Physik compact, Basiswissen 7, Schulbuch

56 Elektromagnetische Felder und Kräfte 15 Materie immagnetischen Feld Zum Verständnis der magnetischen Eigenschaften von Eisen betrachten wir die atomare Struktur: Jedes Elektron weist ein kleines Magnetfeld auf. In Eisen ist es auf Grund des Aufbaus der Elektronenhülle der Eisenatome und ihres mittleren Abstandes energe- tisch besonders günstig (geringe potentielle Energie), wenn sich die Magnetfelder der Elektronen benach- barter Atome parallel ausrichten. Alle Stoffe, die in dieser Hinsicht dem Eisen ähnlich sind, heißen Ferro- magnetika ( ferromagnetic materials; zB auch Kobalt und Nickel). Die Idee, dass Magnete aus vielen kleinen Magneten aufgebaut sind, geht auf Ampere zurück (Ampere´sche Elementarmagnete). Auf Grund von Störungen durch Erschütterungen, Verformungen und der thermischen Bewegung sind die Bereiche, in denen sich die Elementarmagnete je- weils parallel ausgerichtet haben, in unmagnetischem Eisen relativ klein. Solche Bereiche heißen Weiß´sche Bezirke (magnetic domains) . Liegt keine bevorzugte Richtung dieser Magnetfelder vor, so heben sich die magnetischen Kräfte auf. Die Ausbildung Weiß´scher Bezirke erfolgt im Eisen spontan (spontane Magnetisierung). Die Weiß´schen Bezirke können durch äußere Magnetfelder verändert werden (zB vergrößert, ummagnetisiert). Das bedeu- tet, dass man Eisen durch ein äußeres Magnetfeld ma- gnetisieren kann (zB durch das Feld eines Elektromag- neten oder durch das Erdmagnetfeld in der Natur). Erhöht man die Temperatur eines ferromagnetischen Körpers, so wird die parallele Ordnung derWeiß´schen Bezirke durch die steigende thermische Bewegung gestört, und die Stärke des Magnetfeldes sinkt. Ober- halb einer für jedes ferromagnetische Material cha- rakteristischen Temperatur T C (Curie-Temperatur) verschwinden die Weiß´schen Bezirke und der Ferro- magnetismus vergeht. Nach dem Abkühlen des Kör- pers unter die Curie-Temperatur entstehen spontan wieder Weiß´sche Bezirke, deren Magnetfelder sich aber im Mittel aufheben. Bemerkung: Der Übergang zwischen unmagnetisiertem Stoff zu magnetisiertem Stoff kann als Phasenübergang betrachtet werden. Die dabei auftretende latente Wärme spielt in der Tieftemperaturphysik eine große Rolle, da man mit ihrer Hilfe gleichsam„magnetisch kühlen“ kann. 15.4 Curie-Temperatur für verschiedene Metalle Eisen 768 °C Kobalt 1075 °C Nickel 360 °C Ergebnis: Das Magnetfeld der Spule mit Eisenkern ist (bei gleichem Stromfluss) bedeutend stärker als das Magnet- feld der Spule ohne Eisenkern. Das Verhalten des ursprüng- lich unmagnetischen Eisenkerns im Magnetfeld der Spule heißt Ferromagnetismus (ferromagnetism) . Erklärung: Fließt Strom durch die Spule, so wachsen die Bereiche, deren atomare Magnetfelder zum Magnetfeld der Spule möglichst parallel liegen. Alle anderen Bereiche werden kleiner und verschwinden schließlich ganz. Zuletzt drehen sich die atomaren Magnete genau in Richtung des Magnetfeldes der Spule. Die Überlagerung des Magnetfel- des der Spule mit den ausgerichteten atomarenMagnetfel- dern ergibt ein etwa tausendfach verstärktes Magnetfeld. Versuch Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule ohne Eisenkern und mit Eisenkern Abb. 56.1 An eine Spule mit 600 Windungen legen wir eine Spannung von rund 20 V an. _ + I Das schwache Magentfeld kann mit einer Magnetnadel nachgewiesen werden. Abb. 56.2 Wir führen den Versuch noch einmal durch und füllen den Innenraum der Spule mit einem Eisenkern. _ + Die Magnetnadel wird stark ausgelenkt. Eisenkern Abb. 56.3 Wir fügen einen U-Kern in die Spule ein und setzen ein Joch auf. Sobald Strom fließt, gelingt es (trotz der niedrigen Spannung) nur unter großer An- strengung, das Joch vom Spulenkern abzuheben. F 4,5V Die relative Permeabilität n r gibt an, um wie viel das Magnetfeld einer Spule mit Kern stärker ist als das Magnetfeld einer Spule ohne Kern. B l N r 0 $ $ $ n n I = Relative Permeabilität n r Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv