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Versuch zur Vorlesung: Dia- und Paramagnetismus EM177
Materie im inhomogenen Magnetfeld zeigt zwei verschiedene Verhalten:
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Die Materie im inhomogenen Magnetfeld verhält sich wie wenn die Materie aus einem Kreisstrom bestände. Auf diesen Kreisstrom wirkt, je nach Umlaufsinn eine Kraft zum hohen oder zum niedrigen Feld. Das magnetische Moment der Kreisströme ist beim Diamagnetismus antiparallel zu . Beim Paramagnetismus und beim Ferromagnetismus zeigt das magnetische Moment in die Richtung von . Der Kreisstrom ist induziert, das heisst, dass seine Richtung von der von abhängt. Die resultierende Kraft ist die Biot-Savart-Kraft. Sie ist proportional zum Produkt . Wenn man die Richtung des Magnetfeldes umkehrt, wird auch umgekehrt. Die Richtung der Kraft ist als unabhängig von der Richtung von .
Wenn der Kreisstrom (die Materie) sich auf der Symmetrieachse eines rotationssymmetrischen inhomogenen
Magnetfeldes befindet, ist
(4.101) |
(Siehe Leisi, Klassische Physik II[Lei98, 162])
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Wir hatten postuliert, dass das Verhalten der Materie in einem Gradienten eines Magnetfeldes durch atomare
Kreisströme gegeben ist. Wenn wir ein Modell (nach der Quantenphysik nicht realistisch) eines Atoms betrachten,
bei dem ein einzelnes Elektron auf einer Bahn mit dem Radius sich um den positiv geladenen Kern bewegt, ist
der resultierende Strom
(4.102) |
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Im Ausgangszustand ist die Zentripetalkraft die Coulombanziehung zwischen dem Elektron und dem Kern sowie durch die gemittelte Coulombabstossung durch die anderen Elektronen gegeben. Das anwachsende Magnetfeld hat die gleiche Wirkung wie beim Betatron: es entsteht ein tangentiales -Feld, das das Elektron beschleunigt. Wir setzen die -Achse nach oben an. In einem rechtshändigen System ist dann
(4.104) |
(4.105) |
(4.106) |
(4.107) |
(4.108) |
(4.109) |
(4.110) |
(4.111) | |||
(4.112) |
Der Satz von Larmor gilt allgemein, auch bei beliebiger Orientierung von Magnetfeld und Bahnebene des Elektrons. Der Satz von Larmor bildet die Grundlage des Verständnisses des Diamagnetismus
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Man kann den Satz von Larmor aus der Kreiseltheorie ableiten. Das Elektron ist, bei einer Bahn mit
konstantem Radius, ein starrer Körper. Dieser Kreisel hat den Drehimpuls
(4.113) |
(4.114) |
(4.115) |
(4.116) |
(4.117) |
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Im diamagnetischen Atom ist die Summe aller magnetischer Momente der Elektronen exakt null.
(4.118) |
Wenn ein -Feld eingeschaltet wird, beginnt diese kugelsymmetrische Ladungsverteilung mit der
Larmorfrequenz zu präzedieren. Durch diese Präzession im Magnetfeld entsteht ein von null verschiedenes
magnetisches Moment , das zum Diamagnetismus führt. Zur vereinfachten Berechnung nimmt man an, dass das
Atom eine homogen geladene Kugel ist mit der Ladungsdichte
(4.119) |
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Diese homogen geladene Kugel rotiert im äusseren Magnetfeld mit
(4.120) |
(4.121) |
(4.122) |
(4.123) |
(4.124) | |||
(4.125) | |||
(Siehe Leisi, Klassische Physik II[Lei98, 170])
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Die gesamte makroskopische Magnetisierung ist das mittlere magnetische Moment pro Volumeneinheit
(4.127) |
Das externe Magnetfeld soll senkrecht zur Bildebene des obigen Bildes sein. Die atomaren Kreisströme müssen dann
in der Bildebene liegen. Betrachten wir ein Flächenelement , das senkrecht zur Bildebene liegt, dann
stellen wir fest, dass alle Kreisströme zweimal durch dieses Ebenenelement gehen, einmal in positiver und einmal
in negativer Richtung. Bis auf die Ströme an den Rändern heben sich alle Ströme auf. Das heisst, dass das mittlere
Stromdichtefeld
(4.128) |
(4.129) |
Das magnetische Feld aller Kreisströme muss identisch mit dem externen Feld sein. Nun ist aber das
magnetische Moment eines Kreisstromes in genügender Entfernung nicht von der Fläche dieses Stromes abhängig.
