Magnetismus - Magnetism

Ein magnetischer Quadrupol

Magnetismus ist eine Klasse von physikalischen Eigenschaften, die durch Magnetfelder vermittelt werden . Durch elektrische Ströme und die magnetischen Momente von Elementarteilchen entsteht 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. Auch das Entmagnetisieren eines Magneten ist möglich. Nur wenige Stoffe sind ferromagnetisch; die gebräuchlichsten sind Eisen , Kobalt und Nickel und deren Legierungen. Seltenere Beispiele sind die Seltenerdmetalle Neodym und Samarium . Die Vorsilbe Ferro- bezieht sich auf Eisen , weil Permanentmagnetismus zuerst in Magnetit , einer Form von natürlichem Eisenerz namens Magnetit , Fe 3 O 4 , beobachtet wurde .

Alle Substanzen weisen eine Art Magnetismus auf. Magnetische Materialien werden nach ihrer Schüttempfindlichkeit klassifiziert. Ferromagnetismus ist für die meisten Auswirkungen des Magnetismus im täglichen Leben verantwortlich, aber es gibt tatsächlich mehrere 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 antiferromagnetische Materialien wie Chrom und Spingläser eine komplexere Beziehung zu einem Magnetfeld aufweisen. Die Kraft eines Magneten auf paramagnetische, diamagnetische und antiferromagnetische Materialien ist meist zu schwach, um gefühlt zu werden und kann nur mit Laborinstrumenten nachgewiesen werden, daher werden diese Stoffe im Alltag oft als nicht magnetisch bezeichnet.

Der magnetische Zustand (oder 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. Uralte Menschen entdeckten die Eigenschaft des Magnetismus aus Magnetstein.
Eine Illustration aus Gilberts 1600 De Magnete, 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 das Eisen als schwachen Magneten.
Zeichnung einer medizinischen Behandlung mit Magnetbürsten. Charles Jacques 1843, Frankreich.

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

Im alten China findet sich der früheste literarische Hinweis auf Magnetismus in einem Buch aus dem 4. Jahrhundert v. Chr., das nach seinem Autor Guiguzi benannt ist . Die 2. Jahrhundert vor Christus Annalen, Lüshi chunqiu , auch Hinweise: „Der Magnetit macht Eisen Ansatz, einige (Kraft) sie anzieht.“ Die früheste Erwähnung der Anziehungskraft einer Nadel findet sich in einem Werk Lunheng ( Balanced Inquiries ) aus dem 1. Jahrhundert : "Ein Magnetstein zieht eine Nadel an." Das 11. Jahrhundert chinesischer Wissenschaftler Shen Kuo war die erste Person zu schreiben , in dem Traum Pool Essays -von der magnetischen Kompassnadel und dass es verbessert die Genauigkeit der Navigation durch die Verwendung von astronomischen Begriff des wahren Norden . Im 12. Jahrhundert waren die Chinesen dafür bekannt, den Magnetkompass zur Navigation zu verwenden. Sie formten einen Richtungslöffel aus Magnetstein so, dass der Griff des Löffels immer nach Süden zeigte.

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

Das einzige erhaltene Werk von Leonardo Garzoni , das Due trattati sopra la natura, e le qualità della calamita , ist das erste bekannte Beispiel einer modernen Behandlung magnetischer Phänomene. In den Jahren um 1580 geschrieben und nie veröffentlicht, hatte die Abhandlung eine weite Verbreitung. Garzoni wird insbesondere von Niccolò Cabeo als Experte für Magnetismus bezeichnet, dessen Philosophia Magnetica (1629) nur eine Neujustierung von Garzonis Werk ist. Garzonis Abhandlung war auch Giovanni Battista Della Porta bekannt .

