Kapitel 9. Magnetostatik. 9.1 Feldstärke 9.2 Kraft auf Leiter 9.3 Felder durch Ströme 9.4 Materie im Magnetfeld

Transkript

1 Magnetostatik.1 Feldstärke.2 Kraft auf Leiter.3 Felder durch Ströme.4 Materie im Magnetfeld

2 Einführung Bedeutung: Technik: Generator, Elektromotor, Transformator, Radiowellen... Geologie: Erdmagnetfeld Biologie: einige Tiere sensitiv auf Erdmagnetfeld. (z.b. Meeresschildkröten) Lucretius (7 - v.chr): Steine aus Magnesia (Klein-Asien) Sie können andere Steine anziehen oder abstoßen. Sie verlieren Anziehungs- bzw. Abstoßungskraft bei starker Erwärmung Sie richten sich in eine bevorzugte Richtung (Nord-Süd) aus

3 Magnetit

4 Einführung Kompassnadel: N nach Norden zeigende Spitze: Nordpol S nach Süden zeigende Spitze: Südpol sollte doch eigentlich umgekehrt sein da gleichnamige Pole sich abstoßen... S N N S S N S N N S S N Magnetischer Südpol ungefähr beim geographischen Nordpol!

5 Das Erdmagnetfeld geographischer Nordpol magnetischer Südpol magnetischer Nordpol geographischer Südpol

6 Das Erdmagnetfeld Erdmagnetfeld verändert Position und polt sich manchmal um.. letzte Umpolung vor ca Jahren!!! Gesteine erinnern sich an frühere Magnetisierungen..

7 Erdmagnetfeld - online Erdmagnetfeld nicht rotations-symmetrisch um 2000 um 100 B Erde = T

8 Das Erdmagnetfeld wichtig für Abschirmung des Sonnenwindes Magnetosphäre Sonnenwind (später)

9 Lorentzkraft Auf bewegte Ladung im Magnetfeld wirkt Lorentzkraft: z y x Rechte Hand Regel für positive Ladungen

10 Magnetfelder auf Sonne

11 Magnetfelder auf Sonne

12 Konzept-Test a: Wasserstoffbombe Nordkorea detoniert oberirdisch eine Wasserstoffbombe Viele ionisierte Teilchen entstehen. Wo kann man Nordlichter sehen? (a) Am Nordpol (b) In Korea (c) Im Prinzip überall.

13 Van Allen Gürtel Geladene Teilchen von Sonne Nordpol Falle für Protonen: Innerer Gürtel Südpol Falle für Elektronen: Äußerer Gürtel

14 Nordlicht

15 Aurora Satellitenbeobachtung..am geographischen Südpol

16 Beispiele für Magnetfeldstärken Prozess Hirnrindenaktivität Kardiographische Felder Monitor im Abstand von 0.3m Erdmagnetfeld Fahrgastraum einer Straßen- oder S-Bahn Schwelle für messbare EKG Veränderung MR-Tomograph supraleitende Spulen Feldstärke B 50fT= T 100pT=10-10 T 1µT=10-6 T 50µT= T 80µT= T 0.1T <2T 10T

17 Kraft auf stromdurchflossenen Leiter Feldlinien stoßen sich ab: Beispiel: zwei Dipolmagnete Erhöhte Feldliniendichte Abstoßung stromdurchflossener Leiter Strom aus Ebene d.h. Elektronen in Ebene hinein Felder addieren sich äußeres Feld Kraft Felder kompensieren sich Feld des Leiters

18 Gleichstrommotor

19 Ein ganz einfacher Motor.

20 Nanomotor: 300 x dünner als Haar Aufgehängt auf vergoldetem Nanoröhrchen

21 Magnetfeld eines stromdurchfl. Leiters Jede bewegte Ladung (=Strom) ist von Magnetfeld umgeben Feldlinien kreisförmig Richtung: Rechte-Hand-Regel I Rechte- Hand- Regel B

22 Magnetfeld durch Hochspannungsleitung sind diese gefährlich?

23 Magnetische Spule

24 Der Solenoidmagnet 3 4 Integrationspfad 2 1

25 Toroidspule (ITER-Fusionsreaktor) Mensch M

26 ATLAS-Experiment (supraleitend) 20 m

27 Kraft zwischen zwei Drähten Wichtig für Definition der Stromstärke (Ampere) Strom in gleiche Richtung Strom in umgekehrte Richtung