Deshalb muss die Summe aller einzelner atomarer magnetischer Momente dem magnetischen Moment des
Oberflächenstromes gleich sein.
(4.131) |
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Neben den von der Bahnbewegung herrührenden magnetischen Momenten hat zum Beispiel das Elektron ein
magnetisches Moment, das von seinem Drehimpuls (Spin) herrührt. Zu diesem Drehimpuls oder Spin
gehört ein entsprechendes magnetisches Moment . Aus der Quantenmechanik weiss man, dass die Projektion
des Spins auf eine raumfeste Achse einen festen Betragswert
(4.132) |
(4.133) |
(4.135) |
Materialien
Übungsblatt 07 vom 30. 01. 2003 (HTML oder PDF)
Folien zur Vorlesung am 30. 01. 2003 (PDF)
Bei paramagnetischen Atomen hebt sich das magnetische Bahnmoment der einzelnen Elektronen eines Atoms sowie deren
von den Spins herrührendes magnetisches Moment nicht vollständig auf.
(4.136) |
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Die maximal mögliche Magnetisierung bei der Temperatur ist
(4.137) |
(4.138) |
Versuch zur Vorlesung: Ferromagnetismus -
Modellversuch EM175
Ferromagnetische Atome haben genau so wie paramagnetische Atome ein permanentes magnetisches Moment . Im Gegensatz zu den Paramagneten bleibt jedoch auch ohne äusseres Magnetfeld ein magnetisches Moment übrig. Die Magnetisierung als Funktion des Magnetfeldes kann mit der unten stehenden Apparatur gemessen werden.
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Unter Vernachlässigung der Selbstinduktion ist die Differentialgleichung für den Sekundärkreis
(4.139) |
(4.140) |
(4.141) |
(4.142) |
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Diese Abbildung zeigt das skizzierte Resultat des obigen Versuches. Interessant ist, dass bei , also ohne anregendes Magnetfeld, trotzdem ein Feld gemessen wird. Diese Feld kann nur von einer nichtverschwindenden Magnetisierung ohne äusseres Feld herrühren. Diese nichtverschwindende Magnetisierung ist das Kennzeichen eines Ferromagneten.
Andererseits gibt es zwei Punkte, bei denen das resultierende Magnetfeld null ist, obwohl ein äusseres Magnetfeld angelegt wurde. Dies kann nur sein, wenn die Magnetisierung im Material das äussere Feld gerade kompensiert.
Weiter nimmt für sehr grosse anregende Felder das resultierende Magnetfeld kaum mehr zu. Man spricht von einer Sättigung der Magnetisierung.
Versuch zur Vorlesung: Magnetische Bezirke EM178
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Das beobachtete Verhalten kann mit ferromagnetischen Domänen, auch Weisssche Bezirke genannt, erklärt werden. Das Material besteht, wie oben skizziert, aus einer grossen Zahl kleiner Bereiche, die jeder seine eigene Orientierung der Magnetisierung haben. Die gemittelte Magnetisierung hängt davon ab, wie zufällig die Domänen verteilt sind.
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Wird ein äusseres Magnetfeld angelegt, beginnen die Domänen, die bezüglich des externen Feldes richtig orientiert sind, zu wachsen, die anderen schrumpfen. Dei makroskopische Magnetisierung wächst, hinkt aber hinter der Anregung zurück.
Bei der Änderung der Grösse der Domänen müssen Domänenwände verschoben werden. Dies kostet Energie und zeigt sich als Hysterese. Dieser Energieverlust bei der Grössenänderung stabilisiert aber auch die Domänen.
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Um die makroskopische Orientierung der Domänen zum Verschwinden zu bringen, muss man die ferromagnetische Substanz langsam aus einem Wechselfeld entfernen. Das Bild oben zeigt die resultierenden Hysteresekurven. Die Hystereseschlaufe wird so quasikontinuierlich auf einen Punkt, den Ursprung des Koordinatensystems zusammengezogen.
Anwendung: Entmagnetisieren von Schraubenziehern, Löschen von Tonbändern.