Abschwächung des elektrischen Feldes durch das Dielektrikum kann über die Dielektrizitätskonstante ε r beschrieben werden: Material Luft Cyclohexan Porzellan Ethanol Wasser ε r 1, , ,7 80 Q + Q - Die elektrische Polarisation P ist als Dipol pro Volumeneinheit definiert. Es gilt: Das polarisierte Dielektrikum stellt einen makroskopischen Dipol dar.

8 Dielektrizitätskonstante ε r und Lösungsmittel Flüssigkeiten mit hohem ε r schwächen elektrischer Felder stark ab! Sehr wichtig beim Verständnis von Lösungsvorgängen! Experiment Auflösen eines Salzes Coulomb-Kraft zwischen zwei Ionen im... Vakuum Wasser r F c = r 1 q1q2 2 r 4πε 0 r r F c = r 1 q1q2 2 r 4πε ε 0 r

9 Frequenz-Abhängigkeit von ε r Ein Kondensator mit Dielektrikum (mit Dipolen) wird ständig mit der Frequenz υ umgepolt! Ab einer Grenzfrequenz υ D kommen die Dipole nicht mehr hinterher!

10 Knall zwischendurch In einem geladenen Kondensator ist Energie W gespeichert. Diese errechnet sich aus der Spannung U und der Kapazität C: Elektrische Leistung: Integration liefert: Experiment Entladen eines Kondensators Kondensatorbank für magnetische Hochfeldexperimente (HU Berlin)

11 Magnetismus und Strom

12 Anziehende und abstoßende magnetische Kraft Gibt es zwei magnetische Ladungen? Experiment Kräfte zwischen Magneten Wie bei der Elektrostatik gibt es auch in der Magnetostatik Experiment Suche nach magnetischen Monopolen

13 Elektrische Strom als Ursache des Magnetfelds Experiment Kompass in Nähe eines stromdurchflossenen Leiters Experiment Feldlinienbild eines stromdurchflossenen Leiters Bewegte elektrische Ladungen (Ströme!) erzeugen ein magnetisches Feld B. Größe des magnetischen Feldes ergibt sich durch Integration des Biot-Savartschen Gesetzes. r db µ = 0 π 7 N µ 0 = 4π 10 2 A r Idl 4 r 2 r r r r Magnetische Feldkonstante Aus Tipler, Physik

14 SI-Einheit des Magnetfelds: [B] = Größe von Magnetfeldern 1 T = 4 Gauß NMR-Magnete bis zu ~ 20 T Erdfeld µt Permanent-Magnete bis zu ~ 1 T Neutronenstern ~ 10 8 T

15 Einige Spezialfälle Allgemein ist die Intergration des Biot-Savartschen Gesetzes sehr schwierig. Recht einfache Lösungen gibt es für wichtige Spezialfälle. Experiment Feldlinien Langer stromdurchflossener Leiter Stromdurchflossener Ring Feld entlang Achse x Magnetisches Moment

16 Stromdurchflossene Spule Feld in der Spule: Windungsdichte Innerhalb der Spule homogenes Magnetfeld extrem wichtig für viele Experimente

17 Kraftwirkung des magnetischen Feldes Lorentz-Kraft Eine (relativ) zum B-Feld ruhende Ladung q erfährt keine Kraft! Auf eine bewegte Ladung wirkt die Lorentz-Kraft: Homogenes Magnetfeld Experiment e/m mit dem Fadenstrahlrohr

18 Materie im Magnetfeld Ähnlich wie Materie (Dielektrika) elektrische Felder ändert beeinflusst Materie auch magnetische Felder. Die wichtigen drei Einflüsse sind: Diamagnetismus Paramagnetismus B-Feld in Materie kleiner B-Feld in Materie etwas größer Stoffe ohne ungepaarte Elektronen Stoffe mit ungepaarten Elektronen Ferromagnetismus B-Feld in Materie deutlich größer Stoffe mit ungepaarten Elektronen, die wechselwirken

19 Wenn der Magnetismus nicht mehr weg geht: Ferromagnetismus Bei diamagnetischen und paramagnetischen Substanzen verschwindet die Magnetisierung, wenn das äußere Feld verschwindet! Experiment Hysterese Bei Ferromagneten bleibt ein Feld zurück! (Ursache magnetische Domänen, Weißsche Bezirke)

20 Atomarer Magnetismus Ströme (also bewegte Ladungen) erzeugen ein Magnetfeld. In Atomen können Elektronen sich im quantenmechanischen Sinne auf Kreisbahnen bewegen mit dieser Bewegung ist ein magnetisches Moment verbunden! Bahnmagnetismus kann bei Elektronen in p,d,f, Orbitalen auftreten!

21 Auch ohne Drehbewegung gibt es Magnetismus: Der Spin Ein Elektron in einem s-orbital hat keinen Drehimpuls, dennoch kann ein magnetisches Moment beobachtet werden verursacht durch den Spin! Auch Atomkerne können ein Spin tragen Grundlage von NMR und Kernspintomographie

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