E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 18. Vorlesung 21.06.2018 Barlow-Rad Heute: Telefon nach Bell - Materie im Magnetfeld: Dia-, Para-, Ferromagnetismus - Supraleitung - Faradaysches Induktionsgesetz - Lenzsche Regel 21.06.2018 https://xkcd.com/1949/ Prof. Dr. Jan Lipfert Jan.Lipfert@lmu.de Prof. Dr. Jan Lipfert 1
Evaluation der Veranstaltung Danke! Sie können den Evaluationsbogen auf Deutsch (oder Englisch) ausfüllen! Platz für Bemerkungen zu Vorlesung & Übung E2/E2p Wärmelehre und Elektromagnetismus Prof. Jan Lipfert! Namen des/der Tutors/-in! Fragen zur Vorlesung Mich würde insbesondere interessieren: - PINGO in der Vorlesung: gut/schlecht/behalten/weglassen/was kann besser? - Sollte es auch in den Tutorien PINGO Fragen geben? - Sollte die Veranstaltung gefilmt werden? Fragen zur Übung - Vorlesungfolien bzw. -anschrift am besten: komplett per Hand (Tafel) / Powerpoint + Handschriftliche Ergänzungen / komplett getippt? 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 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 2 + https://en.wikipedia.org/wiki/magnetic_field 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 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 https://en.wikipedia.org/wiki/ Edwin_Hall Edwin Hall (1855-1938) https://de.wikipedia.org/wiki/datei:hall_effect.png 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 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 https://en.wikipedia.org/wiki/ Hans_Christian_Ørsted Hans Christian Ørsted (1777 1851) + https://en.wikipedia.org/wiki/magnetic_field Rechte-Faust -Regel Magnetische Feldkonstante: µ 0 =4 10 7 N A 2 0 µ 0 = 1 c 2 https://en.wikipedia.org/wiki/ André-Marie_Ampère André-Marie Ampère (1775-1836) 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 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. https://de.wikipedia.org/wiki/ Jean-Baptiste_Biot Jean-Baptiste Biot (1774 1862) Spezialfall: Langer stromdurchflossener Leiter http://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ magnetisches-feld-spule/versuche/felderstromfuehrender-leiter B = µ 0I 2 r http://alchetron.com/ Felix-Savart-1116700-W Félix Savart (1791 1841) 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 6
Wiederholung: Stromdurchflossene Spule Feld in der Spule: B = µ 0I L N Innerhalb der Spule herrscht ein homogenes Magnetfeld! http://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/magnetisches-feld-spule/ versuche/felder-stromfuehrender-leiter Mit Eisenkern (oder allgemein mit Materie im Magnetfeld): 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 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 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 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 https://de.wikipedia.org/wiki/ 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 https://de.wikipedia.org/wiki/gasflasche https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ commons/4/40/ Horseshoe_magnet_by_Zureks.jpg 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 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 https://www.youtube.com/watch?v=a1vyb-o5i6e 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 10
Ferromagnetismus und Hysterese Nach Abschalten eines externen Magnetfeldes: Dia- und Paramagnetismus: Ferromagnetismus: Kompassnadelplatte & Magnet https://de.wikipedia.org/wiki/ Pierre-Ernest_Weiss Pierre Ernest Weiss (1865-1940) 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 11
Ferromagnetismus: Hysterese-Kurve https://www.geschichte.sachsen.de/ heinrich-barkhausen-5520.html?_pp= %7B%7D Heinrich Georg Barkhausen (1881-1956) Hysteresekurve Barkhausen Effekt 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 12
Supraleitung Supraleiter sind Materialien, deren elektrischer Widerstand beim Unterschreiten der sogenannten Sprungtemperatur (abrupt) auf null fällt. 1911 1986: Hochtemperatursupraleitung https://de.wikipedia.org/wiki/ Heike_Kamerlingh_Onnes Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) Nobelpreis 1913 Door meten tot weten ( Durch Messen zum Wissen ) 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 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. https://de.wikipedia.org/wiki/ Walther_Mei%C3%9Fner Walther Meisner (1882-1974) https://de.wikipedia.org/wiki/mei%c3%9fner-ochsenfeld-effekt https://de.wikipedia.org/wiki/mei%c3%9fner-ochsenfeld-effekt http://sjam4uphysics.pbworks.com/ w/page/38936723/superconductors Robert Ochsenfeld (1901-1993) Schwebender Supraleiter 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 14
BCS - Theorie Die BCS-Theorie ist eine Vielteilchentheorie zur Erklärung der Supraleitung in Metallen. https://physik.wissenstexte.de/supra_gross.htm https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1972/ 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 15
Atomare Ursachen des Magnetismus Bewegte Ladungen erzeugen ein Magnetfeld. Auch mikroskopisch erzeugen Elektronenbewegungen ein magnetisches Moment: 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 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! https://en.wikipedia.org/wiki/atomic_orbital#orbitals_table 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 17
Spin Elektronen und andere Elementarteilchen besitzen einen intrinsischen Drehimpuls und ein intrinsisches magnetisches Moment: Spin. 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 18
(Elektrische) Induktion https://de.wikipedia.org/wiki/kochfeld http://wikis.zum.de/zum/images/thumb/1/13/turbine_im_kraftwerk_staudinger_gro %C3%9Fkrotzenburg.jpg/300px-Turbine_im_Kraftwerk_Staudinger_Gro %C3%9Fkrotzenburg.jpg https://de.wikipedia.org/wiki/fahrraddynamo https://de.wikipedia.org/wiki/windpark https://de.wikipedia.org/wiki/elektrischer_generator 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 19
Magnetischer Fluss Der magnetische Fluß Φ B lässt sich analog zum elektrischen Fluss definieren: Ebene Fläche: Allgemein: 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 20
Das Induktionsgesetz Eine Änderungen des magnetischen Flusses Φ B erzeugt eine Spannung (Induktionsgesetz, Michael Faraday, 1831) Induktion in Spule, Kompassgenerator, Schütteltaschenlampe 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 21
PINGO: Die Lenzsche Regel Wir lassen einen (kreisförmigen) Permanentmagneten an einem Kupferrohr entlang fallen. Der Magnet... Abstimmen unter pingo.upb.de! A) Bleibt im Rohr stecken / klebt fest. B) Schwebt langsam nach unten. C) Fällt ungehindert durch das Rohr. Magnet um Kupferrohr 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 22
Die Lenzsche Regel Welche Richtung hat der induzierte Strom? Lenzsche Regel: Der induzierte Strom erzeugt ein Magnetfeld, das dem ursprünglichen Magnetfeld (also dem induzierenden Magnetfeld) entgegenwirkt. Wirbelstrombremse https://de.wikipedia.org/wiki/emil_lenz Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 23
Induktivität Induktivität bezeichnet die Eigenschaft eines Leiters (bzw. Spule) aufgrund einer Änderung des elektrischen Stromes ein Magnetfeld aufzubauen, das eben dieser Stromänderung entgegenwirkt. https://de.wikipedia.org/wiki/ Joseph_Henry Joseph Henry (1797-1878) http://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/magnetischesfeld-spule/versuche/felder-stromfuehrender-leiter 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 24
Spule Magnetfeld und Induktivität http://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/magnetischesfeld-spule/versuche/felder-stromfuehrender-leiter t Selbstinduktion 500 H Spule mit Glüh- und Glimmlampe 21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 25