Magnetismus - Magnetism

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Ein magnetischer Quadrupol

Magnetismus ist eine Klasse physikalischer Phänomene, die durch Magnetfelder vermittelt werden . Elektrische Ströme und die magnetischen Momente von Elementarteilchen erzeugen ein Magnetfeld, das auf andere Ströme und magnetische Momente einwirkt. Magnetismus ist ein Aspekt des kombinierten Phänomens des Elektromagnetismus . Die bekanntesten Effekte treten in ferromagnetischen Materialien, die durch Magnetfelder stark angezogen werden und kann magnetisiert dauerhaft werden Magnete , magnetische Felder selbst produzieren. Das Entmagnetisieren eines Magneten ist ebenfalls möglich. Nur wenige Substanzen sind ferromagnetisch; Die häufigsten sind Eisen , Kobalt und Nickel und ihre Legierungen. Das Präfix ferro bezieht sich auf Eisen , da Permanentmagnetismus zuerst in Lodestone beobachtet wurde , einer Form von natürlichem Eisenerz namens Magnetit , Fe 3 O 4 .

Alle Substanzen weisen eine Art Magnetismus auf. Magnetische Materialien werden nach ihrer Bulk-Anfälligkeit klassifiziert. Ferromagnetismus ist für die meisten Auswirkungen des Magnetismus im Alltag verantwortlich, aber es gibt tatsächlich verschiedene Arten von Magnetismus. Paramagnetische Substanzen wie Aluminium und Sauerstoff werden von einem angelegten Magnetfeld schwach angezogen. diamagnetische Substanzen wie Kupfer und Kohlenstoff werden schwach abgestoßen; während antiferromagnetisches Material, wie Chrom und Spingläser , hat eine komplexe Beziehung mit einem Magnetfeld. Die Kraft eines Magneten auf paramagnetische, diamagnetische und antiferromagnetische Materialien ist normalerweise zu schwach, um gefühlt zu werden, und kann nur von Laborinstrumenten erfasst werden. Daher werden diese Substanzen im Alltag häufig als nicht magnetisch bezeichnet.

Der magnetische Zustand (oder die magnetische Phase) eines Materials hängt von Temperatur, Druck und dem angelegten Magnetfeld ab. Ein Material kann mehr als eine Form von Magnetismus aufweisen, wenn sich diese Variablen ändern.

Die Stärke eines Magnetfeldes nimmt fast immer mit der Entfernung ab, obwohl die genaue mathematische Beziehung zwischen Stärke und Entfernung variiert. Unterschiedliche Konfigurationen von magnetischen Momenten und elektrischen Strömen können zu komplizierten Magnetfeldern führen.

Es wurden nur magnetische Dipole beobachtet, obwohl einige Theorien die Existenz magnetischer Monopole vorhersagen .

Geschichte

Lodestone , ein natürlicher Magnet , der Eisennägel anzieht. Alte Menschen entdeckten die Eigenschaft des Magnetismus aus Lodestone.
Eine Illustration aus Gilberts De Magnete von 1600, die eine der frühesten Methoden zur Herstellung eines Magneten zeigt. Ein Schmied hält ein Stück glühendes Eisen in Nord-Süd-Richtung und hämmert es beim Abkühlen. Das Magnetfeld der Erde richtet die Domänen aus und hinterlässt beim Eisen einen schwachen Magneten.
Zeichnung einer medizinischen Behandlung mit Magnetbürsten. Charles Jacque 1843, Frankreich.

Der Magnetismus wurde erstmals in der Antike entdeckt, als die Menschen bemerkten, dass Logensteine , natürlich magnetisierte Stücke des Minerals Magnetit , Eisen anziehen können. Das Wort Magnet kommt vom griechischen Begriff μαγνῆτις λίθος magnētis lithos , "der Magnesianische Stein, lodestone". Im antiken Griechenland schrieb Aristoteles dem Philosophen Thales von Milet , der von etwa 625 v. Chr. Bis etwa 545 v. Chr. Lebte , die erste wissenschaftliche Diskussion über Magnetismus zu . Der alte indische medizinische Text Sushruta Samhita beschreibt die Verwendung von Magnetit, um im Körper einer Person eingebettete Pfeile zu entfernen.

Im alten China liegt der früheste literarische Hinweis auf Magnetismus in einem Buch aus dem 4. Jahrhundert vor Christus, das nach seinem Autor Guiguzi benannt wurde . In den Annalen des 2. Jahrhunderts v. Chr., Lüshi Chunqiu , heißt es ebenfalls: "Der Lodestone nähert sich Eisen; einige (Kräfte) ziehen ihn an." Die früheste Erwähnung der Anziehungskraft einer Nadel findet sich in einem Werk von Lunheng aus dem 1. Jahrhundert ( Balanced Inquiries ): "Ein Lodestone zieht eine Nadel an." Der chinesische Wissenschaftler Shen Kuo aus dem 11. Jahrhundert war der erste, der in den Dream Pool Essays über den Magnetnadelkompass schrieb und die Genauigkeit der Navigation verbesserte, indem er das astronomische Konzept des wahren Nordens verwendete . Bis zum 12. Jahrhundert war bekannt, dass die Chinesen den Lodestone- Kompass für die Navigation verwendeten. Sie formten einen Richtungslöffel aus Lodestone so, dass der Griff des Löffels immer nach Süden zeigte.