Im Jahr 1600 veröffentlichte William Gilbert sein De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure ( On the Magnet and Magnetic Bodies, and on the Great Magnet the Earth ). 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 (früher glaubten einige, dass es der Polarstern ( 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 das versehentliche Zucken einer Kompassnadel in der Nähe eines Drahtes entdeckte, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugen kann. Dieses bahnbrechende Experiment ist als Ørsteds Experiment bekannt. Mehrere andere Experimente folgten mit André-Marie Ampère , der 1820 entdeckte, dass das in einem geschlossenen Pfad zirkulierende Magnetfeld mit dem Strom zusammenhängt, der durch eine vom Pfad eingeschlossene Oberfläche fließt; Carl Friedrich Gauß ; Jean-Baptiste Biot und Félix Savart , die beide 1820 das Biot-Savart-Gesetz aufgestellt haben , das eine Gleichung für das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Drahtes liefert; Michael Faraday , der 1831 herausfand, dass ein zeitlich veränderlicher magnetischer Fluss durch eine Drahtschleife eine Spannung induziert, und andere fanden weitere Verbindungen zwischen Magnetismus und Elektrizität. James Clerk Maxwell synthetisierte und erweiterte diese Einsichten in Maxwells Gleichungen und vereinte Elektrizität, Magnetismus und Optik auf dem Gebiet des Elektromagnetismus . Im Jahr 1905 verwendete Albert Einstein diese Gesetze, um seine spezielle Relativitätstheorie zu motivieren , und forderte, dass die Gesetze in allen Inertialbezugssystemen gelten .

Der Elektromagnetismus hat sich bis ins 21. Jahrhundert weiterentwickelt und ist in die grundlegenderen Theorien der Eichtheorie , der Quantenelektrodynamik , der elektroschwachen Theorie und schließlich des Standardmodells integriert worden .

Quellen

Magnetismus entspringt an seiner Wurzel aus zwei Quellen:

  1. Elektrischer Strom .
  2. Spinmagnetische Momente von Elementarteilchen .

Die magnetischen Eigenschaften von Materialien beruhen hauptsächlich auf den magnetischen Momenten der umlaufenden Elektronen ihrer Atome . Die magnetischen Momente der Atomkerne sind typischerweise tausendmal kleiner als die magnetischen Momente der Elektronen, sodass sie im Zusammenhang mit der Magnetisierung von Materialien vernachlässigbar sind. Kernmagnetische Momente sind jedoch auch in anderen Zusammenhängen sehr wichtig, insbesondere bei der Kernspinresonanz (NMR) und der 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 bis zu einem gewissen Grad 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 null Nettoorbitalbewegung verbinden . In beiden Fällen nehmen die Elektronen vorzugsweise Anordnungen an, in denen das magnetische Moment jedes Elektrons durch das entgegengesetzte Moment eines anderen Elektrons aufgehoben wird. Außerdem, selbst wenn die Elektronenkonfiguration ist derart , daß es ungepaarten Elektronen und / oder ungefüllten Subshells, ist es oft der Fall , daß die verschiedenen Elektronen in der festen magnetischen Momente beitragen wird dieser Punkt in verschiedenen, zufälligen Richtungen , so dass das Material nicht magnetisch sein.

Manchmal, entweder spontan oder aufgrund eines angelegten externen Magnetfelds, wird jedes der magnetischen Momente des Elektrons im Durchschnitt aufgereiht sein. 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 , sowie von der Temperatur ab. Bei hohen Temperaturen macht es die zufällige thermische Bewegung für die Elektronen schwieriger, ihre Ausrichtung beizubehalten.

Arten von Magnetismus

Hierarchie der Magnetismusarten.

