V. Magnetische Felder in Materie V.1. Magnetisierung Problem: Statische magnetische Felder in Materie atomarer magnetischer Dipol: q, m R Atomkern Bohrsches Atommodell: q e ; m me ; L ℓ ħ , ℓ 0,1,2,… Bohrsches Magneton
Magnetisierung: Ausrichtung atomarer von außen induzierte Ströme permanent vorhanden: ℓ 0, Spins ungepaarter Elektronen Magnetisierung: Ausrichtung atomarer ( Tafelrechnung) Magnetisierungsstromdichte: Freie Stromdichte: Def.: Magnetische Erregung (Materialgleichung) Folgerung: (Feldgleichung 1) Quellenfreiheit: (Feldgleichung 2)
Folgerung: Stetigkeitsbedingungen an Grenzschichten (gilt immer) (nur für Magnetostatik und nur für stromfreie Schichten) Medium 1 Medium 2 V A Medium 1 Medium 2 A L (gilt auch in der Elektrodynamik)
V.2. Magnetische Suszeptibilität Lineare Näherung: magnetische Suszeptibiliät homogenes Medium relative Permeabilität: isotropes Medium r Zahl (Skalar) anisotropes Medium r Tensor (2. Stufe) Faustregel: Für homogene isotrope Medien ersetze in allen Formeln für das Vakuum einfach 0 durch r0.
… Beispiel: Spule mit Eisenkern dichte Wicklung: R z Stoffklassen: Streufelder entweichen im Unendlichen Wicklungsdichte n … Eisenkern, r dichte Wicklung: R z Stoffklassen: Diamagnete: m 0 Paramagnete: m 0 Ferromagnete: m 0 EL 3.24 Dia-, Para-, Ferromagnetischer Stoff im Magnetfeld Kraftwirkung: N diamagnetisch para-/ferromagnetisch
eingetauchtes Volumen Probe Skala r Messung von m: Faraday-Methode: 0 Gouy-Methode: eingetauchtes Volumen S N homogen m z z0 V a L
V.3. Diamagnetismus abgeschlossene Elektronenschalen ℓ 0, kein Spin keine permanenten atomaren magnetischen Dipolmomente Induzierte Dipole wirken abschwächend ( Lenzsche Regel ) Bemerkung: Supraleiter sind perfekte Diamagnete m 1 B 0 ( Meißner-Ochsenfeld-Effekt ) q, me R Atomkern extern Abschätzung der Größenordnung: B Zentripetalkraft: R const. Magn. Moment: EL 1.62 Supraleiter R 1Å B 1T q e ℓ 0: Diamagnetismus, sehr kleiner Effekt ℓ 0: atomar >> Para/Ferromagnetismus
V.3. Paramagnetismus Permanente atomare magn. Momente : statistisch orientiert B 0: (extern) B 0: Boltzmann-Statistik der pro V r
B M MS Sättigung MS N Beispiel: 1 B B 1 T T 20 °C M 810 MS winzig!
V.4. Ferromagnetismus Atome / Moleküle mit ungepaarten äußeren Elektronen Spin Quantenmechanische Austauschwechselwirkung der Elektronen permanente atomare magn. Momente : spontan kollektiv orientiert Bsp.: Eisen ( Fe ), Cobalt ( Co ), Nickel ( Ni ): 3 ungepaarte f-Elektronen Magn. Domänen ( Weißsche Bezirke ) spontan magnetisiert Kein äußeres Feld Zustände minimaler Energie haben Mtot 0 EL 3.28 Kubisches, Hexagonales Magnetmodell EL 3.25 Curie - Temperatur Kritische Temperatur ( Curie-Temperatur TC ) Ferromagnetismus falls T TC Phasenübergang Paramagnetismus falls T TC
M Äußeres B-Feld Wandern der Domänenwände, Ausweitung der Domänen hörbares Barkhausen Rauschen ( Umklappen der ) Energieverbrauch (gewonnen aus potentieller Energie der im B-Feld) Magnetisierungsweg: Folge benachbarter lokaler Energieminima abhängig von Vorgeschichte Hysterese-Kurve Elektrodynamik Neukurve B M Koerzitivfeld Remanenz EL 3.26 Barkhausen – Effekt EL 3.30 Hysterese Wärme Hysterese-Fläche Beispiel: Erwärmung von Trafo-Blechen