Alexander Neckam war 1187 der erste in Europa, der den Kompass und seine Verwendung für die Navigation beschrieb. Im Jahr 1269 schrieb Peter Peregrinus de Maricourt die Epistola de magnete , die erste erhaltene Abhandlung, die die Eigenschaften von Magneten beschreibt. 1282 wurden die Eigenschaften von Magneten und trockenen Kompassen von Al-Ashraf, einem jemenitischen Physiker , Astronomen und Geographen, diskutiert .

Leonardo Garzonis einziges erhaltenes Werk, die Due trattati sopra la natura , ist das erste bekannte Beispiel für eine moderne Behandlung magnetischer Phänomene. Die Abhandlung wurde in Jahren um 1580 geschrieben und nie veröffentlicht und war weit verbreitet. Insbesondere Garzoni wird von Niccolò Cabeo als Experte für Magnetismus bezeichnet, dessen Philosophia Magnetica (1629) nur eine Neuanpassung von Garzonis Werk ist. Garzonis Abhandlung war auch Giovanni Battista Della Porta und William Gilbert bekannt.

Im Jahr 1600 veröffentlichte William Gilbert seinen Artikel De Magnete, Magneticisque Corporibus und Magno Magnete Tellure ( Auf dem Magneten und den Magnetkörpern sowie auf dem Großen Magneten der Erde ). In dieser Arbeit beschreibt er viele seiner Experimente mit seiner Modellerde namens Terrella . Aus seinen Experimenten schloss er, dass die Erde selbst magnetisch war und dass dies der Grund war, warum Kompasse nach Norden zeigten (zuvor glaubten einige, dass es der Polstern ( Polaris ) oder eine große magnetische Insel am Nordpol war, die den Kompass anzog).

Ein Verständnis der Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus begann 1819 mit der Arbeit von Hans Christian Ørsted , einem Professor an der Universität Kopenhagen, der durch versehentliches Zucken einer Kompassnadel in der Nähe eines Drahtes entdeckte, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugen könnte. Dieses wegweisende Experiment ist als Ørsted-Experiment bekannt. Es folgten mehrere weitere Experimente mit André-Marie Ampère , der 1820 entdeckte, dass das in einem geschlossenen Pfad zirkulierende Magnetfeld mit dem Strom zusammenhängt, der durch eine vom Pfad umschlossene Oberfläche fließt. Carl Friedrich Gauss ; Jean-Baptiste Biot und Félix Savart , die beide 1820 das Biot-Savart-Gesetz entwickelten , das eine Gleichung für das Magnetfeld eines stromführenden Drahtes vorsieht; Michael Faraday , der 1831 feststellte, dass ein zeitlich variierender Magnetfluss durch eine Drahtschleife eine Spannung induzierte, und andere fanden weitere Verbindungen zwischen Magnetismus und Elektrizität. James Clerk Maxwell synthetisierte und erweiterte diese Erkenntnisse in Maxwells Gleichungen und vereinte Elektrizität, Magnetismus und Optik auf dem Gebiet des Elektromagnetismus . 1905 verwendete Albert Einstein diese Gesetze, um seine Theorie der speziellen Relativitätstheorie zu motivieren , und verlangte, dass die Gesetze in allen Trägheitsreferenzrahmen gelten .

Der Elektromagnetismus hat sich bis ins 21. Jahrhundert weiterentwickelt und wurde in die grundlegenderen Theorien der Eichentheorie , der Quantenelektrodynamik , der elektroschwachen Theorie und schließlich des Standardmodells einbezogen .

Quellen

Der Magnetismus entsteht an seiner Wurzel aus zwei Quellen:

  1. Elektrischer Strom .
  2. Magnetische Momente von Elementarteilchen drehen .

Die magnetischen Eigenschaften von Materialien beruhen hauptsächlich auf den magnetischen Momenten der umlaufenden Elektronen ihrer Atome . Die magnetischen Momente der Atomkerne sind typischerweise tausendfach kleiner als die magnetischen Momente der Elektronen, so dass sie im Zusammenhang mit der Magnetisierung von Materialien vernachlässigbar sind. Kernmagnetische Momente sind jedoch in anderen Zusammenhängen sehr wichtig, insbesondere in der Kernspinresonanz (NMR) und Magnetresonanztomographie (MRT).

