Vorlesung 4: Magnetismus

Transkript

1 Volesung 4: Magnetismus, Folien/Mateial zu Volesung auf: 1 WS 2016/17

2 Magnetismus: Vesuch zu magnetischen Feldlinien Pinzip: Eisenfeilspäne ichten sich im Magnetfeld aus 2

3 Magnetische Feldlinien Magnetfeld eine stomduchflossenen Spule Magnetfeld eines Stabmagneten (Pemanentmagnet) Die magnetischen Feldlinien bilden imme Schleifen. Sie haben keinen Anfang und kein Ende. Sie sind imme geschlossen. 3

4 Magnetismus: Usachen Ezeugung eines Magnetfelds möglich duch: Keisende Elektonen: Pemanentmagnet Bewegte elektische Ladung: Stom: Elektomagnet (Zeitlich veändeliches elektisches Feld) Magnetfeld im Pemanentmagneten: Übelageung de Magnetfelde viele Keisstöme Elektonenspin Elektonen in Atomhülle Magnetfeld um stomduchflossenen Daht Magnetfeld um stomduchflossenen Daht, de zu eine Schleife gebogen ist. 4

5 Magnetismus: Usachen Ezeugung eines Magnetfelds möglich duch: Keisende Elektonen: Pemanentmagnet Bewegte elektische Ladung: Stom: Elektomagnet (Zeitlich veändeliches elektisches Feld) Magnetfeld im Pemanentmagneten: Übelageung de Magnetfelde viele Keisstöme Elektonenspin Elektonen in Atomhülle Magnetfeld um stomduchflossenen Daht Magnetfeld B: µ 0 I B( ) = 2π Magnetische Feldkonstante µ : Pemeabilität des Vakuums µ = 4π T m A [B]=Tesla = 4π N A 2 5

6 Magnetismus: Usachen Elementae Magnetismus hat seine Usache in den magnetischen Momenten de Hüllenelektonen. 1) Beitag duch Keisstom de um den Ken keisenden Elektonen: Bahndehimpuls 2) Beitag vom Eigendehimpuls (Spin) des Elektons. Mini-Keisstom Dehung Makoskopische Magnetismus est, wenn sich Elementamagnete übe gößee Beeichein de gleichen Richtung ausichten. Magnetfeld eines Potons (auch Neutons, Atomkens) ezeugt duch Eigendehimpuls (Spin). Ausichtung von Atomkenen im äußeen Magnetfeld kann zu Diagnose in de Medizin benutzt weden. NMR (nuclea magnetic esonance, Kenspinesonanz) 6

7 Das Edmagnetfeld Im äußeen Ken de Ede viel flüssiges Eisen, Ionisation: Ladungstäge Konvektionsstöme bewegte Ladungen Magnetfeld 7

8 Das Edmagnetfeld: Computesimulation 8

9 Die Wandeung des magnetischen Nodpols Das Magnetfeld de Ede keht sich alle Jahe um. Letzte Umpolung vo Jahen Umpolung übefällig 9

10 Kaft auf einen stomduchflossenen Leite im Magnetfeld: Vesuch Magnetfelde haben eine Kaftwikung auf bewegte Ladungen. (Analog zu Kaft auf Ladungen duch elektische Felde) F = hie I ( l B) falls l Rechte-Hand Regel fü positive Ladungen: B F = I l B I : technische Stomichtung :Von " + " nach "-" B l, I F Java Applet: 10

11 Magnetische Kaftflussdichte B und magnetische Feldstäke H B heißt magnetische Kaftflußdichte N Einheit :1Tesla = 1 A m Einheit wid kla aus Kaft auf F = I l B B = F I l stomduchflossenen Leite : Gößenodnungen: Edmagnetfeld ca10-4 T=1G (Gauss) stäkstes Magnetfeld im Labo 45 T Magnetfelde am Lage Hadon Collide(LHC) 8.3 T Magnetfelde in Atomen 10 T Magnetfeld an de Obefläche eines Neutonenstens ca10 8 T 11

12 Magnetische Feldstäke H Von de magnetischen KaftflußdichteB zu untescheiden ist die magnetische Feldstäke H: Magnetische Feldstäke H 1 A H = B [ H] = µ µ m 0 0 mit µ : Absolute Pemittivität des Vakuums mit µ : Relative Pemittivität : Mateialkonstante R R z.b Eisen : µ R =

13 Magnetfeld um einen Daht B ) µ I = 2 π ( 0 echte Hand Regel B-Feld Java Applet zum Ekunden eines Magnetfeldes um einen Leite: 13

14 Magnetfeld eine langgezogenen Spule Länge l Anzahl Windungen N (hie 6) 1) Spule in Luft/Vakuum I N B innen = µ 0 = µ 0 I n l mit n : Windungsdichte 1) Mit Eisenken I N Binnen = µ 0µ R l N Beispiel: I = 1A, = =, l cm m 7 Tm 100 Binnen = 4π A A m µ = 1000 R = 0,13T 14

15 Magnetfeld im Bildebene hinein: Rechte-Hand Regel 15 Kaft auf ein geladenes Teilchen im Magnetfeld: Loentzkaft B v Q F v Q l t Q l I t Q I B l I F = = = = = Loentz- Kaft mit echte Hand Regel: Kaft imme senkecht auf v und B B v F B v Q F = Loentz- Kaft

16 Bahn eines geladenes Teilchen im Magnetfeld 1. Fall: Geschwindigkeit des Teilchens senkecht zum Magnetfeld: Keisbahn Ausgedehntes, homogenes Magnetfeld Käftegleichgewicht Teilchen bescheibt Keisbahn. 2. Fall: Geschwindigkeit des Teilchens schäg zum Magnetfeld: Schaubenlinie F = Q v B Loentz - Kaft QvB = mv R 2 F L mv R = Q B = Zentipetalkaft F Z 16

17 Vesuch: Fadenstahloh 1. Fall: Geschwindigkeit des Teilchens senkecht zum Magnetfeld: Keisbahn 2. Fall: Geschwindigkeit des Teilchens schäg zum Magnetfeld: Schaubenlinie 17

18 Zusammenfassung: Loentzkaft F = q v B mit q mit v mit B Ladung des Teilchens Geschwindigkeit des Teilchens magnetische Kaftflussdichte Richtung: Rechte-Hand Regel Bahn eines geladenen Teilchens im Magnetfeld v senkecht zu B: Keisbahn v nicht senkecht zu B: Spialbahn Kaft auf stomduchflossenen Leite im Magnetfeld F = I l B mit I Stomstäke mit l Länge des Leites im Magnetfeld mit B magnetische Kaftflussdichte 18

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20 Beispiel: Polalicht im Edmagnetfeld 20

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