Magnetismus. Prof. DI Michael Steiner

Transkript

1 Magnetismus Prof. DI Michael Steiner

2 Magnetismus Natürlicher Künstlicher Magneteisenstein Magnetit Permanentmagnete Stabmagnet Ringmagnet Hufeisenmagnet Magnetnadel Temporäre Magnete Elektromagnet

3 Magnetismus Das Magnetfeld wird durch kleine Kreisströme im Inneren des Magneten verursacht. Die Magnetfelder der Kreisströme werden als Elementarmagnete bezeichnet.

4 Weißsche Bezirke (Domänen) Magnetismus Weißsche Bezirke sind Bereiche innerhalb eines ferromagnetischen Materials, in denen die Elektronenspins, die Elementarmagnete der Materie, parallel ausgerichtet sind. Es ist möglich, in Experimenten diese Bereiche zu untersuchen und ihre Existenz zu beweisen. Wird das ferromagnetische Material (z.b. Eisen) magnetisiert, so verschmelzen verschiedene Weißsche Bezirke und die Elementarmagnete richten sich alle parallel aus. Dadurch sind dann von außen magnetische Kräfte messbar. Benannt sind die Weißschen Bezirke nach dem Physiker Pierre-Ernest Weiss.

5 Magnetismus Ferromagnetismus (von lateinisch ferrum Eisen ) ist die bekannteste Art des Magnetismus' von Festkörpern. Sie wird dadurch erklärt, dass die magnetischen Momente (Elementarmagnet) der Atome des Materials dazu neigen, sich parallel auszurichten. Ferromagneten erzeugen entweder selbst ein dauerhaftes Magnetfeld oder werden von einem Pol eines äußeren Magnetfelds stark angezogen. Ferromagnetische Materialien sind normalerweise Festkörper. Bekannte Anwendungen sind u. a. Dauermagnete, Elektromotoren, Transformatoren sowie die diversen Formen magnetischer Datenspeicher (Magnetband, Diskette, Festplattenlaufwerk). (Fe, Co, Ni u.a.)

6 Magnetismus Ferrimagnetismus unterscheidet sich vom Ferromagnetismus nicht in der Anordnung der Weiss-Bezirke, sondern durch die magnetische Ordnung der Elementarmagnete, die durch eine energetisch günstige Ausrichtung zustande kommt. Die Magnetisierungen zweier benachbarter Elementarmagneten heben sich teilweise auf, wodurch die Weiss-Bezirke deutlich schwächer magnetisiert sind. Das makroskopische Verhalten ist somit eine schwächere Form des Ferromagnetismus. Die am häufigsten genutzte Material-Gruppe mit ferrimagnetischen Eigenschaften sind Ferrite, die man sich als Magnetite vorstellen kann, bei denen das zweiwertige Eisen durch ein anderes zweiwertiges Metallion (z. B. Kupfer, Nickel, Zink, Magnesium, Mangan) oder Mischungen von diesen ersetzt ist

7 Magnetismus Diamagnetismus ist eine der Ausprägungsformen des Magnetismus in Materie. Diamagnetische Materialien entwickeln in einem externen Magnetfeld ein induziertes Magnetfeld in einer Richtung, die dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzt ist. Diamagnetische Materialien haben die Tendenz, aus einem inhomogenen Magnetfeld herauszuwandern. Ohne äußeres Magnetfeld haben diamagnetische Materialien kein eigenes Magnetfeld, sie sind nichtmagnetisch. (Cu, Ag, Au, Hg, Pb u.a.)

8 Magnetismus Paramagnetismus ist eine der Ausprägungsformen des Magnetismus in Materie. Wie der Diamagnetismus beschreibt er das magnetische Verhalten eines Materials, das einem externen Magnetfeld ausgesetzt ist. Paramagneten folgen in ihrer Magnetisierung dem äußeren Feld, so dass das Magnetfeld in ihrem Inneren stärker ist als außerhalb. Paramagnetische Materialien haben dadurch die Tendenz, in ein Magnetfeld hineingezogen zu werden. Ohne ein äußeres Magnetfeld zeigen paramagnetische Materialien keine magnetische Ordnung (Na, K, Mg, Al, Sn, Pt u.a.)