Normalerweise ist die enorme Anzahl von Elektronen in einem Material so angeordnet, dass sich ihre magnetischen Momente (sowohl orbital als auch intrinsisch) aufheben. Dies ist in gewissem Maße darauf zurückzuführen, dass sich Elektronen aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips (siehe Elektronenkonfiguration ) zu Paaren mit entgegengesetzten intrinsischen magnetischen Momenten verbinden und sich zu gefüllten Unterschalen mit einer Netto-Orbitalbewegung von Null verbinden. In beiden Fällen nehmen die Elektronen bevorzugt Anordnungen an, bei denen das magnetische Moment jedes Elektrons durch das entgegengesetzte Moment eines anderen Elektrons aufgehoben wird. Selbst wenn die Elektronenkonfiguration so ist , dass ungepaarte Elektronen und / oder ungefüllte Unterschalen vorhanden sind, tragen die verschiedenen Elektronen im Festkörper häufig magnetische Momente bei, die in verschiedene zufällige Richtungen zeigen, so dass das Material dies tut nicht magnetisch sein.

Manchmal, entweder spontan oder aufgrund eines angelegten externen Magnetfelds, wird jedes der elektronenmagnetischen Momente im Durchschnitt ausgerichtet. Ein geeignetes Material kann dann ein starkes Nettomagnetfeld erzeugen.

Das magnetische Verhalten eines Materials hängt aus den oben genannten Gründen von seiner Struktur, insbesondere seiner Elektronenkonfiguration , und auch von der Temperatur ab. Bei hohen Temperaturen erschwert eine zufällige thermische Bewegung den Elektronen die Aufrechterhaltung der Ausrichtung.

Arten von Magnetismus

Hierarchie der Arten von Magnetismus.

Diamagnetismus

Diamagnetismus tritt in allen Materialien auf und ist die Tendenz eines Materials, einem angelegten Magnetfeld entgegenzuwirken und daher von einem Magnetfeld abgestoßen zu werden. In einem Material mit paramagnetischen Eigenschaften (dh mit der Tendenz, ein externes Magnetfeld zu verstärken) dominiert jedoch das paramagnetische Verhalten. Somit wird trotz seines universellen Auftretens ein diamagnetisches Verhalten nur in einem rein diamagnetischen Material beobachtet. In einem diamagnetischen Material gibt es keine ungepaarten Elektronen, so dass die intrinsischen elektronenmagnetischen Momente keinen Masseneffekt erzeugen können. In diesen Fällen ergibt sich die Magnetisierung aus den Orbitalbewegungen der Elektronen, die klassisch wie folgt verstanden werden können:

Wenn ein Material in ein Magnetfeld gebracht wird, erfahren die Elektronen, die den Kern umkreisen, zusätzlich zu ihrer Coulomb- Anziehungskraft auf den Kern eine Lorentz-Kraft aus dem Magnetfeld. Abhängig davon, in welche Richtung das Elektron umkreist, kann diese Kraft die Zentripetalkraft auf die Elektronen erhöhen und sie in Richtung des Kerns ziehen, oder sie kann die Kraft verringern und sie vom Kern wegziehen. Dieser Effekt erhöht systematisch die magnetischen Orbitalmomente, die gegenüber dem Feld ausgerichtet waren, und verringert diejenigen, die parallel zum Feld ausgerichtet sind (gemäß dem Lenzschen Gesetz ). Dies führt zu einem kleinen magnetischen Volumenmoment mit einer entgegengesetzten Richtung zum angelegten Feld.

Diese Beschreibung ist nur als Heuristik gedacht ; Das Bohr-Van Leeuwen-Theorem zeigt, dass Diamagnetismus nach der klassischen Physik unmöglich ist und dass ein richtiges Verständnis eine quantenmechanische Beschreibung erfordert .

Alle Materialien unterliegen dieser Orbitalreaktion. Bei paramagnetischen und ferromagnetischen Substanzen wird der diamagnetische Effekt jedoch durch die viel stärkeren Effekte überwältigt, die durch die ungepaarten Elektronen verursacht werden.

Paramagnetismus

In einem paramagnetischen Material gibt es ungepaarte Elektronen ; dh Atom- oder Molekülorbitale mit genau einem Elektron in ihnen. Während gepaarte Elektronen nach dem Pauli-Ausschlussprinzip erforderlich sind , dass ihre intrinsischen ("Spin") magnetischen Momente in entgegengesetzte Richtungen zeigen, wodurch sich ihre Magnetfelder aufheben, kann ein ungepaartes Elektron sein magnetisches Moment in jede Richtung ausrichten. Wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird, neigen diese magnetischen Momente dazu, sich in der gleichen Richtung wie das angelegte Feld auszurichten, wodurch es verstärkt wird.

