Dauermagnete

Das Herzstück eines Kompass ist eine frei drehbar gelagerte Magnetnadel, die sich im Magnetfeld der Erde in Nord-Süd-Richtung ausrichtet. Als Farbmarkierung sind im deutschsprachigen Raum die Farben rot für Nordpol und grün für Südpol festgelegt. Als Konsequenz dieser Definition der Magnetpole ergibt sich, daß beim geografischen Nordpol der Erde ein magnetischer Südpol liegen muss.

Das Magnetfeld der Erde ändert sich im Laufe der Zeit. Aus magnetischen Unter-suchungen erstarrter Lava in der atlantischen Bruchzone bei Island lässt sich dies ermitteln.

Bei magnetischen Materialien unterscheidet man Eisenkerne bzw. Weicheisenstücke und Dauermagnete bzw. Hart-magnetische Materialien. Dauermagnete ziehen Gegen-stände aus Eisen an, nicht aber viele andere Metalle (Cu,Al,Au). In der Nähe eines Magneten lassen sich z.B. Büroklammern magnetisieren. (magnetische Influenz)

Magnetisches Feld

Ein Dauermagnet in Stabform hat seine größte Kraftwirkung an den Enden, also an den Polen. In der Mitte dagegen heben sich die Kraftwirkungen der beiden Pole gegenseitig auf.

In der Nähe eines Stab-magneten orientieren sich Magnetnadeln vom Nord- zum Südpol und markieren so eine sogenannte Feldlinie.

Den Spezialfall eines homogenen Feldes mit parallelen Feldlinien erhält man u.a. mit einem Hufeisenmagneten.

Das magnetische Feld -Grundlagen

attraktiv

repulsiv

Wir bezeichnen das Ende des Stabmagneten, das zum geographischen Nordpol (rot) zeigt als “Nordpol (N)”, das andere Ende als “Südpol (S)” (grün)

Wechselwirkung zwischen 2 Stabmagneten Fe2O3:

2 Stabmagnete, bei denen sich (N) und (N) gegenüberstehen, stoßen sich ab. 2 Stabmagnete, bei denen sich (N) und (S) gegenüberstehen, ziehen sich an.

Das magnetische Feld -Grundlagen

Es gibt keine magnetischen Ladungen. Ein Stabmagnet ist aus elementaren magnetischen Dipolen aufgebaut, deren Richtung die Magnetisierung des Stabmagneten definiert.

Es existiert ein magnetisches Feld , das durch Magnetisierung des Eisens hervorgerufen wird, und das im Außenraum vom (N)-Pol zum (S)-Pol gerichtet ist. Die Magnetisierung geschieht durch Ausrichtung der atomaren magnetischen Dipole mit Dipolmoment. Die Richtung eines magnetischen Dipols zeigt von (S) nach (N), diese Richtung ist äquivalent zu der des elektrischen Dipols, der von (-) nach (+) zeigt. In einem homogenen Magnetfeld erfährt der magnetische Dipol ein Drehmoment und besitzt eine potentielle Energie.

B

Magnetfeld der Erde

Der magnetische Südpol der Erde befindet sich in der Nähe des geometrischen Nordpols. Es existiert ein magnetisches Erdfeld. Seine Richtung weicht von der Nord-Süd-Horizontalen ab. Die Abweichung ist ortsabhängig. Die Neigung zur Horizontalen bezeichnet man als Inklination (I), die Abweichung von der Nord-Süd-Richtung als Deklination (D). Für Heidelberg ist zur Zeit (das ändert sich im Laufe von Jahrtausenden): I=6400,4’ D=1059,7’.

Magnetfeld der Erde

Seit man mit Satelliten das Magnetfeld der Erde großräumig untersuchen kann, weiß man dass das Magnetfeld der Erde auf der Sonnenseite gut dipolförmig ist. Auf der Nachtseite bewirkt aber der Sonnenwind mit seinem Magnetfeld eine deutliche Deformation des Erdmagnetfeldes. Das Magnetfeld der Erde lenkt einen Großteil dieser für den Menschen gefährlichen Teilchenstrahlung um.

Magnetfeld des elektrischen Stroms

Der dänische Physiker Oersted entdeckte, dass ein strom-durchflossener Leiter ein Magnetfeld aufbaut. Das Magnetfeld eines geraden Leiters zeigt geschlossene konzentrische Kreise, die innen dichter, außen weniger dicht liegen.

Windet man einen Leiter zu einer Spule, dann werden die Magnetfelder der Leiterstücke zum Magnetfeld einer Spule aufgewickelt. Im Innern der Spule ergibt sich ein verstärktes, nahezu homogenes Feld, im Außenbereich schließen sich die Feldlinien.

Die magnetische Feldstärke ist proportional zur Stromstärke und zum Quotienten aus Windungszahl und Länge der Spule.