9 Magnetismus

10 Magnetfeld

11 Magnetfeld Darstellung

12 Magnetfeld Darstellung

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25 Erdmagnetfeld

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31 Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters

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34 Magnetfeld Physikalische Größen Die Durchflutung Fließt elektrischer Strom I durch eine Leiterschleife, so entsteht um den Leiter herum ein konzentrisches Magnetfeld. Die Durchflutung hat als Formelzeichen Θ Theta (griech. Großbuchstabe). Die Einheit der Durchflutung wird in Ampere angegeben. Im Elektromaschinenbau werden teilweise Amperewindungen Aw zur Benennung der Durchflutung verwendet. Die Durchflutung wird auch magnetische Spannung genannt: Θ = I N in Ampere. Die Durchflutung ist die Ursache eines vom elektrischen Strom erzeugten magnetischen Flusses.

35 Magnetfeld Physikalische Größen Die magnetische Feldstärke Die Kraft des Magnetfeldes kann zum Beispiel in der Mitte des Ringleiters gemessen werden. Wird bei konstant bleibender Durchflutung der Durchmesser des Leiterringes verkleinert, dann liegen die Magnetfeldlinien näher beieinander. In der Ringmitte ist dann eine höhere Feldstärke messbar. Zur Berechnung nimmt man eine mittlere Feldlinienlänge l m an. Die magnetische Feldstärke hat das Formelzeichen H und wird in A/m angegeben.

36 Magnetfeld Physikalische Größen Magnetischer Fluss Der magnetische Fluss wird von der Zahl aller Feldlinien eines Permanent- oder Elektromagneten bestimmt. Das Formelzeichen ist Φ Phi (griech. Großbuchstabe) in der Einheit V s. Gleichberechtigt kann auch Weber als Maßeinheit Wb zu Ehren des Physikers Weberverwendet werden.. Das Formelzeichen ist Φ Phi (griech. Großbuchstabe) in der Einheit V s.

37 Magnetfeld Physikalische Größen Magnetische Flussdichte Die Feldliniendichte ist die Zahl der Magnetfeldlinien, die senkrecht durch eine bestimmte Fläche gehen. Auf eine Flächeneinheit bezogen ist im homogenen Feld die magnetische Flussdichte gleich dem magnetischen Fluss. Das Formelzeichen ist B, mit der Einheit V s/m 2 oder Tesla T, zu Ehren des Physikers Tesla. Die magnetische Flussdichte B des homogenen Feldes ist direkt proportional zur magnetischen Feldstärke H. Die Proportionalitätskonstante ist μo, eine der Naturkonstanten. Sie wird magnetische Feldkonstante oder magnetische Induktionskonstante genannt. Das Formelzeichen ist B in der Einheit V s/m 2.

38 Magnetfeld Physikalische Größen Die Permeabilität Bringt man bei konstanter Magnetfeldstärke unterschiedliche Werkstoffe in eine stromdurchflossene Leiterschleife ein, stellt man vom Material abhängige unterschiedliche magnetische Flussdichten fest. Die Permeabilität oder Durchlässigkeit der Werkstoffe kann für die Magnetfeldlinien stärker oder schwächer ausgeprägt sein. Die Messung der Flussdichte ist dazu proportional. Diese besondere magnetische Eigenschaft der Werkstoffe wird durch die relative Permeabilität μr charakterisiert. Die Permeabilität eines Werkstoffes ist nicht konstant. Sie hängt von der magnetischen Feldstärke ab und strebt meistens einem Sättigungswert zu. Die Permeabilitätszahl μr eines Stoffes gibt an, wie viel Mal größer die magnetische Flussdichte B gegenüber Vakuum oder Luft bei gleicher Durchflutung Θ ist. Die Permeabilität μ ist das Produkt aus der magnetischen Feldkonstante µo ( 4π.10-7 Vs/Am) und einer dimensionslosen Permeabilitätszahl µr. Es gilt: μ = μo μr µo = 4π.10-7 Vs/Am

39 Magnetfeld Kraftwirkung Strom einschalten

40 Magnetfeld Kraftwirkung- Lorentzkraft Strom ausschalten

41 Magnetfeld Kraftwirkung- Lorentzkraft Merke: Lorentzkraft Linke Hand

42 Magnetfeld Induktion

43 Magnetfeld Induktion

44 Magnetfeld Induktion

45 Magnetfeld Induktion

46 Magnetfeld Induktion

47 Magnetfeld Physikalische Größen

48 Magnetfeld Physikalische Größen

49 Magnetfeld Physikalische Größen

50 Magnetfeld einer Spule Induktivität

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