Ferromagnetismus

Ein Ferromagnet hat wie eine paramagnetische Substanz ungepaarte Elektronen. Zusätzlich zu der Tendenz des intrinsischen magnetischen Moments der Elektronen, parallel zu einem angelegten Feld zu sein, besteht in diesen Materialien auch die Tendenz, dass sich diese magnetischen Momente parallel zueinander orientieren, um einen Zustand niedrigerer Energie aufrechtzuerhalten. Selbst ohne angelegtes Feld richten sich die magnetischen Momente der Elektronen im Material spontan parallel zueinander aus.

Jede ferromagnetische Substanz hat ihre eigene individuelle Temperatur, die als Curie-Temperatur oder Curie-Punkt bezeichnet wird und über der sie ihre ferromagnetischen Eigenschaften verliert. Dies liegt daran, dass die thermische Neigung zur Störung die Energieverringerung aufgrund der ferromagnetischen Ordnung überwältigt.

Ferromagnetismus tritt nur bei wenigen Substanzen auf; Übliche sind Eisen , Nickel , Kobalt , ihre Legierungen und einige Legierungen von Seltenerdmetallen .

Magnetische Domänen

Magnetische Domänengrenzen (weiße Linien) in ferromagnetischem Material (schwarzes Rechteck)
Wirkung eines Magneten auf die Domänen

Die magnetischen Momente von Atomen in einem ferromagnetischen Material bewirken, dass sie sich wie winzige Permanentmagnete verhalten. Sie haften zusammen und richten sich in kleinen Regionen mit mehr oder weniger gleichmäßiger Ausrichtung aus, die als magnetische Domänen oder Weiss-Domänen bezeichnet werden . Magnetische Domänen können mit einem Magnetkraftmikroskop beobachtet werden , um magnetische Domänengrenzen aufzudecken, die den weißen Linien in der Skizze ähneln. Es gibt viele wissenschaftliche Experimente, die Magnetfelder physikalisch zeigen können.

Wenn eine Domäne zu viele Moleküle enthält, wird sie instabil und teilt sich in zwei Domänen, die in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind, so dass sie stabiler zusammenkleben, wie rechts gezeigt.

Wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden, bewegen sich die Domänengrenzen, so dass die mit dem Magnetfeld ausgerichteten Domänen wachsen und die Struktur dominieren (gepunkteter gelber Bereich), wie links gezeigt. Wenn das Magnetisierungsfeld entfernt wird, kehren die Domänen möglicherweise nicht in einen nicht magnetisierten Zustand zurück. Dies führt dazu, dass das ferromagnetische Material magnetisiert wird und einen Permanentmagneten bildet.

Wenn das Material stark genug magnetisiert ist, dass die vorherrschende Domäne alle anderen überschreitet, um nur eine einzige Domäne zu ergeben, ist das Material magnetisch gesättigt . Wenn ein magnetisiertes ferromagnetisches Material auf die Curie-Punkt- Temperatur erhitzt wird, werden die Moleküle bis zu dem Punkt bewegt, an dem die magnetischen Domänen die Organisation verlieren und die magnetischen Eigenschaften, die sie verursachen, aufhören. Wenn das Material abgekühlt wird, kehrt diese Domänenausrichtungsstruktur spontan zurück, ähnlich wie eine Flüssigkeit zu einem kristallinen Feststoff gefrieren kann .

Antiferromagnetismus

Antiferromagnetische Ordnung

In einem Antiferromagneten besteht im Gegensatz zu einem Ferromagneten die Tendenz, dass die intrinsischen magnetischen Momente benachbarter Valenzelektronen in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Wenn alle Atome in einer Substanz so angeordnet sind, dass jeder Nachbar antiparallel ist, ist die Substanz antiferromagnetisch . Antiferromagnete haben ein magnetisches Nettomoment von Null, was bedeutet, dass von ihnen kein Feld erzeugt wird. Antiferromagnete sind im Vergleich zu anderen Verhaltensweisen weniger verbreitet und werden meist bei niedrigen Temperaturen beobachtet. Bei unterschiedlichen Temperaturen können Antiferromagnete diamagnetische und ferromagnetische Eigenschaften aufweisen.

In einigen Materialien ziehen benachbarte Elektronen es vor, in entgegengesetzte Richtungen zu zeigen, aber es gibt keine geometrische Anordnung, in der jedes Nachbarpaar anti-ausgerichtet ist. Dies wird als Spinglas bezeichnet und ist ein Beispiel für geometrische Frustration .

Ferrimagnetismus

Wie der Ferromagnetismus behalten Ferrimagnete ihre Magnetisierung in Abwesenheit eines Feldes bei. Wie Antiferromagnete neigen benachbarte Paare von Elektronenspins jedoch dazu, in entgegengesetzte Richtungen zu zeigen. Diese beiden Eigenschaften sind nicht widersprüchlich, da in der optimalen geometrischen Anordnung mehr magnetisches Moment vom Untergitter der Elektronen, die in eine Richtung zeigen, als vom Untergitter, das in die entgegengesetzte Richtung zeigt, vorhanden ist.

