E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 18. Vorlesung – 21.06.2018
21.06.2018
Heute: - Materie im Magnetfeld:
Dia-, Para-, Ferromagnetismus - Supraleitung - Faradaysches Induktionsgesetz - Lenzsche Regel
Prof. Dr. Jan Lipfert 1
https://xkcd.com/1949/
Prof. Dr. Jan Lipfert [email protected]
Barlow-Rad Telefon nach Bell
Evaluation der Veranstaltung – Danke!
21.06.2018
Sie können den Evaluationsbogen auf Deutsch (oder Englisch) ausfüllen!
Prof. Dr. Jan Lipfert 2
E2/E2p – Wärmelehre und Elektromagnetismus Prof. Jan Lipfert
! Namen des/der Tutors/-in!
Fragen zur Vorlesung
Fragen zur Übung
Platz für Bemerkungen zu Vorlesung & Übung 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? - Vorlesungfolien bzw. -anschrift am besten:
komplett per Hand (Tafel) / Powerpoint + Handschriftliche Ergänzungen / komplett getippt?
Wiederholung: Konsequenzen der Kraft auf bewegte Ladungen im Magnetfeld
21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 3
• Kraft auf Stromdurchflossener Leiter in Magnetfeld
+ - ~Fges = I(~L⇥ ~B)
• Kräfte zwischen zwei Leitern
https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_field
-
+
„Feld von 2 bei 1“ „Feld von 2 bei 1“
Draht 1:
Draht 2:
„Feld von 1 bei 2“ „Feld von 1 bei 2“
In die Tafel
Aus der Tafel Paralleler Strom: Antiparalleler Strom:
Wiederholung: Hall Effekt
21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 4
Elektronen im stromdurchflossener Leiter in Magnetfeld erfahren eine Kraft:
https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Hall_effect.png
https://en.wikipedia.org/wiki/ Edwin_Hall
Edwin Hall (1855-1938)
UHall = Hallspannung I = Strom B = Magnetfeld d = Dicke der Probe e = Ladung der Ladungsträger n = Dichte der Ladungsträger
UHall = � 1
en
I ·Bd
Wiederholung: Elektrischer Strom als Ursache des Magnetfelds
21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 5
Bewegte elektrische Ladungen (Ströme) erzeugen ein magnetisches Feld B.
https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_field
-
+
Hans Christian Ørsted
(1777 – 1851)
https://en.wikipedia.org/wiki/Hans_Christian_Ørsted
„Rechte-Faust -Regel“
Magnetische Feldkonstante: µ0 = 4 · ⇡ · 10�7 N
A2
✏0µ0 =1
c2
https://en.wikipedia.org/wiki/André-Marie_Ampère
André-Marie Ampère
(1775-1836)
I~B · ~dr = µ0Iein
Ampèresches Gesetz
Wiederholung: Gesetz von Biot-Savart
21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 6
Das durch einen Strom I erzeugte magnetische Feld dB an einem Punkt r ist durch das Biot-Savart Gesetz gegeben.
Spezialfall: Langer stromdurchflossener Leiter
http://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/magnetisches-feld-spule/versuche/felder-
stromfuehrender-leiter
http://alchetron.com/Felix-Savart-1116700-W
Félix Savart (1791 – 1841)
https://de.wikipedia.org/wiki/Jean-Baptiste_Biot
Jean-Baptiste Biot (1774 – 1862)
B =µ0I
2⇡r
Wiederholung: Stromdurchflossene Spule
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Innerhalb der Spule herrscht ein homogenes Magnetfeld !
