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
3. Magnetische Phänomene 3.1. Navigation, Magnetfelder Ein Dipolfeld, das zur Navigation benutzt wird. B ~ 50 Tesla Richtung (Norden) und Inklination
Tauben finden zu ihrem Schlag zurück http://www.youtube.com/watch?v=q7o4mymu7mk
Erste Experimente zum Magnetsinn
Auch blinde Tauben finden (fast) nach Hause
Lokale Anomalien (z.b. Eisenerz) geben genaueres Bild
Tauben werden von solchen Gesteinen beeinflusst
Daraus kann man auf die Sensitivität schliessen Sensitivity ~ 100nT!!
Konditionierung des Magnetsinns von Tauben im Experiment Futterwahl durch Magnetfeld beeinflusst
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)
Viele Bakterien mit verschiedenen Magnetosomen Teichen sind ziemlich monodispers
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
Evolutionärer Vorteil in Schlammbakterien nur nord Sucher beide nur süd Sucher Nordhemisphäre Aequator Südhemisphäre Bacterien schwimmen entlang den Feld-linien
Gibt es magnetische Monopole? A B C D Ja Nein weiss nicht wahrscheinlich nicht
Woher kommen Magnetfelder? Es gibt keine Quellen! Darum folgt aus dem Satz von Gauss: div B = 0
Ströme machen Magnetfelder die örtliche Änderung des Magnetfeldes ist durch die Stromdichte bestimmt
Allgemein: Die Zirkulation des Magnetfeldes ist durch den Strom gegeben
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
Elementarmagnete in Materialien Orientierung bei tiefen Temperaturen
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
Magnetfelder üben eine Kraft auf einen Strom aus Lorentz-Kraft Betrag der Kraft gegeben durch F = qvb oder bei einem Strom: F = IBL
In welche Richtung werden die Elektronen abgelenkt? A B C D E Rechts Links gar nicht Vorne Hinten
3.2. Massenspektrometrie Beschleunigung im E-Feld Ablenkung im B-Feld
Massenspektrometrie Auflösung von geladenen kleinen Molekulen mit sehr hoher Genauigkeit und Separation
Drift distance d Beschleunigung: Schnelligkeit Flugzeit typischesmaldi TOF Spektrum Geht bis etwa M ~ 300000
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
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
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.
Wieviele Spins werden ausgerichtet? A Alle B etwa 10% C etwa 1 Tausenstel D etwa 1 Millionstel E etwa 10
Allerdings ist die Orientierung nicht stark und durch die Temperatur begrenzt Im Mittel sind ausgerichtet Das ergibt eine Magnetisierung von mit
Absorptions-Spektroskopie Absorption signal
Gepulste NMR Effizienter als Absorptions-Experimente Fourier Zerlegung des Zerfalls der Magnetisierung (FID) Ideales FID = nur eine Präzessionsfrequenz Pick up coil
echtes FID = Überlagerung verschiedener Frequenzen durch chemische Verschiebung 31 P NMR FT
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
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
Welche räumliche Auflösung erwarten Sie aufgrund der Wellenlänge für MRI A B C 1 m 1 mm 1 m
Ein Gradientenfeld wird angelegt, so dass verschiedene Positionen unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben Resonanz nur an einer Stelle nur dort werden Spins geflipt
Wir betrachten nun die x-y Ebene dieser Schicht. Hier müssen wir noch Koordinaten haben
Kurzzeitig wird ein Gradientenfeld in y- Richtung angelegt. Die Dauer dieses Pulses ergibt verschiedene Phasen
Schliesslich wird noch ein Gradientenfeld in der x-richtung angelegt, dies ergibt verschiedene Frequenzen im FID der gemessen wird.
Magnetisierung Beispiel: vier Wasserstoff-Kerne an vier verschiedenen Orten 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5 Punkt 1 Punkt 2 Punkt 3 Punkt 4 Summe -4.0 0 5 10 15 20 25 30 Zeit y oder Phase Die gemessene Zeitabhängigkeit ist die überlagerung aller Oszillationen x oder
Die zeitlichen Informationen des FID und der Pulslänge des phasenbestimmenden Pulses ergeben ein zweidimensionales Bild für die betrachtete Schicht
3.4. Induktion: zeitlich veränderliche Magnetfelder geben elektrische Spannungen
So wird in einem Dynamo Strom erzeugt
Selbstinduktion einer Spule Stromänderung ergibt eine Spannung