28 Strom als Basiseinheit Strom ist eine der 7 Basiseinheiten des SI-Systems André-Marie Ampère ( ) Die Stromstärke I hat den Wert 1 A, wenn zwei im Abstand d = 1 m angeordnete parallele, geradlinige und unendliche lange Leiter mit vernachlässigbaren Querschnitt von dem gleichen Strom I durchflossen werden und pro l = 1 m Leiterlänge eine Kraft F = N aufeinander ausüben. I 1 =I 2 =1A 1m Richtung:elektrischer Strom hat Richtung der Feldstärke, also Richtung positiver Ladungen (Plus nach Minus) Merke: Bewegung der Elektronen im Leiter entgegengesetzt zur Stromrichtung

29 Konzepttest b: Magnetohydrodynamik Boot mit Magnetohydrodynamischen Antrieb: Salzwasserstrom In welche Richtung wirkt Kraft? (a) nach links oder rechts? (b) Nach vorne oder hinten? (c) nach oben?

30 Konzepttest c: Ampere sches Gesetz 4 Ströme mit identischem Betrag 5 verschiedene Linienintegrale a - e Ordnen Sie Bds nach der Größe ( klein zuletzt) (a) a,d,b,c,e (b) d,a,c,b,e (c) d,e,a,c,b Lösung: d: 4i a=c=e: 2i b: 0

31 Mikroskopisches Bild Alle statischen magnetischen Phänomene werden durch bewegte Ladungen verursacht (Ørsted 1820): Fläche A Kern v e - Strom I Hans Christian Ørsted ( ) Elektronen drehen sich um den Atomkern: magnetisches Moment m= Strom I x Fläche A

32 Paramagnetische Substanz Ohne Magnetfeld: Unausgerichtete magnetische Momente Starkes Magnetfeld: Ausgerichtete magnetische Momente Wechselwirkung untereinander vernachlässigbar sonst Ferromagnet

33 Diamagnetisches Schweben Diamagnetischer Graphit

34 Diamagnetisches Schweben

35 Supraleiter perfekter Diamagnet Meissner-Ochsenfeld-Effekt: T> T c : keine Supraleitung T< T c : Supraleitung Feldlinien werden aus Supraleiter herausgedrängt.

36 Supraleiter perfekter Diamagnet

37 .. Noch mehr schweben auch Früchte sind diamagnetisch Wasser!. Sehr hohes Feld nötig: 15 Tesla

38 selbst Tiere schweben noch können Menschen nicht schweben

39 Seltende Erden Alle Lanthanide chemisch ähnlich (Metalle) da Unterschiede in innenliegender f-schale letztes Elektron is nicht Valenzelektron! Aufbauschema der Elektronenhüllen: Lanthanium 57

40 Energieniveaus (schematisch) Lanthanide Maximal 2 Elektronen pro Orbital Auffüllen von unten

41 Ferromagnetismus parallele Spinausrichtung in Weiß schen Bezirken...bleibt nach Abschalten des äußeren Magnetfelds erhalten (magnetische Momente wechselwirken untereinander)

42 Elektronische Speichermedien Ziel: hohe Speicherdichte, kleine magnetische Bezirke Status: typische Festplatte: 100cm 2 ; 100GByte ~ bit 10-2 m 2 /10 12 bit=10-14 m 2 /bit Fläche von ca m 10-7 m pro bit Zur Zeit: mind Atome für 1 Bit notwendig

43 Grenzen der Magnetisierung MPI Stuttgart, März 2002 mittlerer Abstand zwischen Kobalt-Ketten nur 20 Å! Ziel: einzelne Atome als Speicher m

44 Magnetische Suszeptibilität χ m Diamagnetismus Paramagnetismus Ferromagnetismus Stickstoff Aluminium Eisen Wasser Platin Weicheisen Wismuth Pyrolytischer Graphit Supraleiter - 1 Paramagnetismus ist temperaturabhängig: χ m =C/T

45 Magnetische Flüssigkeit (Ferrit)

46 Kunstobjekt mit Ferrofluiden

47 Hysterese Remanenzfeld Sättigungserregung Koerzitiverregung Magnetische Erregung