Feld in der Spule:
http://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/magnetisches-feld-spule/versuche/felder-stromfuehrender-leiter
B =µ0I
LN
Mit Eisenkern (oder allgemein mit Materie im Magnetfeld):
Materie im Magnetfeld
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Ähnlich wie Dielektrika elektrische Felder ändern, beeinflusst Materie auch magnetische Felder:
Feld durch „freie“ Ströme („magnetische Feldstärke“ oder „magnetische Erregung“)
Magnetisierung (magnetisches Moment pro Volumen)
~H
~M(= ~J)
magnetische Suszeptibilität �(relative) Permeabilität µ(= µrel)
Materie im Magnetfeld
21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 9
Nach ihrem Verhalten in Magnetfeldern unterscheidet man diamagnetische, paramagnetische und ferromagnetische Materialien.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/40/
Horseshoe_magnet_by_Zureks.jpg
https://de.wikipedia.org/wiki/Tropfen-Fotografie
https://de.wikipedia.org/wiki/Gasflasche
Diamagnetismus B-Feld in Materie kleiner Stoffe ohne ungepaarte Elektronen
Paramagnetismus B-Feld in Materie etwas größer
Stoffe mit ungepaarten Elektronen
Ferromagnetismus B-Feld in Materie deutlich größer
Stoffe mit ungepaarten Elektronen, die „wechselwirken“
µ Permeabilität
Suszeptibilität �
Materie in inhomogenem Magnetfeld
21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 10
Video: Levitated frog https://www.youtube.com/watch?v=A1vyB-O5i6E
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
Ferromagnetismus und Hysterese
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Nach Abschalten eines externen Magnetfeldes:
Ferromagnetismus:
Dia- und Paramagnetismus:
https://de.wikipedia.org/wiki/Pierre-Ernest_Weiss
Pierre Ernest Weiss
(1865 - 1940) Kompassnadelplatte & Magnet
Hysterese-Kurve
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Ferromagnetismus:
Hysteresekurve Barkhausen Effekt
https://www.geschichte.sachsen.de/heinrich-barkhausen-5520.html?_pp=
%7B%7D
Heinrich Georg Barkhausen
(1881 - 1956)
Supraleitung
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Supraleiter sind Materialien, deren elektrischer Widerstand beim Unterschreiten der sogenannten Sprungtemperatur (abrupt) auf null fällt.
Heike Kamerlingh Onnes
(1853-1926) Nobelpreis 1913
https://de.wikipedia.org/wiki/Heike_Kamerlingh_Onnes
1911 1986: Hochtemperatursupraleitung
„Door meten tot weten“ („Durch Messen zum Wissen“)
Der Meissner-Ochsenfeld Effekt
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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.
Walther Meisner (1882 - 1974)
https://de.wikipedia.org/wiki/Walther_Mei%C3%9Fner
Robert Ochsenfeld (1901 - 1993)
http://sjam4uphysics.pbworks.com/w/page/38936723/Superconductors
https://de.wikipedia.org/wiki/Mei%C3%9Fner-Ochsenfeld-Effekt
https://de.wikipedia.org/wiki/Mei%C3%9Fner-Ochsenfeld-Effekt
Schwebender Supraleiter
https://physik.wissenstexte.de/supra_gross.htm
BCS - Theorie
21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 15
Die BCS-Theorie ist eine Vielteilchentheorie zur Erklärung der Supraleitung in Metallen.
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1972/
Atomare Ursachen des Magnetismus
21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 16
Bewegte Ladungen erzeugen ein Magnetfeld. Auch mikroskopisch erzeugen Elektronenbewegungen ein magnetisches Moment:
Atomare Ursachen des Magnetismus, fort.
21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 17
• Das magnetische (Bahn-)Moment µBahn 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
Spin
21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 18
Elektronen und andere Elementarteilchen besitzen einen intrinsischen Drehimpuls und ein intrinsisches magnetisches Moment: Spin.
(Elektrische) Induktion
21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 19
https://de.wikipedia.org/wiki/Windpark
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/Kochfeld
https://de.wikipedia.org/wiki/Fahrraddynamo
https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrischer_Generator
Magnetischer Fluss
21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 20
Der magnetische Fluß ΦB lässt sich analog zum elektrischen Fluss definieren:
Allgemein: Ebene Fläche:
Das Induktionsgesetz
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Eine Änderungen des magnetischen Flusses ΦB erzeugt eine Spannung (Induktionsgesetz, Michael Faraday, 1831)
Induktion in Spule, „Kompassgenerator“, „Schütteltaschenlampe“
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.
PINGO: Die Lenzsche Regel
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Magnet um Kupferrohr
Die Lenzsche Regel
21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 23
Lenzsche Regel: Der induzierte Strom erzeugt ein Magnetfeld, das dem ursprünglichen
Magnetfeld (also dem induzierenden Magnetfeld) entgegenwirkt.
Welche Richtung hat der induzierte Strom?
Wirbelstrombremse
Heinrich Friedrich Emil Lenz
(1804 - 1865)
https://de.wikipedia.org/wiki/Emil_Lenz
Induktivität
21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 24
Induktivität bezeichnet die Eigenschaft eines Leiters (bzw. Spule) aufgrund einer Änderung des elektrischen Stromes ein Magnetfeld aufzubauen, das eben dieser Stromänderung entgegenwirkt.
http://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/magnetisches- feld-spule/versuche/felder-stromfuehrender-leiter
https://de.wikipedia.org/wiki/Joseph_Henry
Joseph Henry (1797-1878)
Spule – Magnetfeld und Induktivität
21.06.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 25
t
http://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/magnetisches- feld-spule/versuche/felder-stromfuehrender-leiter
Selbstinduktion 500 H Spule mit Glüh- und Glimmlampe