Wo ist der magnetische Nordpol der Erde?

Transkript

1 Wo ist der magnetische Nordpol der Erde? A B C D am geographischen Nordpol am geographischen Südpol Nahe am geographischen Südpol Nahe am geographischen Nordpol

2 3. Magnetische Phänomene 3.1. Navigation, Magnetfelder Ein Dipolfeld, das zur Navigation benutzt wird. B ~ 50 Tesla Richtung (Norden) und Inklination

3 Tauben finden zu ihrem Schlag zurück

4 Erste Experimente zum Magnetsinn

5 Auch blinde Tauben finden (fast) nach Hause

6 Lokale Anomalien (z.b. Eisenerz) geben genaueres Bild

7 Tauben werden von solchen Gesteinen beeinflusst

8 Daraus kann man auf die Sensitivität schliessen Sensitivity ~ 100nT!!

9 Konditionierung des Magnetsinns von Tauben im Experiment Futterwahl durch Magnetfeld beeinflusst

10 Magnetische Kompassnadel als Detektor Magnetotaktische Bakterien R.Blakemore, Science 1975 Bakterien schwimmen zum Nordpol wegen Ketten von ferromagnetischen Teilchen ( Magnetosome ) Blakemore, Frankel, Scientific American 42, 245 (1981)

11 Viele Bakterien mit verschiedenen Magnetosomen Teichen sind ziemlich monodispers

12 Ein optimaler Kompass Superparamagnetic Single domain ferromagnetic Multidomain ferromagnetic Orientierung einer Kette von N Teilchen je mit einem magnetischen Moment M N=15 Néel Relaxations-Zeit (umdrehen von M) N=1 N MB/k B T

13 Evolutionärer Vorteil in Schlammbakterien nur nord Sucher beide nur süd Sucher Nordhemisphäre Aequator Südhemisphäre Bacterien schwimmen entlang den Feld-linien

14 Gibt es magnetische Monopole? A B C D Ja Nein weiss nicht wahrscheinlich nicht

15 Woher kommen Magnetfelder? Es gibt keine Quellen! Darum folgt aus dem Satz von Gauss: div B = 0

16 Ströme machen Magnetfelder die örtliche Änderung des Magnetfeldes ist durch die Stromdichte bestimmt

17 Allgemein: Die Zirkulation des Magnetfeldes ist durch den Strom gegeben

18 Was passiert mit den Kompassnadeln wenn die Richtung des Stroms umgedreht wird? A B C Nichts sie drehen sich um 90 Grad sie drehen sich um 180 Grad

19

20 Elementarmagnete in Materialien Orientierung bei tiefen Temperaturen

21 Mikroskopische Betrachtung: Elektronen Spins Spins entsprechen einem magnetischen (Dipol)moment deren Addition das gesamte Feld des Magneten ergibt: = eh/(4 m) Diese Momente entsprechen einem mikroskopischen Kreisstrom

22 Magnetfelder üben eine Kraft auf einen Strom aus Lorentz-Kraft Betrag der Kraft gegeben durch F = qvb oder bei einem Strom: F = IBL

23 In welche Richtung werden die Elektronen abgelenkt? A B C D E Rechts Links gar nicht Vorne Hinten

24 3.2. Massenspektrometrie Beschleunigung im E-Feld Ablenkung im B-Feld

25 Massenspektrometrie Auflösung von geladenen kleinen Molekulen mit sehr hoher Genauigkeit und Separation

26 Drift distance d Beschleunigung: Schnelligkeit Flugzeit typischesmaldi TOF Spektrum Geht bis etwa M ~

27 3.3. Kernspinresonanz: Auch Kerne haben ein magnetisches Moment B 0 z x B 1 y Larmorpräzession von L um B 0 Larmorpräzession um B 1 In einem externen Feld präzediert ein magnetisches Moment mit einer Feldabhängigen Frequenz

28 Die Präzessionsfrequenz ist unabhängig vom Anstell-Winkel Wird zusatzlich ein horizontales Feld B 1 angelegt, das mit der Frequenz L rotiert, Ergibt sich eine weitere Präzession um dieses Feld mit der Frequenz damit ändert sich der Anstell- Winkel

29 Bei der richtigen Dauer eines angelegten rotierenden Feldes konnen die Spins um einen bestimmten Winkel gedreht werden t B 1 Eine solche Möglichkeit ist eine Drehung um 90 Grad auch /2 Puls genannt. Nun präzediert das magnetische Moment in der x-y Ebene.

30 Wieviele Spins werden ausgerichtet? A Alle B etwa 10% C etwa 1 Tausenstel D etwa 1 Millionstel E etwa 10

31 Allerdings ist die Orientierung nicht stark und durch die Temperatur begrenzt Im Mittel sind ausgerichtet Das ergibt eine Magnetisierung von mit

32 Absorptions-Spektroskopie Absorption signal

33 Gepulste NMR Effizienter als Absorptions-Experimente Fourier Zerlegung des Zerfalls der Magnetisierung (FID) Ideales FID = nur eine Präzessionsfrequenz Pick up coil

34 echtes FID = Überlagerung verschiedener Frequenzen durch chemische Verschiebung 31 P NMR FT

35 Ursprung der chemischen Verschiebung: Vom Magnetfeld B 0 induzierte Kreisströme in den Elektronenhüllen der Atome ist abhängig von der Orientierung der Atome relativ zum Feld

36 MRI NMR wird auch zur Bildgebung verwendet hier kommt ein anderes Prinzip zum tragen, da die örtliche Auflösung nicht von den eingestrahlten Wellen kommen kann

37 Welche räumliche Auflösung erwarten Sie aufgrund der Wellenlänge für MRI A B C 1 m 1 mm 1 m

38 Ein Gradientenfeld wird angelegt, so dass verschiedene Positionen unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben Resonanz nur an einer Stelle nur dort werden Spins geflipt

39 Wir betrachten nun die x-y Ebene dieser Schicht. Hier müssen wir noch Koordinaten haben

40 Kurzzeitig wird ein Gradientenfeld in y- Richtung angelegt. Die Dauer dieses Pulses ergibt verschiedene Phasen

41 Schliesslich wird noch ein Gradientenfeld in der x-richtung angelegt, dies ergibt verschiedene Frequenzen im FID der gemessen wird.

42 Magnetisierung Beispiel: vier Wasserstoff-Kerne an vier verschiedenen Orten Punkt 1 Punkt 2 Punkt 3 Punkt 4 Summe Zeit y oder Phase Die gemessene Zeitabhängigkeit ist die überlagerung aller Oszillationen x oder

43 Die zeitlichen Informationen des FID und der Pulslänge des phasenbestimmenden Pulses ergeben ein zweidimensionales Bild für die betrachtete Schicht

44 3.4. Induktion: zeitlich veränderliche Magnetfelder geben elektrische Spannungen

45 So wird in einem Dynamo Strom erzeugt

46 Selbstinduktion einer Spule Stromänderung ergibt eine Spannung