Magnetismus eine kurze Einführung Hugo Keller Supraleitung und Magnetismus im Physikunterricht...
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MagnetismusMagnetismuseine kurze Einfeine kurze Einführungührung
Hugo KellerHugo Keller
Supraleitung und Magnetismus im PhysikunterrichtWeiterbildungskurs1. Februar 2013
Der Legende nach war der alte griechische Schäfer Magnes der erste Mensch, der das Phänomen des Magnetismus bemerkt hat. Er ließ vor etwa 4000 Jahren seine Herde in der Magnesia genannten Region im Norden Griechenlands weiden. Man sagt, dass die Nägel seiner Schuhe und die Metallspitze seines Stocks an einem großen schwarzen Stein kleben blieben. Diese Steine wurden "Magnetit" genannt, in Anlehnung an Magnesia oder Magnus.
Die ersten schriftlichen Erwähnungen des Magnetismus stammen von Lucretius aus dem ersten Jahrhundert vor Christus. Wegen der wundersam scheinenden Kräfte des Magnetit hielt sich sehr lange der Aberglaube, nach dem von diesen Steinen magische Kräfte ausgehen, die Krankheiten heilen, böse Geister vertreiben, und aus Eisen hergestellte Schiffe auflösen können. Im Gegensatz zum Bernstein (versteinertes Harz) kann Magnetit Objekte anziehen ohne vorher gerieben worden zu sein. Das machte diesen Stein sehr viel magischer. Dieser Stein zieht nicht nur Objekte an. Eine Eisennadel wird durch die Berührung mit Magnetit selbst "magnetisch".
Um das Jahr 1000 nach Christus fanden die Chinesen heraus, dass eine solcheNadel sich nach Norden ausrichtet wenn sie frei drehbar aufgehängt wird. Damit war der Kompass erfunden.Aber man war noch weit vom wissenschaftlichen Verständnis des Phänomens entfernt.
Erste systematische Untersuchungen begannen erst um 1600 mit den Experimenten von William Gilbert, einem englischen Arzt und Physiker.
Geschichte des MagnetismusZur Anzeige wird der QuickTime™
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Aufbau der Materie
Teilchen Masse (m e) Ladung
Proton p+ 1836 +e
Neutron n 1839 -
Elektron e - 1 -e
me = 9.1095 x 10-31 kg
Elektrische Elementarladung e
Die elektrische Ladung q ist im Gegensatz zur Massequantisiert, d.h. jede elektrische Ladung q ist einganzzahliges Vielfaches der Elementarladung e:
q = n e , n= ± 1, ± 2, ± 3, ...
= 1.6021892(46) 10e x -19 Coulomb
med131
Elektron
10-10m
Neutron
Proton
10-15m
med254
Leiter (Metall)
e-
Elektronengas
Isolator
med127
ElektrostatikElektrostatik
med125
Aquipotentialfläche
Elektrisches Feldlinienbild einer Punktladung
med124
Elektrischer Dipol (Feldlinienbild)
Ladung in Ruhe E-Feld⇒
Ladung in Bewegung (v = konst.) B-Feld⇒
Ladung in Bewegung (v ≠konst., beschleunigt) ⇒ E(t)-Feld und B(t)-Feld
elektromagnetische Strahlung
Elektrische Ladungen in Bewegung
z
Ba
c
d
b
x
Iy
IStröme und Magnetfelder
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Entdeckung von H.C. Oersted (1820):Ein Strom durchflossener Leiter erzeugt einMagnetfeld
med153
I
B
B
B
BB
B
Magnetfeld eines stromführenden Drahtes
magnetische Feldlinien sindgeschlossen ⇒ B-Feld ist Wirbelfeld
med154
z
Ba
c
d
b
x
Iy
I
w B
Magnetfeld einer Spule
