Forum: Offtopic Einstein de Haas Effekt


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von Christoph E. (stoppi)



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Hallo!

Zuerst einmal ein frohes neues Jahr euch allen...

Mit dem Einstein de Haas Effekt kann man die Kopplung atomarer 
magnetischer Momente µ mit Drehimpulsen L (Bahndrehimpuls oder 
Eigendrehimpuls/Spin) aufzeigen und makroskopisch messen. Der im grunde 
simple Versuch liefert auch einen Beweis für den Spin der Elektronen und 
verdeutlicht in weiterer Folge den Zusammenhang zwischen 
Ferromagnetismus und magnetischen Spinmoment.

Wie sieht der zugehörige Versuch aus? Ein ferromagnetischer Stab hängt 
an einem dünnen Metalldraht genau in einer Spule. Ist der Schalter noch 
offen und der Eisenstab befindet sich in keinem äußeren Magnetfeld, so 
bleibt er in Ruhe. Schließt man hingegen nun den Schalter und sorgt für 
ein Magnetfeld, so beginnt der Eisenstab Schwingungen um seine 
Längsachse auszuführen. Dies ist dadurch begründet, dass sich im äußeren 
Magnetfeld die atomaren magnetischen Momente ausrichten. Da mit diesen 
Momenten aber ein Drehimpuls (in diesem Fall der Spin der Elektronen) 
gekoppelt ist, orientieren sich auch die Drehimpule und ergeben 
makroskopisch nun einen Gesamtdrehimpuls ungleich 0.

Durch die sog. Drehimpulserhaltung (vorher war der Gesamtdrehimpuls 0, 
also muss er es nach Schließen des Schalters auch sein) muss nun der 
Eisenstab die Summe der gleichgerichteten atomaren Drehimpulse quasi in 
entgegengesetzter Richtung ausgleichen. Dadurch erhält er beim 
Einschalten des Stroms einen Drehimpuls L, der dafür sorgt, dass der 
Eisenstab nun um seine Längsachse am Torsionsfaden aufgehängt schwingt.

Aus dieser Schwingung lässt sich dann der sog. Landefaktor g für 
Eletronenspin ermitteln. Dieser beträgt bei reiner Spinkomponente fast 
exakt 2 und er kommt bei der Formel für den Zusammenhang zwischen 
magnetischen Moment und Drehimpuls vor.

Ich habe mir schon einige Gedanken dazu gemacht, wie man anhand der 
Schwingung nun diesen Faktor g ausrechnen kann. Zur Gänze geklärt ist 
das im Moment noch nicht aber ich habe mir entsprechende Lektüre 
besorgt.

Hier auf meiner Homepage gibt es eine detailliertere Beschreibung des 
Versuchs und der Theorie: 
https://stoppi-homemade-physics.de/einstein-de-haas-effekt/

von Christoph E. (stoppi)



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Link: 
https://ap.physik.uni-konstanz.de/projektpraktikum/PP2012/Bericht-Einstein-de-Haas.pdf

Hier gibt es eine sehr gute Projektarbeit zum Einstein de Haas Versuch. 
Wie ich es mir schon dachte, ist die Ermittlung des Landefaktors mit 
diesem Experiment nicht ganz so trivial.

Bevor ich aber diesen Weg einschlage (es geht mir eben nicht nur um den 
Einstein de Haas Effekt an sich sondern auch um die Berechnung des 
Landefaktors), habe ich mir aber meine eigenen Gedanken gemacht und die 
angefügte Herleitung erstellt.

Darin sind eigentlich alles experimentell ermittelbare Größen, 
angefangen vom Richtmoment R des Torsionsfadens, über den Auslenkwinkel 
phi_0 nach Einschalten des Spulenstroms bis hin zu den Induktivitäten L 
der Spule mit bzw. ohne Eisenkern zur Bestimmung der Permeabilität µ_r.

Als Eisenstab eignet sich wohl Weicheisen am besten. Daher habe ich 
einen solchen beim Schulmittelbedarf bestellt. Auch 0.6mm 
Kupferlackdraht ist auf dem Weg zu mir.

Wenn die Teile eingetroffen sind, starte ich einmal das Experiment...

von Christoph E. (stoppi)



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Während der Weicheisenstab noch auf dem Weg zu mir ist, habe ich mich um 
andere Dinge gekümmert. So habe ich eine EXCEL-Simulation einer 
gedämpften Schwingung erstellt. Damit möchte ich dann mit den 
experimentellen Werten die ungedämpfte Amplitude des Auslenkwinkels 
phi_0 zurückrechnen. Diese brauche ich ja für die Berechnung des 
Startdrehimpulses L0.