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 (d. h. mit der Tendenz, ein externes Magnetfeld zu verstärken) dominiert jedoch das paramagnetische Verhalten. Somit wird diamagnetisches Verhalten trotz seines universellen Auftretens nur in einem rein diamagnetischen Material beobachtet. In einem diamagnetischen Material gibt es keine ungepaarten Elektronen, daher können die intrinsischen magnetischen Momente der Elektronen keinen Volumeneffekt erzeugen. Die Magnetisierung ergibt sich in diesen Fällen aus den Bahnbewegungen der Elektronen, die klassisch wie folgt verstanden werden können:

Wenn ein Material in ein Magnetfeld gebracht wird, erfahren die um den Kern kreisenden Elektronen zusätzlich zu ihrer Coulomb- Anziehung zum Kern eine Lorentz-Kraft aus dem Magnetfeld. Je nachdem, in welche Richtung das Elektron kreist, kann diese Kraft die Zentripetalkraft auf die Elektronen erhöhen und sie in Richtung des Kerns ziehen, oder sie kann die Kraft verringern, indem sie sie vom Kern wegzieht. Dieser Effekt erhöht systematisch die gegen das Feld ausgerichteten orbitalen magnetischen Momente und verringert die parallel zum Feld ausgerichteten (gemäß dem Lenz'schen Gesetz ). Dies führt zu einem kleinen magnetischen Volumenmoment mit einer dem angelegten Feld entgegengesetzten Richtung.

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 orbitalen Reaktion. Bei paramagnetischen und ferromagnetischen Stoffen wird der diamagnetische Effekt jedoch durch die viel stärkeren Effekte der ungepaarten Elektronen überlagert.

Paramagnetismus

In einem paramagnetischen Material gibt es ungepaarte Elektronen ; dh Atom- oder Molekülorbitale mit genau einem Elektron darin. Während gepaarte Elektronen nach dem Pauli-Ausschlussprinzip ihre intrinsischen ('Spin') magnetischen Momente in entgegengesetzte Richtungen weisen müssen, wodurch sich ihre Magnetfelder aufheben, kann ein ungepaartes Elektron sein magnetisches Moment frei in jede Richtung ausrichten. Wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird, neigen diese magnetischen Momente dazu, sich in die gleiche 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 bei diesen Materialien jedoch auch die Tendenz, dass sich diese magnetischen Momente parallel zueinander ausrichten, um einen Zustand mit niedrigerer Energie aufrechtzuerhalten. Somit richten sich auch ohne angelegtes Feld die magnetischen Momente der Elektronen im Material spontan parallel zueinander aus.

Jede ferromagnetische Substanz hat ihre eigene individuelle Temperatur, die Curie-Temperatur oder Curie-Punkt genannt wird, oberhalb derer sie ihre ferromagnetischen Eigenschaften verliert. Dies liegt daran, dass die thermische Tendenz zur Unordnung die Energieabsenkung aufgrund der ferromagnetischen Ordnung überwiegt.

Ferromagnetismus kommt nur in wenigen Substanzen vor; gängige 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 kleben zusammen und richten sich in kleinen Regionen mit mehr oder weniger einheitlicher Ausrichtung aus, die als magnetische Domänen oder Weiss-Domänen bezeichnet werden . Magnetische Domänen können mit einem Magnetkraftmikroskop beobachtet werden , um magnetische Domänengrenzen zu erkennen, die weißen Linien in der Skizze ähneln. Es gibt viele wissenschaftliche Experimente, die Magnetfelder physikalisch nachweisen können.

Enthält eine Domäne zu viele Moleküle, wird sie instabil und teilt sich in zwei gegenläufig ausgerichtete Domänen auf, sodass diese stabiler zusammenkleben, wie rechts gezeigt.

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

Wenn die Magnetisierung stark genug ist, dass die vorherrschende Domäne alle anderen überrollt, so dass nur eine einzige Domäne entsteht, ist das Material magnetisch gesättigt . Wenn ein magnetisiertes ferromagnetisches Material auf die Curie-Punkt- Temperatur erhitzt wird, werden die Moleküle so stark bewegt, dass die magnetischen Domänen ihre Organisation verlieren und die magnetischen Eigenschaften, die sie verursachen, aufhören. Wenn das Material abgekühlt wird, kehrt diese Domänenausrichtungsstruktur spontan zurück, in etwa analog dazu, wie eine Flüssigkeit zu einem kristallinen Feststoff gefrieren kann .