Die meisten Ferrite sind ferrimagnetisch. Die erste entdeckte magnetische Substanz, Magnetit , ist ein Ferrit und wurde ursprünglich als Ferromagnet angesehen. Louis Néel widerlegte dies jedoch, nachdem er den Ferrimagnetismus entdeckt hatte.

Superparamagnetismus

Wenn ein Ferromagnet oder Ferrimagnet ausreichend klein ist, wirkt er wie ein einzelner magnetischer Spin, der einer Brownschen Bewegung ausgesetzt ist . Seine Reaktion auf ein Magnetfeld ist qualitativ ähnlich der Reaktion eines Paramagneten, jedoch viel größer.

Andere Arten von Magnetismus

Elektromagnet

Ein Elektromagnet zieht Büroklammern an, wenn Strom angelegt wird, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird. Der Elektromagnet verliert sie, wenn Strom und Magnetfeld entfernt werden.

Ein Elektromagnet ist eine Art Magnet, bei dem das Magnetfeld durch elektrischen Strom erzeugt wird . Das Magnetfeld verschwindet, wenn der Strom abgeschaltet wird. Elektromagnete bestehen normalerweise aus einer großen Anzahl eng beieinander liegender Drahtwindungen, die das Magnetfeld erzeugen. Die Drahtwindungen werden oft um einen Magnetkern gewickelt, der aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material wie Eisen besteht ; Der Magnetkern konzentriert den Magnetfluss und bildet einen stärkeren Magneten.

Der Hauptvorteil eines Elektromagneten gegenüber einem Permanentmagneten besteht darin, dass das Magnetfeld durch Steuern der elektrischen Strommenge in der Wicklung schnell geändert werden kann. Im Gegensatz zu einem Permanentmagneten, der keine Energie benötigt, benötigt ein Elektromagnet jedoch eine kontinuierliche Stromversorgung, um das Magnetfeld aufrechtzuerhalten.

Elektromagnete werden häufig als Komponenten anderer elektrischer Geräte wie Motoren , Generatoren , Relais , Magnetspulen, Lautsprecher , Festplatten , MRT-Geräte , wissenschaftlicher Instrumente und magnetischer Trenngeräte verwendet. Elektromagnete werden auch in der Industrie zum Aufnehmen und Bewegen schwerer Eisengegenstände wie Eisenschrott und Stahl eingesetzt. Elektromagnetismus wurde 1820 entdeckt.

Magnetismus, Elektrizität und spezielle Relativitätstheorie

Infolge von Einsteins Theorie der speziellen Relativitätstheorie sind Elektrizität und Magnetismus grundlegend miteinander verbunden. Sowohl Magnetismus ohne Elektrizität als auch Elektrizität ohne Magnetismus widersprechen der speziellen Relativitätstheorie aufgrund von Effekten wie Längenkontraktion , Zeitdilatation und der Tatsache, dass die Magnetkraft geschwindigkeitsabhängig ist. Wenn jedoch sowohl Elektrizität als auch Magnetismus berücksichtigt werden, stimmt die resultierende Theorie ( Elektromagnetismus ) vollständig mit der speziellen Relativitätstheorie überein. Insbesondere kann ein Phänomen, das einem Beobachter rein elektrisch oder rein magnetisch erscheint, eine Mischung aus beiden für einen anderen sein, oder allgemeiner hängen die relativen Beiträge von Elektrizität und Magnetismus vom Bezugsrahmen ab. Die spezielle Relativitätstheorie "mischt" Elektrizität und Magnetismus zu einem einzigen, untrennbaren Phänomen, das als Elektromagnetismus bezeichnet wird , analog dazu, wie die Relativitätstheorie Raum und Zeit in die Raumzeit "mischt" .

Alle Beobachtungen zum Elektromagnetismus beziehen sich auf etwas, das als primär Magnetismus angesehen werden kann, z. B. Störungen im Magnetfeld werden notwendigerweise von einem elektrischen Feld ungleich Null begleitet und breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus .

Magnetfelder in einem Material

In einem Vakuum,

wobei μ 0 die Vakuumpermeabilität ist .

In einem Material,

Die Größe μ 0 M wird als magnetische Polarisation bezeichnet .

Wenn das Feld H klein ist, ist die Antwort der Magnetisierung M in einem Diamagneten oder Paramagneten ungefähr linear:

Die Proportionalitätskonstante wird als magnetische Suszeptibilität bezeichnet. Wenn ja,

In einem harten Magneten wie einem Ferromagneten ist M nicht proportional zum Feld und im Allgemeinen ungleich Null, selbst wenn H Null ist (siehe Remanenz ).

Magnetkraft

Magnetische Kraftlinien eines Stabmagneten durch Eisenspäne auf Papier
Magnetfeld mit Kompass und Eisenspänen erfassen

Das Phänomen des Magnetismus wird durch das Magnetfeld "vermittelt". Ein elektrischer Strom oder ein magnetischer Dipol erzeugt ein Magnetfeld, und dieses Feld übt wiederum magnetische Kräfte auf andere Teilchen aus, die sich in den Feldern befinden.

Maxwells Gleichungen, die sich bei stetigen Strömen zum Biot-Savart-Gesetz vereinfachen , beschreiben den Ursprung und das Verhalten der Felder, die diese Kräfte steuern. Daher wird Magnetismus immer dann gesehen, wenn sich elektrisch geladene Teilchen in Bewegung befinden - beispielsweise durch Bewegung von Elektronen in einem elektrischen Strom oder in bestimmten Fällen durch die Umlaufbewegung von Elektronen um den Atomkern. Sie entstehen auch aus "intrinsischen" magnetischen Dipolen, die durch quantenmechanischen Spin entstehen .

Dieselben Situationen, in denen Magnetfelder erzeugt werden - Ladung, die sich in einem Strom oder in einem Atom bewegt, und intrinsische magnetische Dipole - sind auch Situationen, in denen ein Magnetfeld eine Wirkung hat und eine Kraft erzeugt. Es folgt die Formel für die Bewegung der Ladung. Für die Kräfte auf einen intrinsischen Dipol siehe magnetischer Dipol.

Wenn sich ein geladenes Teilchen durch ein Magnetfeld B bewegt , fühlt es eine Lorentzkraft F, die durch das Kreuzprodukt gegeben ist :

wo

ist die elektrische Ladung des Teilchens und
v ist der Geschwindigkeitsvektor des Teilchens

Da dies ein Kreuzprodukt ist, ist die Kraft sowohl zur Bewegung des Partikels als auch zum Magnetfeld senkrecht . Daraus folgt , dass die Magnetkraft führt keine Arbeit auf dem Partikel; Es kann die Bewegungsrichtung des Partikels ändern, aber es kann nicht dazu führen, dass es beschleunigt oder verlangsamt wird. Die Größe der Kraft ist

wobei der Winkel zwischen v und B .

Ein Werkzeug zum Bestimmen der Richtung des Geschwindigkeitsvektors einer sich bewegenden Ladung, des Magnetfelds und der ausgeübten Kraft ist das Beschriften des Zeigefingers "V", des Mittelfingers "B" und des Daumens "F" mit Ihrer rechten Hand. Bei einer pistolenartigen Konfiguration, bei der sich der Mittelfinger unter dem Zeigefinger kreuzt, repräsentieren die Finger den Geschwindigkeitsvektor, den Magnetfeldvektor bzw. den Kraftvektor. Siehe auch rechte Regel .

Magnetische Dipole

Eine sehr häufige Quelle für Magnetfelder in der Natur ist ein Dipol mit einem " Südpol " und einem " Nordpol ", Begriffe, die auf die Verwendung von Magneten als Kompass zurückgehen und mit dem Erdmagnetfeld interagieren , um Nord und Süd anzuzeigen der Globus . Da entgegengesetzte Enden von Magneten angezogen werden, wird der Nordpol eines Magneten vom Südpol eines anderen Magneten angezogen. Die Erde magnetischer Nordpol (derzeit in dem Arktischen Ozean, im Norden von Kanada) ist physisch ein Südpol, wie es den Nordpol eines Kompasses anzieht. Ein Magnetfeld enthält Energie , und physikalische Systeme bewegen sich in Richtung Konfigurationen mit geringerer Energie. Wenn diamagnetisches Material in ein Magnetfeld gebracht wird, neigt ein magnetischer Dipol dazu, sich in entgegengesetzter Polarität zu diesem Feld auszurichten, wodurch die Nettofeldstärke verringert wird. Wenn ferromagnetisches Material in ein Magnetfeld gebracht wird, richten sich die magnetischen Dipole auf das angelegte Feld aus, wodurch die Domänenwände der magnetischen Domänen erweitert werden.

Magnetische Monopole

Da ein Stabmagnet seinen Ferromagnetismus von Elektronen erhält, die gleichmäßig über den Stab verteilt sind, ist jedes der resultierenden Teile ein kleinerer Stabmagnet, wenn ein Stabmagnet in zwei Hälften geschnitten wird. Obwohl ein Magnet einen Nordpol und einen Südpol haben soll, können diese beiden Pole nicht voneinander getrennt werden. Ein Monopol - wenn es so etwas gibt - wäre eine neue und grundlegend andere Art von magnetischem Objekt. Es würde als isolierter Nordpol fungieren, der nicht an einem Südpol befestigt ist, oder umgekehrt. Monopole würden "magnetische Ladung" analog zu elektrischer Ladung tragen. Trotz systematischer Recherchen seit 1931, ab 2010, wurden sie nie beobachtet und konnten durchaus nicht existieren.

