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

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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!