Antiferromagnetismus

Antiferromagnetische Ordnung

Bei 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 den anderen Verhaltensweisen weniger verbreitet und werden meist bei niedrigen Temperaturen beobachtet. Bei unterschiedlichen Temperaturen zeigen Antiferromagnete diamagnetische und ferromagnetische Eigenschaften.

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

Ferrimagnetismus

Wie der Ferromagnetismus behalten Ferrimagnete ihre Magnetisierung in Abwesenheit eines Feldes. Wie bei Antiferromagneten neigen jedoch benachbarte Paare von Elektronenspins dazu, in entgegengesetzte Richtungen zu zeigen. Diese beiden Eigenschaften widersprechen sich nicht, denn in der optimalen geometrischen Anordnung kommt mehr magnetisches Moment aus dem Untergitter der Elektronen, das in eine Richtung zeigt, als aus dem Untergitter, das in die entgegengesetzte Richtung zeigt.

Die meisten Ferrite sind ferrimagnetisch. Die erste entdeckte magnetische Substanz, Magnetit , ist ein Ferrit und wurde ursprünglich für einen Ferromagneten gehalten; 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 unterliegt . Seine Reaktion auf ein Magnetfeld ist qualitativ ähnlich der Reaktion eines Paramagneten, aber 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 ein Magnettyp, bei dem das Magnetfeld durch einen 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 macht einen stärkeren Magneten.

Der Hauptvorteil eines Elektromagneten gegenüber einem Permanentmagneten besteht darin, dass das Magnetfeld durch Steuerung der Stromstärke in der Wicklung schnell geändert werden kann. Im Gegensatz zu einem Permanentmagneten, der keinen Strom benötigt, benötigt ein Elektromagnet jedoch eine kontinuierliche Stromzufuhr, um das Magnetfeld aufrechtzuerhalten.

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

Magnetismus, Elektrizität und spezielle Relativitätstheorie

Als Folge von Einsteins spezieller Relativitätstheorie sind Elektrizität und Magnetismus grundlegend miteinander verbunden. Sowohl Magnetismus ohne Elektrizität als auch Elektrizität ohne Magnetismus sind aufgrund von Effekten wie Längenkontraktion , Zeitdilatation und der Tatsache, dass die Magnetkraft geschwindigkeitsabhängig ist , nicht mit der speziellen Relativitätstheorie vereinbar . 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 sein, oder allgemeiner gesagt, die relativen Beiträge von Elektrizität und Magnetismus hängen vom Bezugssystem ab. Somit "mischt" die spezielle Relativitätstheorie Elektrizität und Magnetismus zu einem einzigen, untrennbaren Phänomen namens Elektromagnetismus , analog dazu, wie die Relativitätstheorie Raum und Zeit in die Raumzeit "mischt" .

Alle Beobachtungen zum Elektromagnetismus beziehen sich auf das, was als primärer Magnetismus angesehen werden könnte, zB werden Störungen im Magnetfeld 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 Vakuumdurchlässigkeit ist .

In einem Material,

Die Größe μ 0 M wird magnetische Polarisation genannt .

Wenn das Feld H klein ist, ist die Reaktion der Magnetisierung M in einem Dia- oder Paramagneten ungefähr linear:

die Proportionalitätskonstante wird magnetische Suszeptibilität genannt. Wenn ja,

Bei einem Hartmagneten wie einem Ferromagneten ist M nicht proportional zum Feld und ist im Allgemeinen von Null verschieden, selbst wenn H Null ist (siehe Remanenz ).

Magnetkraft

Magnetische Kraftlinien eines Stabmagneten, dargestellt durch Eisenspäne auf Papier
Magnetfeld mit Kompass und mit Eisenspäne erkennen

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

Die Maxwell-Gleichungen, die bei stationären Strömen zum Biot-Savart-Gesetz vereinfacht werden, beschreiben den Ursprung und das Verhalten der Felder, die diese Kräfte bestimmen. Daher wird Magnetismus immer dann beobachtet, wenn elektrisch geladene Teilchen in Bewegung sind – zum Beispiel durch die Bewegung von Elektronen in einem elektrischen Strom oder in bestimmten Fällen durch die Umlaufbewegung von Elektronen um einen Atomkern. Sie entstehen auch aus "intrinsischen" magnetischen Dipolen, die sich aus dem quantenmechanischen Spin ergeben .

