E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 18. Vorlesung

Transkript

1 E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 18. Vorlesung Barlow-Rad Heute: Telefon nach Bell - Materie im Magnetfeld: Dia-, Para-, Ferromagnetismus - Supraleitung - Faradaysches Induktionsgesetz - Lenzsche Regel Prof. Dr. Jan Lipfert Jan.Lipfert@lmu.de Prof. Dr. Jan Lipfert 1

2 Wiederholung: Konsequenzen der Kraft auf bewegte Ladungen im Magnetfeld Kraft auf Stromdurchflossener Leiter in Magnetfeld - + F~ ges = I( L ~ B) ~ Kräfte zwischen zwei Leitern Feld von 2 bei 1 Paralleler Strom: In die Tafel Antiparalleler Strom: Aus der Tafel Feld von 2 bei 1 - Draht 1: Draht 2: Feld von 1 bei 2 Feld von 1 bei Prof. Dr. Jan Lipfert 2

3 Wiederholung: Hall Effekt Elektronen im stromdurchflossener Leiter in Magnetfeld erfahren eine Kraft: U Hall = 1 en I B d U Hall = Hallspannung I = Strom B = Magnetfeld d = Dicke der Probe e = Ladung der Ladungsträger n = Dichte der Ladungsträger Edwin_Hall Edwin Hall ( ) Prof. Dr. Jan Lipfert 3

4 Wiederholung: Elektrischer Strom als Ursache des Magnetfelds Bewegte elektrische Ladungen (Ströme) erzeugen ein magnetisches Feld B. - I ~B ~dr = µ 0 I ein Ampèresches Gesetz Hans_Christian_Ørsted Hans Christian Ørsted ( ) + Rechte-Faust -Regel Magnetische Feldkonstante: µ 0 = N A 2 0 µ 0 = 1 c 2 André-Marie_Ampère André-Marie Ampère ( ) Prof. Dr. Jan Lipfert 4

5 Wiederholung: Gesetz von Biot-Savart Das durch einen Strom I erzeugte magnetische Feld db an einem Punkt r ist durch das Biot-Savart Gesetz gegeben. Jean-Baptiste_Biot Jean-Baptiste Biot ( ) Spezialfall: Langer stromdurchflossener Leiter magnetisches-feld-spule/versuche/felderstromfuehrender-leiter B = µ 0I 2 r Felix-Savart W Félix Savart ( ) Prof. Dr. Jan Lipfert 5

6 Wiederholung: Stromdurchflossene Spule Feld in der Spule: B = µ 0I L N Innerhalb der Spule herrscht ein homogenes Magnetfeld! versuche/felder-stromfuehrender-leiter Mit Eisenkern (oder allgemein mit Materie im Magnetfeld): Prof. Dr. Jan Lipfert 6

7 Materie im Magnetfeld Ähnlich wie Dielektrika elektrische Felder ändern, beeinflusst Materie auch magnetische Felder: ~H ~M(= ~ J) Feld durch freie Ströme ( magnetische Feldstärke oder magnetische Erregung ) Magnetisierung (magnetisches Moment pro Volumen) magnetische Suszeptibilität µ(= µ rel ) (relative) Permeabilität Prof. Dr. Jan Lipfert 7

8 Materie im Magnetfeld Nach ihrem Verhalten in Magnetfeldern unterscheidet man diamagnetische, paramagnetische und ferromagnetische Materialien. µ Permeabilität Suszeptibilität Diamagnetismus B-Feld in Materie kleiner Stoffe ohne ungepaarte Elektronen Tropfen-Fotografie Paramagnetismus B-Feld in Materie etwas größer Stoffe mit ungepaarten Elektronen Ferromagnetismus B-Feld in Materie deutlich größer Stoffe mit ungepaarten Elektronen, die wechselwirken commons/4/40/ Horseshoe_magnet_by_Zureks.jpg Prof. Dr. Jan Lipfert 8

9 Materie in inhomogenem Magnetfeld Diamagnet: induzierte Dipolmomente sind dem äußeren Feld entgegengesetzt. Diamagnete werden aus dem Feld hinausgedrängt, bewegen sich in Richtung niedrigerer Feldstärke. Paramagnet: Bereits vorhandene Dipolmomente werden in Feldrichtung ausgerichtet. Paramagnete werden in das Magnetfeld hineingezogen, bewegen sich in Richtung höherer Feldstärke. Bismut- und Alukugel im inhomogenen Magnetfeld Video: Levitated frog Prof. Dr. Jan Lipfert 9

10 Ferromagnetismus und Hysterese Nach Abschalten eines externen Magnetfeldes: Dia- und Paramagnetismus: Ferromagnetismus: Kompassnadelplatte & Magnet Pierre-Ernest_Weiss Pierre Ernest Weiss ( ) Prof. Dr. Jan Lipfert 10

11 Ferromagnetismus: Hysterese-Kurve heinrich-barkhausen-5520.html?_pp= %7B%7D Heinrich Georg Barkhausen ( ) Hysteresekurve Barkhausen Effekt Prof. Dr. Jan Lipfert 11

12 Supraleitung Supraleiter sind Materialien, deren elektrischer Widerstand beim Unterschreiten der sogenannten Sprungtemperatur (abrupt) auf null fällt : Hochtemperatursupraleitung Heike_Kamerlingh_Onnes Heike Kamerlingh Onnes ( ) Nobelpreis 1913 Door meten tot weten ( Durch Messen zum Wissen ) Prof. Dr. Jan Lipfert 12

13 Der Meissner-Ochsenfeld Effekt Meißner-Ochsenfeld-Effekt: Supraleiter verdrängen ein äußeres magnetisches Feld vollständig aus ihrem Inneren (bis zu einer kritischen Feldstärke). Supraleiter sind also nicht nur idealer Leiter, sondern auch idealer Diamagnete. Walther_Mei%C3%9Fner Walther Meissner ( ) w/page/ /superconductors Robert Ochsenfeld ( ) Schwebender Supraleiter Prof. Dr. Jan Lipfert 13

14 BCS - Theorie Die BCS-Theorie ist eine Vielteilchentheorie zur Erklärung der Supraleitung in Metallen Prof. Dr. Jan Lipfert 14

15 Atomare Ursachen des Magnetismus Bewegte Ladungen erzeugen ein Magnetfeld. Auch mikroskopisch erzeugen Elektronenbewegungen ein magnetisches Moment: Prof. Dr. Jan Lipfert 15

16 Atomare Ursachen des Magnetismus, fort. Das magnetische (Bahn-)Moment µ Bahn definiert das Drehmoment und die Energie, die es in einem B-Feld erfährt. Verständnis der mikroskopischen Momente benötigt Quantenmechanik! Prof. Dr. Jan Lipfert 16

17 Spin Elektronen und andere Elementarteilchen besitzen einen intrinsischen Drehimpuls und ein intrinsisches magnetisches Moment: Spin Prof. Dr. Jan Lipfert 17