Oberfläche eines Neutronensterns 108 T
Grosser Elektromagnet 1.5 T
Erdoberfläche 10-4 T
interstellarer Raum 10-10 T
magnetisch abgeschirmter Raum 10-14 T
Typische Grössenordnungen einiger Magnetfelder
Magnetfeld/Induktion
I I
B
BI
I
BI
I
B
BIBI
B B
Induktionsgesetz von Faraday (1831)
Die in einer Leiterschleife induzierte Spannung(EMK) Uind ist gleich der negativen zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses durch die von der Leiterschleife berandete Fläche:
€
U ind = −dΦ
dt
€
U ind = −dΦ
dt
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med256
Der magnetische Fluss (Induktionsfluss)
= B·A
Fall A B
A
. magn Fluss
Leiterschleife
B homogen⊥ A
med256
= B·A = B·A cosα = Bn·A
Fall BB
B homogen schief zu A
B
A: Flächennormale
magn. Fluss
αBnα
A
A
A
Der magnetische Fluss (Induktionsfluss)
med256
= ∫B cosαdA = ∫BndAA A
Fall C
BB inhomogen
magn. FlussA
A
α
Bemerkung: Spule mit N Windungen: ΦN = N·Φ1
Der magnetische Fluss (Induktionsfluss)
med151
I I
B
BI
I
BI
I
B
BIBI
B B
Der induzierte Strom I ist immer so gerichtet,dass sein Magnetfeld BI der Induktionsursacheentgegenwirkt.
€
U ind = −dΦ
dt
€
U ind = −dΦ
dt
Lenzsche Regel
Anwendungen des Induktionsgesetzes
- Transformator- Wechselstromgenerator/motor- Hochfrequenztechnik- Radio- und TV-Technik- Nachrichtentechnik- Sensorik- etc.
elektrische Ladungen sind Quellen des E-Feldes
B-Feld hat keine Quellen (keinemagnetischen Monopole)
Gesetz von Ampère
Induktionsgesetz von Faraday
Maxwell-Gleichungen
elektromagnetische Wellen
med195
Elektromagnetische Welle
c0 = 3x108m/s
E
y
z
x
Bλ
Ey(x,t) = Ey sin(kx-ω )t0
Bz( , ) = x t Bz ( -sin kxω )t0
med197
Der Hertzsche Dipol
E
B
IAbstrahlungvon EM-Wellen
E B
I
med192
$)16349EVer{äò£¶°û†©≤≥Ø °́óóö
1023
1022
1021
1020
1019
1018
1017
1016
1015
1014
1013
1012
1011
1010
109
108
107
106
105
104
103
102
107
106105104103
102
101
101
1
10-1310-14
Frequenz/Hz Wellenlänge/m
1 m
1 cm
1 nm
Gammastrahlung
Röntgenstrahlung
Infrarotstrahlung
Mikrowellen
Kurze Radiowellen
Fernsehen und FM-Radio
AM-Radiowellen
Lange Radiowellen
200
100nm
280
320
400
500
600
700
HANDYS
sichtbares Licht
10-510-6 1 μm
10 -110 -210 -310 -4
1 km
10 -710 -810 -910 -1010 -1110 -12
UltraviolettstrahlungDaselektromagnetischeSpektrum
Materie im Magnetfeld
diamagnetisch paramagnetisch ferromagnetisch
He Al Fe
N2 Na Co
Ag O2 Ni
Bi Gd2O3 Permalloy
Magnetische Materialien
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Diamagnetischer Frosch
Die magnetischen Eigenschaften von Materialien lassen sich nur imRahmen der Quantenmechanik verstehen. Dabei spielen dreiEigenschaften des Elektrons eine entscheidende Rolle:
Das Elektron hat eine elektrische Ladung
Die Elektronen in Atomen haben einen Bahndrehimpuls
Die Elektronen in Atomem haben einen Eigendrehimpuls (Spin). Der Spin kommt in der klassischen Physik nicht vor
Ursache des Magnetismus in Materie
med157
Permanentmagnet (Ferromagnet)
⊕ ⊕ ⊕
⊕ ⊕ ⊕
⊕ ⊕ ⊕
N
S
⊕ Atomkerne, IonenElektronen, Molekularströme(ungefüllte Schalen)
Ferromagnet
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Vielen Vielen Dank!Dank!