Elektromagnetismus

Magnetismus in der Umwelt

Magnetfeld der Erde ->- wie bei el. Kraft wird magn. Kraft mittels Feldbegriff

beschrieben• Zugvögel orientieren sich danach – können also

Magnetfeld – magn. Kraft wahrnehmen• Magnetfeld schützt uns vor Sonnenwind• technische Geräte (Motoren, Lautsprecher,...)

Permanentmagnetismus

• Eigenschaften von Magneten:

- N-/S-Pol- gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige

ziehen sich an- Gegenstände aus Eisen, Nickel, Kobalt (-> ferro-

magnetische) werden angezogen- ein magn. Feld durchdringt nicht-ferromagn. Stoffe

weitere Eigenschaften

- Kraft eines Magneten an Polen am größten- Gegenstände aus Weicheisen sind

vorübergehend magnetisierbar...- ... Gegenstände aus Stahl dauerhaft- durch Erhitzen auf Rotglut können sie wieder

entmagnetisiert werden

Modell der Elementarmagneten

das magnetische Feld• sind im Gegensatz zu el. Feldlinien immer

geschlossen (haben also keinen Anfang bzw. Ende)• Richtung: Richtg., in die der N-Pol einer Mag.nadel

zeigt• Übereinkommen:

N-Pol zeigt zum geografischen N-Pol (-> magn. S-Pol)• _____________ / _____________

Der Elektromagnet

• Magnetismus und Elektrizität wurden lange alsunabhängige Gebiete der Physik betrachtet

• 1820 beobachtet Oersted, dass einstromdurchflossener Leiter eine Magnetnadelablenkt

• -> __________________________________________________________________

Oersted Experiment &Magnetfeld eines Leiters

magnetische Flußdichte

Einheit: 1 ______

B gibt die Stärke des Magnetfeldes an.Sie hängt ab von I und dem Abstandzum Draht

Magnetfeld einer Spule

Rechte Hand Regel

Magnetfeld einer Spule

B im Inneren der Spule fast homogen:

l...SpulenlängeN...Windungszahl

Der Elektromagnet

-> steckt man in das Innere einer Spule einenWeicheisenkern, wird dieser selbst zum Magneten undverstärkt so das Spulenfeld

B= 0. r.I.N/l

r...Permeabilität

Magnetisierungskurve

Rechenbeispiel

Durch eine Hochspannungsleitung fließt(insgesamt) ein Strom von 800 A. Berechnen Siedie (maximale) magnetische Flussdichte aufdem 4 m darunter liegenden Boden. VergleichenSie mit der mittleren Stärke desErdmagnetfeldes (ca. 5.10-5 T).0=4. .10-7 Tm/A

Theorie Magnetismus

Wie entstehen die Elementarmagneten?Entdeckung Oersteds ließen Ampere vermuten(und Bohr‘sches Atommodell legte nahe):

durch winzige ________________ in denAtomen (Bewegung der e- um Kern)

bzw.Experiment von Einstein und De-Haas ergibt:

durch _________________ (Quantenphysik)

(Elektronen) -Spin

Bez. für den ___________________,d.h. den Drehimpuls eines um einekörpereigene Achse rotierenden Körpers

Drehimpuls = Trägheitsmoment x Winkelgeschwindigk.

[-> beschreibt Impuls (m.v)für rotierenden Körper]

(Spin hat nur2 Zustände)

_____________________

- _____________________:in Bereichen von 106 bis 109 Atomen sind atomareKreisströme auch ohne äußeres Magn.feld parallel gerichtet ->______________ (bzw. Elementarmagn.)-> durch äußeres Magnetfeld leicht zu beeinflussen

- r = 1000 bis 200000 (________________ des Magn.feldes)

___________________

• param. Stoffe könnenäußeres Magn.feld________________

• Luft, Aluminium,Platin

• r ca. 1

___________________• bei allen Stoffen stellen sich die atomaren

Magnetfelder so ein, dass sie das äußere Feldzunächst _______________ (Gegenfeld).

• bei ferro- bzw. param. Stoffen wird dieser Effektallerdings überlagert

• deshalb nur beobachtbar bei Stoffen, bei denendieser Effekt nicht durch Para- oder Ferromagnet.überlagert wird: Wasser, Kupfer, Gold, Schwefel,...

