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Technische Anwendung des magnetischen Feldes

Magnetische Felder werden beim Halleffekt, in der Massenspektroskopie, bei Teilchenbeschleunigern und dem MHD-Generator genutzt.

Das Besondere an magnetischen Feldern

Du hast bestimmt schon einiges über die Eigenschaften von magnetischen Feldern gehört. Eine Besonderheit von magnetischen Feldern ist, dass sie bewegte, geladene Teilchen ablenken. Dies kommt durch die Lorentzkraft zustande. Wenn sich ein geladenes Teilchen senkrecht zu einem Magnetfeld bewegt, dann wird es durch die konstante Ablenkung durch die Lorentzkraft auf eine Kreisbahn gelenkt. Dieser Effekt wird in verschiedenen Anwendungen nutzbar gemacht wird.

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Der Hall-Effekt

Der Hall-Effekt bezeichnet das Auftreten einer Spannung in einem stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem Magnetfeld befindet. Die Elektronen werden durch die Lorentzkraft zur Seite abgelenkt, es bildet sich an einer Seite des Leiters ein Elektronenüberschuss. So entsteht ein elektrisches Feld senkrecht zur Richtung von Magnetfeld und Strom. Die Kraft des elektrischen Feldes wirkt dann der des magnetischen Feldes entgegen und weitere Elektronen durchqueren den Leiter unabgelenkt.

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Das Zyklotron

Ein Zyklotron ist ein Kreisbeschleuniger. In diesem werden geladene Teilchen wiederholt beschleunigt und durch ein Magnetfeld auf einer Spiralbahn gehalten.

Zyklotron

Aufbau und Funktionsweise

Das Zyklotron besteht aus zwei Duanten, die senkrecht von einem Magnetfeld durchsetzt sind. Ein Duant ist ein D-förmiger und an der geraden Seite offener Hohlkörper aus Metall. Du kannst ihn dir wie eine flache, halbierte Konservendose vorstellen. In der Mitte des Zyklotrons befindet sich eine Ionenquelle zur Freisetzung geladener Teilchen. Zwischen den Duanten liegt eine hochfrequente Wechselspannung an. Diese dient der Beschleunigung der geladenen Teilchen im Spalt. In den Duanten wirkt nur das magnetische Feld.

Die Teilchen werden dann bei jedem Durchgang durch den Spalt beschleunigt und beschreiben ansonsten, abgelenkt durch die Lorentzkraft, Halbkreisbahnen. Durch die immer wiederkehrende Beschleunigung wächst der Radius des Halbkreises mit jedem Umlauf. Die Teilchen bewegen sich deswegen bis zum Auslass auf einer spiralförmigen Bahn. Am Auslass verlassen die Teilchen das Zyklotron.

Bei sehr schnellen Teilchen muss die relativistische Masse einbezogen werden. Die Frequenz der Wechselspannung muss dann so angepasst werden, dass die Beschleunigung gleichmäßig bleibt. Ein Zyklotron mit dieser Eigenschaft heißt Synchro-Zyklotron.

Das Synchroton

Das Synchroton ist eine Weiterentwicklung des Zyklotrons. Es kann auch bei sehr hohen Teilchengeschwindigkeiten eingesetzt werden. Die Funktionsweise ist ähnlich. Auch hier werden die Teilchen durch ein elektrisches Feld beschleunigt und durch ein magnetisches Feld auf ihre Bahn gelenkt.

Aufbau des Synchrotons

Das Synchroton besteht aus einem ringförmigen Tunnel, dem Torus. Er wird von Magnetfeldern eingerahmt, mit denen geladene Teilchen verschiedenster Geschwindigkeiten genau auf der kreisförmigen Mittellinie gehalten werden können. Dazwischen befinden sich elektrische Felder zur Beschleunigung der Teilchen. Die verschiedenen Felder sind so synchronisiert, dass auch die relativistische Massezunahme einbezogen wird. Magnetische und elektrische Felder müssen dabei mit zunehmender Geschwindigkeit der Teilchen gezielt verstärkt werden.

Das Synchroton ist von einem Ein- und einem Auslass durchbrochen. In letzteren kann ein Target gehalten werden, auf das die beschleunigten Teilchen treffen. Es können dabei verschiedenste physikalischen Effekte beobachtet und erforscht werden.

Das Massenspektrometer

Das Massenspektrometer wird genutzt, um die Masse von Atomen und Molekülen zu bestimmen. Mit einem Geschwindigkeitsfilter, der aus einem elektrischen Feld und einem senkrecht dazu stehenden Magnetfeld besteht, werden nur geladene Teilchen einer bestimmten Geschwindigkeit durchgelassen. Alle anderen Teilchen werden abgelenkt. Anschließend treten die bewegten, geladenen Teilchen in ein Magnetfeld ein. Dort bewegen sie sich auf einer Kreisbahn. Der Radius dieser Kreisbahn kann gemessen und damit die Masse des Teilchens ermittelt werden.

MHD-Generator

Der Magnetohydrodynamischer Generator, kurz auch MHD-Generator wandelt thermische Energie und Bewegungsenergie mithilfe eines Magnetfeldes in elektrische Energie um. Die zugeführte Energie stammt dabei von einem Plasma-Strom. In einem Plasma-Strom sind Elektronen und Ionen nicht mehr aneinander gekuppelt. Im Magnetfeld werden die Ladungen, je nach Vorzeichen, durch die Lorentzkraft in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt. Es erfolgt somit eine Ladungstrennung, wodurch wiederum ein elektrisches Feld entsteht.