Magnetismus - Einführung

Transkript

1 Magnetismus

2 Magnetismus - Einführung Bedeutung: Technik:Generator, Elektromotor, Transformator, Radiowellen... Geologie: Erdmagnetfeld Biologie: Tiere sensitiv auf Erdmagnetfeld (z.b. Meeresschildkröten) Lucretius (97-99 v.chr): Steine aus Magnesia (Klein-Asien) Sie können andere Steine anziehen oder abstoßen. Sie verlieren ihre Anziehungs- bzw. Abstoßungskraft bei starker Erwärmung. Sie richten sich in eine bevorzugte Richtung (Nord-Süd) aus. Kompassnadel N nach Norden zeigende Spitze: Nordpol S nach Süden zeigende Spitze: Südpol sollte doch eigentlich umgekehrt sein da... gleichnamige Pole sich abstoßen und ungleichnamige Pole sich anziehen N S S N N S N S S N S N S N N Magnetischer Südpol liegt ungefähr beim geographischen Nordpol! S

3 Das Erdmagnetfeld Erdmagnetfeld verändert Position und polt sich um letzte Umpolung vor ca Jahren Tiere sensitiv auf Erdmagnetfeld (z.b. Meeresschildkröten) wichtig für Abschirmung des Sonnenwindes

4 Das Erdmagnetfeld Erdmagnetfeld nicht rotations-symmetrisch Erdmagnetfeld ändert sich auch auf kürzeren Zeitskalen um 2000 um 1900 Feld in nt B Erde = T

5 Das Erdmagnetfeld Experimente versuchen, die Entstehung zu simulieren In rotierenden Aufbauten wird flüssiges Metall (e.g. Natrium) mittels Pumpen zirkuliert, dabei entsteht spontan ein Magnetfeld Noch nicht demonstriert: Spontane Erzeugung Zirkulation des flüssigen Metalls

6 Das Magnetfeld Phänomenologie Fragestellungen: Welche beobachtbaren Effekte belegen die Existenz eines weitern, vom elektrischen Feld zu unterscheidenden magnetischen Feldes? In welcher Beziehung stehen elektrisches und magnetisches Feld zueinander? Was ist die Rolle von elektrischen und hypothetischen magnetischen" Ladungen?

7 Das Magnetfeld makroskopische Effekte Es existieren Objekte welche, obwohl nicht elektrisch geladen, Kräfte aufeinander ausüben. Dabei kann man insbesondere unterscheiden zwischen Magneten zwei gleichartige Magneten üben stets Kräfte aufeinander aus es existieren zwei Pole, die wir mit Nordpol und Südpol bezeichnen gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige Pole ziehen sich an auf der der Erdoberfläche wirken ebenfalls Kräfte auf jeden einzelnen Magneten. Daraus schließen wir, dass die Erde ebenfalls ein Magnet ist S N N S N S S N S N S N N S

8 Das Magnetfeld makroskopische Effekte Andere magnetische Materialien zwei gleichartige Stücke solcher Materialien üben im Allgemeinen keine Kräfte aufeinander aus. es gibt eine Kraft zwischen einem solchen Material und einem Magneten man unterscheidet weiter zwischen Diamagnetischen Materialien werden von Magneten abgestoßen Paramagnetischen Materialien werden von Magneten angezogen Ferromagnetischen Materialien werden ebenfalls von Magneten angezogen Anziehung im Allgemeinem stärker als bei Paramagneten Es gibt Gedächtniseffekte (Hysterese) Können sich in Magnete umwandeln...

9 Das Magnetfeld makroskopische Effekte Elektromagneten In der Umgebung eines stromführenden Leiters wirken Kräfte auf Magnete und magnetische Materialien In der Umgebung eines Magneten wirkt eine Kraft auf einen Stromführenden Leiter R dr r r da r B r

10 Das Magnetfeld Feldlinien Beschreibung magnetischer Wechselwirkungen durch Feldlinien Feldlinien sind geschlossene Kurven außen von N nach S, innen umgekehrt Dichte der Feldlinien Maß für Stärke des Feldes elektrischer magnetischer Dipol Feldlinien auch im Magnet! gleichgerichtete Feldlinien stoßen sich ab und versuchen sich zu verkürzen Da Feldlinien geschlossene Kurven sind, ist es nicht möglich isolierte S-Pole oder N-Pole ( Monopole ) zu erzeugen

11 Das Magnetfeld mikroskopische Effekte Auf bewegte Ladungen wirkt eine Kraft zusätzlich zur elektrischen Kraft. Diese wird der Existenz eines Magnetfeldes zugeschrieben. Unterscheidungsmerkmal: Elektrische Kraft hängt nicht von der Geschwindigkeit des Teilchens ab. Die magnetische Kraft sehr wohl! Diese neue Kraft ist die Lorentzkraft r r r F = q v B Kraft F steht senkrecht auf Bewegungsrichtung (v) der Ladung Q Kraft F steht senkrecht auf Magnetfeld B Rechte-Hand-Regel z y x r F Kraft r B Feld r Bewegungsrichtung v beachte: Kraft auf positive Ladung mit v r = Kraft auf negative Ladung mit v r

12 Ladungen im homogenen Magnetfeld F r L B r Lorentzkraft r r r F = q v B L d.h.: ist zu Beginn r v B r dann erfolgt wegen r r m dv = dp r = F dt r r = v B dt, Ladungen q bewegen sich (im einfachsten Fall) auf Kreisbahnen im homogenen Magnetfeld B stets nur eine Richtungsänderung, da r r r dv v, B

13 Ladungen im homogenen Magnetfeld Frage: Kreisbahnfrequenz?: Zentripetalkraft = Lorentzkraft F r L FL = q v B = q ω B L r L r, v = ωl L B r = F Z ' PETAL 2 m ωl rl = q ω L = m B Larmor- Frequenz Kreisfrequenz w L der Kreisbahn hängt nur von B und Verhältnis von Ladung q zur Masse m ab r L m = q v B

14 Ladungen im homogenen Magnetfeld Wird das Teilchen nicht senkrecht zu B eingeschossen, i.e. r r r v = v + v h B r L dann ergibt sich schraubenförmige Bahn. Dabei bestimmt r v den Radius r L v r die Ganghöhe h 2 der Schraubenbahn r L m = q v B π h = v T = v ω L

15 Ladungen im homogenen Magnetfeld

16 Kraft auf stromdurchflossenen Leiter In einem Leiter bewegen sich Elektronen mit der Driftgeschwindigkeit v D betrachte Leiterstück der Länge l auf jeden Ladungsträger wirkt Lorentzkraft l r r r FL = e vd B r r r r r r Gesamtkraft F = F = Anzahl der e e v B = N e v B ( ) ges L, i D D alle e ΔQ e N I L Strom I = = N = Δ t L / vd e v D r I L r r r r r Fges = e vd B Fge s = I L B e v L v D D F r B r r r I L = I L

17 Magnetfelder Moderne Vorstellung Alle statischen magnetischen Phänomene werden durch bewegte Ladungen verursacht Ørsted (um 1820) Strom I Hans Christian Ørsted ( ) B r - Feld Leiter Elektronen drehen sich um den Atomkern ( Bahndrehimpuls ) und um sich selbst ( Spin ) diese Bewegung einer Ladung (e) erzeugt Magnetfeld bei einigen Materialien können diese Elementarmagnete durch ein äußeres Magnetfeld ausgerichtet werden Magnetisierung

18 Magnetfeld eines stromdurchfl. Leiters Jede bewegte Ladung (=Strom) ist von einem Magnetfeld umgeben μ magnetisches Feld (Ampère sches Gesetz) μ 0 : magnetische Feldkonstante Vakuumpermeabilität 7 N 6 0 = 4 π A V s A m B r r ds = μ0i Betrag des magnetischen Feldes eines stromdurchflossenen Leiters B Draht μ0 I = 2π r Feldlinien kreisförmig Richtung: Rechte-Hand-Regel V s [ B] = = T = Tesla 2 m 4 (früher : 1 Gauß( G) = 10 T ) B I Rechte- Hand- Regel

19 Magnetische Spule Magnetische Feldstärke im Inneren einer zylindrischen Spule im Vakuum r I n B = μ0 L I : Strom durchspule n : Zahl der Windungen L : Länge der Spule

20 Elektrostatik & Magnetostatik Elektrisches Feld einer Punktladung: ( ) E r Magnetisches Feld eines Drahtes: 1 q = 4πε r ( ) 0 B r Das Produkt aus den Feldkonstanten des elektrischen und magnetischen Feldes stehen über eine Naturkonstante in Verbindung N 1 10 A Elektrisches Feld : = 10 c ε 2 0 = 2 4πε 0 A c 4π N 7 N magnetisches Feld μ0 = 4 π 10 2 A 0 μ I = 2π r A N 1 ε = = c 4 π N A c μ0 4 π

21 Stärke von Magnetfeldern - Beispiele

22 Erdmagnetfeld ( ~ 30 µtesla = 0.3 Gauss)

23 Permanentmagnete (bis ~ 1 Tesla)

24 Supraleitende Magnete (bis ~ 20 Tesla)

25 Supraleitende Magnete (ITER TS model, 13 Tesla)

26 Resistive Bitter-Magnets (up to ~ 25 Tesla)

27 Resistive Bitter-Magnets (up to ~ 25 Tesla)

28 Magnetfelder kosmischer Objekte: Aus: Haken, Wolf; Atom- und Quantenphysik, Springer

29 Kosmische Magnetfelder (up ~10 11 Tesla!)

30 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