Magnetfelder stationärer Ströme

Christian Oerstedt: Ein elektrischer Gleichstrom erzeugt ein Magnetfeld! Die Richtung des Magnetfeldes wechselt mit der Stromrichtung, die Stärke nimmt proportional zum Abstand ab. Die Magnetfeldlinien sind geschlossen.

Faustregel: Wenn der Daumen in Richtung der technischen Stromrichtung zeigt, weisen die Finger einer leicht geöffneten Faust in Richtung der kreisförmigen Feldlinien.

+

-

Magnetische Feldstärke

Magnetische Feldstärke in einem homogenen Magnetfeld:

I

FB

Wobei F der Betrag der Kraft auf einen vom Strom durchflossenen Leiter der Länge bedeutet, der senkrecht zu den magnetischen Feldlinien steht.

Kraft zwischen Leitern

d

IIF 210

2,1 2

Betrag der Kraft zwischen den Leitern mit gleicher Länge :

Stromrichtung parallel die Leiter ziehen sich an.

Stromrichtung antiparallel die Leiter stoßen sich ab.

270200 102

2

ANc

Das Magnetfeld einer Spule

n

IB 0

Faustregel 2:Daumen der rechten Hand (im Inneren der Spule), übrige Finger der Faust in Stromrichtung.

Magnetische Feldstärke:

2m

sV

mA

NT

Stromstärke I, Anzahl der Windungen n, Länge der Spule

Helmholtz-Spulenpaar

r

nIBHelmholtz 072,0

Spulen stehen genau in einem Abstand mit der Größe des Spulenradius r parallel zueinander. Die Stromrichtung ist in beiden Spulen gleich. Diese Anordnung wird benutzt, um im Zentrum ein recht homogenes horizontales Magnetfeld zu erzeugen.

Materie in magnetischen Feldern

0BB r

Wie in der Elektrostatik kann man in einem äußeren B-Felda) vorhandene atomare Dipole ausrichten undb) magnetische Dipole induzieren.

Dabei ändert sich das ursprüngliche Feld relativ zum Vakuum um die relative Permeabilitätskonstante

In Atomen bewegen sich Elektronen auf kreisförmigen Bahnen und stel-len damit kleine magnetische Dipole dar. Auch ein einzelnes Elektron trägt aufgrund seines ‘Spins’ ein magnetisches Moment.

Sind alle diese atomaren Dipole zufällig ausgerichtet, verschwindet das resultierende makroskopische Dipolmoment und das B-Feld.

1r Diamagnetismus 1r Paramagnetismus

Informationsspeicher

Magnetische Medien spielen eine zentrale RolleMagnetbänder, Computer-Festplatten

Anwendungen für Elektromagneten

Das extrem starke Magnetfeld der supraleitenden Spule einer Kernspinröhre wird für die Untersuchung des menschlichen Körpers benötigt.

Bei einem Relais schaltet ein erster Stromkreis über einen Elektromagneten den Schalter eines zweiten Stromkreises. Beide Kreise haben dabei keine elektrische Verbindung, so dass z.B. mit einer ungefährlichen Nieder-spannung eine Hochspannung geschaltet werden kann.

Bei einem Elektromotor dreht sich ein drehbar gelagerter Elektromagneten im Magnetfeld eines Dauer-magneten. Nach jeweils einer Halbdrehung muss der Strom mit Hilfe eines 'Kommutators' in der Ankerspule umgepolt werden, damit eine kontinuierliche Rotation erreicht wird.

Mikroskopische Vorstellung für Ferromagnetismus

Die magnetische Eigenschaft von Eisen erklärt sich aus der Orientierung der sogenannten Spins der Elektronen in den Nebenschalen. Beim besonders starken Ferromagnetismus kommt noch dazu, dass sich die magnetischen Momente von Einzelatomen in kleinen Bereichen, den magnetischen Domänen, gleichrichten.

Bei einem unmagnetisch wirkenden Weicheisen sind die Orientierungen der Domänen beliebig in alle möglichen Richtungen verteilt, so dass sich die magnetischen Effekte insgesamt aufheben.

Im starken äußeren Feld eines Dauermagneten oder eines Elektromagneten richten sich viele Domänen gleich aus und bewirken so eine Verstärkung des Feldes.

Fragen zum magnetischen Feld

1. Das Erdmagnetfeld hat in München einen Inklinationswinkel von 60 Grad, seine horizontale Komponente hat eine Feldstärke B=2*10-5 T. Welchen Strom muß man durch eine Spule mit 20 cm Länge und 20 Windungen schicken, damit im Inneren der Spule eine gleich große Feldstärke erzeugt wird?

2. Für einen Kernspintomographen wird eine Luftspule mit einem Durchmesser von 80cm und einer Länge von 2,50m gebaut, die mit einer Stromstärke von 150A betrieben werden soll. Welche Windungszahl wird benötigt, damit man eine Feldstärke von 1,26T erreicht?

3. a) Was versteht man unter der Deklination einer Magnetnadel? b) Was ist die Ursache der Deklination?4. Wie läßt sich die Erscheinung der magnetischen Influenz erklären?