Magnetismus. Vorlesung 5: Magnetismus I

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1 Magnetismus Erzeugung eines Magnetfelds möglich durch: Kreisende Elektronen: Permanentmagnet Bewegte Ladung: Strom: Elektromagnet (Zeitlich veränderliches elektrisches Feld) Vorlesung 5: Magnetismus I SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 1

2 Magnetismus Versuch zu magnetischen Feldlinien Prinzip: Eisenfeilspäne richten sich im Magnetfeld aus SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 2

3 Beispiele magnetischer Felder: Feldlinien Prinzip: Eisenfeilspäne richten sich im Magnetfeld aus Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule Magnetfeld eines Stabmagneten (Permanentmagnet) Die magnetischen Feldlinien bilden immer Schleifen. Sie haben keinen Anfang und kein Ende. Sie sind immer geschlossen. SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 3

4 Ursache von Magnetfeldern Die Ursache eines Magnetfelds ist immer Bewegte elektrische Ladung Ein sich zeitlich veränderndes elektrisches Feld Magnetfeld um stromdurchflossenen Draht Magnetfeld um stromdurchflossenen Draht, der zu einer Schleife gebogen ist. SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 4

5 Ursache von Magnetfeldern Magnetfeld eines Elektrons erzeugt durch Eigendrehimpuls (Spin) des Elektrons. Mini-Kreisstrom Magnetfeld eines Protons (auch Neutrons, Atomkerns) erzeugt durch Eigendrehimpuls (Spin). Ausrichtung von Atomkernen im äußeren Magnetfeld kann zur Diagnose in der Medizin benutzt werden. NMR (nuclear magnetic resonance, Kernspinresonanz) Kern SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 5

6 Das Erdmagnetfeld SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 6

7 Das Erdmagnetfeld: Computersimulation SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 7

8 Das Erdmagnetfeld: Computersimulation SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 8

9 Die Wanderung des magnetischen Nordpols Das Magnetfeld der Erde kehrt sich alle Jahre um. Letzte Umpolung vor Jahren Umpolung überfällig SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 9

10 Kraft auf einen Stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld: Versuch Rechte-Hand Regel Java Applet: SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 10

11 Magnetische Kraftflussdichte B und magnetische Feldstärke H B r heißt magnetische Kraftflussdichte N 1Tesla = 1 A m Einheit: aus Kraft auf stromdurchflossenen Leiter: F = I l B B = F I l Größenordnungen: Erdmagnetfeld stärkstes Magnetfeld im Labor: Magnetfelder am Large Hadron Collider (LHC) Magnetfelder in Atomen Magnetfeld an der Oberfläche eines Neutronensterns ca 10-4 T=1G (Gauss) 45 T 8.3 T 10T ca 10 8 T SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 11

12 Magnetfeld um einen Draht Java Applet zum Erkunden eines Magnetfeldes um einen Leiter: rechte Hand Regel SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 12

13 Magnetfeld einer langgezogenen Spule SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 13

14 SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 14 Kraft auf ein elektrisch geladenes Teilchen im Magnetfeld: Lorentzkraft Magnetfeld im Bildebene hinein: Rechte-Hand Regel

15 SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 15 Bahn eines geladenen Teilchens im Magnetfeld 1. Fall: Geschwindigkeit des Teilchens senkrecht zum Magnetfeld: Kreisbahn 2. Fall: Geschwindigkeit des Teilchens schräg zum Magnetfeld: Schraubenlinie

16 Versuch: Fadenstrahlrohr 1. Fall: Geschwindigkeit des Teilchens senkrecht zum Magnetfeld: Kreisbahn 2. Fall: Geschwindigkeit des Teilchens schräg zum Magnetfeld: Schraubenlinie SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 16

17 Zusammenfassung Kraft auf ein geladenes Teilchen im Magnetfeld (Lorentzkraft) r F r r q v B = Richtung: Rechte-Hand Regel mit q Ladung des Teilchens mit v Geschwindigkeit des Teilchens mit B magnetische Kraftflussdichte Bahn eines geladenen Teilchens im Magnetfeld v senkrecht zu B: Kreisbahn v nicht senkrecht zu B: Spiralbahn Kraft auf stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld r r r F = I l B mit I Stromstärke mit l Länge des Leiters im Magnetfeld mit B magnetische Kraftflussdichte SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 17

18 Beispiele Erdmagnetfeld schützt vor kosmischer Strahlung: magnetische Flasche Polarlichter SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 18

19 SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 19

20 SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 20

21 SS 2009 Steinbrück: Physik I/II 21

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