• r < 1! –> Supraleiter ( r=-1), Levitation

Rechenbeispiel• Eine stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld, das in

seiner Struktur dem eines Stabmagneten entspricht. An denbeiden Enden der Spule befinden sich N- und S-Pol. Diemagnetische Flussdichte direkt an den Polen entspricht ungefährder im Inneren der Spule.

• Berechnen Sie die magnetische Flussdichte an den Polen.• Anschließend wird in die Spule ein Eisenkern (Weicheisen)

geschoben. Der Eisenkern verstärkt das Magnetfeld. Wie großist nun die magnetische Flussdichte an den Polen?

• Spule: Länge 8 cm, 800 Windungen, Stromstärke 0,6 A.• Permeabilität des Eisenkerns: 400.

Lorentzkraft

FL=I.B.ss

Kraft auf eine el. Ladung

Kraft zwischen Leitern

Beispiele

• Zirkularbeschleuniger:Lorentzkraft immer __________auf Bewegungsrichtungder Teilchen. Sie kann somit Teilchen nicht schnelleroder langsamer machen, aber in ihrer Richtung ändern!

• _______________=_____________ -> m.v²/r=Q.v.B ->r=m.v/(Q.B) (größerer Bahnradius bei größerem v) bzw.B=m.v/(Q.r)

• Bsp.:CERN

Beispiele• magnetische Flasche

bzw. Einfangengeladener Teilchenvom Sonnenwind durchErdmagnetfeld

• Lautsprecher

Beispiele

• Elektromotor:

Kommutator

Rechenbeispiel

• Zwei Hochspannungsleitungen verlaufen ineinem Abstand von 3 m parallel zueinander. Siewerden jeweils von 400 A Strom durchflossen.Wie groß ist die Kraft pro Meter Leiterlänge, mitder sich die beiden Leitungen anziehen?

Rechenbeispiel• Die magnetische Flussdichte eines Hufeisenmagneten soll

bestimmt werden. Dazu wird die Auslenkung einesstromdurchflossenen Leiters gemessen, der sich im homogenenFeld zwischen den Polen des Hufeisenmagneten befindet.

Induktion

Lenz‘sche Regelwird durch die Induktion Energie gewonnen?

-> Energieumwandlung: aus mechanischer wirdelektrische Energie -> ENERGIEERHALTUNG

allgemeines Induktionsgesetz• S.70 Abb. oben• U=B.l.v=B.l. s/ t=B. A/ t• Def.:magnetischer Fluss: =B.A• [ ] = 1 Weber (1 Wb)• ->

... allgemeines Induktionsgesetz

• -> Änderung von A oder B führen zu induzierterSpannung!

Bsp.: Sin – Spannung - Steckdose

U-t-Diagramm

Bsp.: Der Generator

Bsp.: Erdmagnetfeld• Magn.feld durch Ströme im äußeren Erdkern in 3000

km Tiefe• wären durch ohmschen Widerstand des aus Fe und Ni

bestehenden Kerns bald aufgebraucht• -> müssen durch eine Ind.spg. aufrecht gehalten

werden• wie bei Generator bewegt sich Leiter (flüssiges Fe)

durch Magnetfeld• -> Bewegung durch hohe T und daraus entstehender

Konvektion

Bsp.: Mikrofon,el.magn. Datenspeicher

Bsp.: Selbstinduktion

Anwendung: Weidezaun

Selbstinduktionsgesetz &Induktivität

• N bei Ind.ges. -> weilSpule stattLeiterschleife

• [L] = 1 Henry (H)• A ...Querschnittsfläche

der Spule• l...Spulenlänge• U...ind.Spg.

Rechenbeispiel• Am Äquator beträgt die magnetische Flussdichte im Mittel

ca. 5.10-5 T. Die Feldlinien zeigen in Richtung Norden. DreiLeiterschleifen mit quadratischem Querschnitt(Seitenlänge 20 cm) befinden sich in den skizziertenLagen. Berechnen Sie den magnetischen Fluss durch dieLeiterschleifen.

Rechenbeispiel

• Eine Leiterschleife dreht sich mit 4 U/s in einemhomogenen Magnetfeld mit B = 0,04 T. DieQuerschnittsfläche der Leiterschleife beträgt 20 cm².Wie hoch ist die induzierte Spitzenspannung?

• Danach wird anstelle der Leiterschleife eine Spule mit300 Wdg. verwendet und zugleich ein Eisenkerneingesetzt (Permeabilität: 400). Wie hoch ist nun dieinduzierte Spitzenspannung?