E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 18. …...E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 18. Vorlesung – 21.06.2018 21.06.2018 Heute: - Materie im Magnetfeld: Dia-, Para-, Ferromagnetismus

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


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


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


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


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


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


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


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


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


Ferromagnetismus:

Hysteresekurve Barkhausen Effekt

https://www.geschichte.sachsen.de/heinrich-barkhausen-5520.html?_pp=

%7B%7D

Heinrich Georg Barkhausen

(1881 - 1956)

Supraleitung


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


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


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


Bewegte Ladungen erzeugen ein Magnetfeld. Auch mikroskopisch erzeugen Elektronenbewegungen ein magnetisches Moment:

Atomare Ursachen des Magnetismus, fort.


•  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


Elektronen und andere Elementarteilchen besitzen einen intrinsischen Drehimpuls und ein intrinsisches magnetisches Moment: Spin.

(Elektrische) Induktion


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


Der magnetische Fluß ΦB lässt sich analog zum elektrischen Fluss definieren:

Allgemein: Ebene Fläche:

Das Induktionsgesetz


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


Magnet um Kupferrohr

Die Lenzsche Regel


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


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


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http://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/magnetisches- feld-spule/versuche/felder-stromfuehrender-leiter

Selbstinduktion 500 H Spule mit Glüh- und Glimmlampe

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