Einige theoretische Physikmodelle sagen jedoch die Existenz dieser magnetischen Monopole voraus . Paul Dirac beobachtete 1931, dass, da Elektrizität und Magnetismus eine gewisse Symmetrie aufweisen , isolierte Süd- oder Nordmagnetpole beobachtbar sein sollten , genau wie die Quantentheorie vorhersagt, dass einzelne positive oder negative elektrische Ladungen ohne die entgegengesetzte Ladung beobachtet werden können. Mit Hilfe der Quantentheorie zeigte Dirac, dass man, wenn magnetische Monopole existieren, die Quantisierung der elektrischen Ladung erklären kann - deshalb tragen die beobachteten Elementarteilchen Ladungen, die ein Vielfaches der Ladung des Elektrons sind.

Bestimmte große einheitliche Theorien sagen die Existenz von Monopolen voraus, die im Gegensatz zu Elementarteilchen Solitonen (lokalisierte Energiepakete) sind. Die ersten Ergebnisse der Verwendung dieser Modelle zur Schätzung der Anzahl der im Urknall erzeugten Monopole widersprachen kosmologischen Beobachtungen - die Monopole wären so zahlreich und massiv gewesen, dass sie die Expansion des Universums längst gestoppt hätten. Die Idee der Inflation (für die dieses Problem als Teilmotivation diente) war jedoch erfolgreich bei der Lösung dieses Problems und schuf Modelle, in denen Monopole existierten, die jedoch selten genug waren, um mit den aktuellen Beobachtungen übereinzustimmen.

Einheiten

SI

Symbol Name der Menge Einheitenname Symbol Basiseinheiten
E. Energie Joule J. kg⋅m 2 ⋅s −2 = C⋅V
Q. elektrische Ladung Coulomb C. A⋅s
ich elektrischer Strom Ampere EIN A (= W / V = ​​C / s)
J. elektrische Stromdichte Ampere pro Quadratmeter A / m 2 A⋅m −2
Δ V ; Δ φ ; ε Potentialdifferenz ; Spannung ; elektromotorische Kraft Volt V. J / C = kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −1
R ; Z ; X. elektrischer Widerstand ; Impedanz ; Reaktanz Ohm Ω V / A = kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −2
ρ spezifischer Widerstand Ohm - Meter Ω⋅m kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −2
P. elektrische Energie Watt W. V⋅A = kg⋅m 2 ⋅s −3
C. Kapazität Farad F. C / V = ​​kg –1 ⋅m −2 ⋅A 2 ⋅s 4
Φ E. elektrischer Fluss Volt - Meter V⋅m kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −1
E. elektrische Feldstärke Volt pro Meter V / m N / C = kg⋅m⋅A −1 ⋅s −3
D. elektrisches Verschiebungsfeld Coulomb pro Quadratmeter C / m 2 A⋅s⋅m −2
ε Permittivität Farad pro Meter F / m kg −1 ⋅m −3 ⋅A 2 ⋅s 4
χ e elektrische Anfälligkeit ( dimensionslos ) 1 1
G ; Y ; B. Leitfähigkeit ; Eintritt ; Anfälligkeit Siemens S. Ω −1 = kg −1 ⋅m −2 ⋅s 3 ⋅A 2
κ , γ , σ Leitfähigkeit Siemens pro Meter S / m kg −1 ⋅m −3 ⋅s 3 ⋅A 2
B. magnetische Flussdichte, magnetische Induktion Tesla T. Wb / m 2 = kg⋅s –2 ⋅A −1 = N⋅A −1 ⋅m −1
Φ , Φ M , Φ B. magnetischer Fluss weber Wb V⋅s = kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −1
H. Magnetfeldstärke Ampere pro Meter A / m A⋅m −1
L , M. Induktivität Henry H. Wb / A = V⋅s / A = kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −2
μ Permeabilität Henry pro Meter Hm kg⋅m ⋅s −2 ⋅A −2
χ magnetische Suszeptibilität ( dimensionslos ) 1 1

Andere

Lebewesen

Ein lebender Frosch schwebt in einer vertikalen Bohrung eines
Bitter-Solenoids mit einem Durchmesser von 32 mm in einem sehr starken Magnetfeld - etwa 16 Teslas

Einige Organismen können Magnetfelder erfassen, ein Phänomen, das als Magnetozeption bekannt ist . Einige Materialien in Lebewesen sind ferromagnetisch, obwohl unklar ist, ob die magnetischen Eigenschaften eine besondere Funktion erfüllen oder lediglich ein Nebenprodukt des Eisengehalts sind. Zum Beispiel produzieren Chitons , eine Art Meeresmolluske, Magnetit, um ihre Zähne zu härten, und sogar Menschen produzieren Magnetit im Körpergewebe. Die Magnetobiologie untersucht die Auswirkungen von Magnetfeldern auf lebende Organismen. Felder, die von einem Organismus auf natürliche Weise erzeugt werden, werden als Biomagnetismus bezeichnet . Viele biologische Organismen bestehen hauptsächlich aus Wasser, und da Wasser diamagnetisch ist , können extrem starke Magnetfelder diese Lebewesen abwehren.