Mit dem EXCEL-Programm kann man auch schön die Resonanzkurve und die 
jeweilige Phasenverschiebung zwischen Erreger und Resonantor simulieren.

Dann habe ich heute noch die Induktivität einer Luftspule experimentell 
ermittelt. Hierzu schließe ich die Spule über einen Vorwiderstand (1 
Ohm) zur Messung des Stroms und einem Schalter an eine Gleichspannung 
(5V) an. Aus dem Stromanstieg dI/dt kann man dann einfach die 
Induktivität L bestimmen. Ich komme mit dieser Methode auf eine 
Induktivität von 76 µH.

Ein online-Rechner liefert mir für diesselbe Spule einen theoretischen 
Wert von 60 µH. Eine etwas geringere Abweichung beider Werte wäre mir 
zwar lieber gewesen, aber es ist noch im akzeptablen Rahmen würde ich 
meinen.

Ich habe mir für eine weitere Bestimmung der Induktivität ein 
Schätzeisen aus China bestellt. Mal schauen, wie zuverlässig dessen 
Werte sind. Aber je mehr Werte ich habe, desto besser.

Wenn es Neuigkeiten gibt, geht es hier weiter...

von A. S. (achs)


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Ist zwar OT und ich schau kein Fernsehen mehr, aber hast Du Dir Mal 
überlegt, den WDR oder so anzusprechen, ob sie daraus eine Reihe machen 
wollen?

Du hast da so viele geniale Experimente und kannst da direkt in Pütz, 
Yogeshwar oder Maus-Fußstapfen treten.
Egal ob als 50 Clips oder kurze Sendungen mit je einem Kracher, einem 
Haushalts-Experiment und irgendwas einfaches überraschendes.

von Christoph E. (stoppi)



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Wenn dann für den BR, da näher bei Österreich und ich könnte meinen 
Dialekt voll ausspielen ;-)

Weil ich neugierig war, habe ich die Induktivität der Spule noch mittels 
einer weiteren experimentellen Methode bestimmt und zwar mittels der 
Frequenz eines Schwingkreises.

Angeregt wird der Schwingkreis mit einem billigen Funktionsgenerator. 
Zuerst habe ich einmal die Schwingkreisfrequenz mit einer bekannten 
Induktivität (L = 1 mH) ermittelt und erhalte ca. 10.5 kHz. Der Sollwert 
beträgt 10.73 kHz, passt also recht gut.

Dann habe ich die Luftspule mit der unbekannten Induktivität vermessen 
und ich erhalte eine Schwingkreisfrequenz von 44.15 kHz. Damit berechnet 
sich deren Induktivität zu 59.1 µH. Der theoretische Wert laut 
online-Rechner liegt bei 59.5 µH...

Damit werde ich zur Bestimmung der Permeabilität des Weicheisenstabs 
eindeutig auf die zweite experimentelle Methode mit dem Schwingkreis 
zurückgreifen.

Was mich sehr erfreut ist der Umstand, dass ich durch meine Projekte in 
sehr viele Bereiche der Physik ganz von alleine eindringe. Wenn es 
Neuigkeiten gibt, geht es hier weiter.

von Falk B. (falk)


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A. S. schrieb:
> den WDR oder so anzusprechen, ob sie daraus eine Reihe machen
> wollen?

Wozu denn? Wir leben im Youtube-Zeitalter, da kann man selber einen 
Kanal aufmachen. Je nach Talent und Aufwand auf hohem bis sehr hohem 
Niveau.

von Christoph E. (stoppi)



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Der Weicheisenstab ist heute angekommen. Ich habe ein 10 cm langes Stück 
abgesägt. Dieses besitzt ein Trägheitsmoment von ca. 7.7*10^-7 kg*m².

Als Torsionsfaden verwende ich 0.3mm Nylondraht. Diesen fixiere ich 
mittels zweier Madenschrauben am Weicheisenstab. Einen ersten Versuch 
mit einem kleineren Aluquader und einer 40 cm langen Nylonschnur habe 
ich bereits durchgeführt. Damit bin ich auf ein Richtmoment R = 4.9 * 
10^-7 Nm/rad gekommen. Mit dem Weicheisenstab erwarte ich eine 
Periodendauer im Bereich von 5 Sekunden.

Als Draht für die Spule verwende ich einen 0.6mm Kupferlackdraht. Dieser 
ist auch in den letzten Tagen angekommen.

Wenn es Neuigkeiten gibt, geht es hier weiter...

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