Quantenmechanischer Ursprung des Magnetismus

Während heuristische Erklärungen basierend auf der klassischen Physik formuliert werden können, können Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus nur unter Verwendung der Quantentheorie vollständig erklärt werden. Ein erfolgreiches Modell wurde bereits 1927 von Walter Heitler und Fritz London entwickelt , die quantenmechanisch ableiteten, wie Wasserstoffmoleküle aus Wasserstoffatomen, dh aus den atomaren Wasserstofforbitalen, gebildet und an den Kernen A und B zentriert werden (siehe unten). Dass dies zu Magnetismus führt, ist überhaupt nicht offensichtlich, wird aber im Folgenden erklärt.

Nach der Heitler-London-Theorie werden sogenannte Zwei-Körper-Molekülorbitale gebildet, nämlich das resultierende Orbital ist:

Hier bedeutet das letzte Produkt, dass sich ein erstes Elektron, r 1 , in einem atomaren Wasserstofforbital befindet, das am zweiten Kern zentriert ist, während das zweite Elektron um den ersten Kern herumläuft. Dieses "Austausch" -Phänomen ist Ausdruck der quantenmechanischen Eigenschaft, dass Teilchen mit identischen Eigenschaften nicht unterschieden werden können. Es ist nicht nur spezifisch für die Bildung chemischer Bindungen , sondern auch für den Magnetismus. Das heißt, in diesem Zusammenhang entsteht der Begriff Austauschwechselwirkung , ein Begriff, der für den Ursprung des Magnetismus wesentlich ist und der ungefähr um die Faktoren 100 und sogar um 1000 stärker ist als die Energien, die sich aus der elektrodynamischen Dipol-Dipol-Wechselwirkung ergeben.

Für die Spinfunktion , die für den Magnetismus verantwortlich ist, haben wir das bereits erwähnte Pauli-Prinzip, dass ein symmetrisches Orbital (dh mit dem + -Zeichen wie oben) mit einer antisymmetrischen Spinfunktion (dh mit einem - -Zeichen) multipliziert werden muss. und umgekehrt . So:

,

Das heißt, nicht nur und muss durch α bzw. β ersetzt werden (die erste Entität bedeutet "hochdrehen", die zweite "herunterdrehen"), sondern auch das Vorzeichen + durch das Vorzeichen - und schließlich r i durch das diskrete Werte s i (= ± ½); dabei haben wir und . Der " Singulett-Zustand ", dh das - -Zeichen, bedeutet: Die Spins sind antiparallel , dh für den Feststoff haben wir Antiferromagnetismus , und für zwei Atommoleküle hat man Diamagnetismus . Die Tendenz zur Bildung einer (homöopolaren) chemischen Bindung (dh zur Bildung eines symmetrischen Molekülorbitals, dh mit dem + -Zeichen) führt durch das Pauli-Prinzip automatisch zu einem antisymmetrischen Spinzustand (dh mit dem - -Zeichen). Im Gegensatz dazu würde die Coulomb-Abstoßung der Elektronen, dh die Tendenz, dass sie versuchen, sich durch diese Abstoßung zu vermeiden, zu einer antisymmetrischen Orbitalfunktion (dh mit dem Vorzeichen) dieser beiden Teilchen führen und zu einer symmetrischen Spinfunktion komplementär sein (dh mit dem + -Zeichen eine der sogenannten " Triplettfunktionen "). Somit wären die Spins jetzt parallel ( Ferromagnetismus in einem Feststoff, Paramagnetismus in zweiatomigen Gasen).

Die letztgenannte Tendenz dominiert bei den Metallen Eisen , Kobalt und Nickel sowie bei einigen ferromagnetischen Seltenen Erden . Die meisten anderen Metalle, bei denen die erstgenannte Tendenz dominiert, sind nicht magnetisch (z. B. Natrium , Aluminium und Magnesium ) oder antiferromagnetisch (z . B. Mangan ). Diatomeengase sind auch fast ausschließlich diamagnetisch und nicht paramagnetisch. Das Sauerstoffmolekül ist jedoch aufgrund der Beteiligung von π-Orbitalen eine für die Biowissenschaften wichtige Ausnahme.

Die Heitler-London-Überlegungen lassen sich auf das Heisenberg- Magnetismusmodell (Heisenberg 1928) verallgemeinern .

Die Erklärung der Phänomene basiert somit im Wesentlichen auf allen Feinheiten der Quantenmechanik, während die Elektrodynamik hauptsächlich die Phänomenologie abdeckt.

Siehe auch

Verweise

Weiterführende Literatur

Literaturverzeichnis