Dieselben Situationen, die Magnetfelder erzeugen – 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; zu den Kräften auf einen intrinsischen Dipol siehe magnetischer Dipol.

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

wo

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

Da es sich um ein Kreuzprodukt handelt, ist die Kraft sowohl zur Bewegung des Teilchens 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 zu einer Beschleunigung oder Verlangsamung führen. Der Betrag der Kraft ist

wo ist der Winkel zwischen v und B .

Ein Werkzeug zur Bestimmung der Richtung des Geschwindigkeitsvektors einer bewegten Ladung, des Magnetfelds und der ausgeübten Kraft ist das Beschriften des Zeigefingers "V", des Mittelfingers "B" und des Daumens "F" mit der rechten Hand. Wenn eine pistolenartige Konfiguration hergestellt wird, wobei der Mittelfinger unter dem Zeigefinger kreuzt, repräsentieren die Finger den Geschwindigkeitsvektor, den Magnetfeldvektor bzw. den Kraftvektor. Siehe auch Rechte-Hand-Regel .

Magnetische Dipole

Eine sehr verbreitete 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 gegenüberliegende Enden von Magneten angezogen werden, wird der Nordpol eines Magneten vom Südpol eines anderen Magneten angezogen. Der magnetische Nordpol der Erde (derzeit im Arktischen Ozean nördlich von Kanada) ist physikalisch ein Südpol, da er den Nordpol eines Kompass anzieht. Ein Magnetfeld enthält Energie und physikalische Systeme bewegen sich zu Konfigurationen mit niedrigerer Energie. Wenn diamagnetisches Material in ein Magnetfeld eingebracht 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 eingebracht wird, richten sich die magnetischen Dipole auf das angelegte Feld aus und erweitern so die Domänenwände der magnetischen Domänen.

Magnetische Monopole

Da ein Stabmagnet seinen Ferromagnetismus von Elektronen erhält, die gleichmäßig über den Stab verteilt sind, ist jedes der resultierenden Stücke, wenn ein Stabmagnet in zwei Hälften geschnitten wird, ein kleinerer Stabmagnet. Obwohl ein Magnet einen Nordpol und einen Südpol haben soll, können diese beiden Pole nicht voneinander getrennt werden. Ein Monopol – falls es so etwas gibt – wäre ein neues und grundlegend anderes magnetisches Objekt. Es würde als isolierter Nordpol fungieren, nicht an einem Südpol oder umgekehrt. Monopole würden analog zur elektrischen Ladung "magnetische Ladung" tragen. Trotz systematischer Suche seit 1931 wurden sie ab 2010 nie beobachtet und könnten sehr gut nicht existieren.

Dennoch sagen einige Modelle der theoretischen Physik die Existenz dieser magnetischen Monopole voraus . Paul Dirac beobachtete 1931, dass, da Elektrizität und Magnetismus eine gewisse Symmetrie aufweisen , ebenso wie die Quantentheorie vorhersagt, dass einzelne positive oder negative elektrische Ladungen ohne die entgegengesetzte Ladung beobachtet werden können, isolierte magnetische Süd- oder Nordpole beobachtbar sein sollten. Mit Hilfe der Quantentheorie zeigte Dirac, dass man, wenn magnetische Monopole existieren, die Quantisierung der elektrischen Ladung erklären könnte – das heißt, warum die beobachteten Elementarteilchen Ladungen tragen, die ein Vielfaches der Ladung des Elektrons sind.

Bestimmte große vereinheitlichte Theorien sagen die Existenz von Monopolen voraus, die im Gegensatz zu Elementarteilchen Solitonen (lokalisierte Energiepakete) sind. Die ersten Ergebnisse dieser Modelle zur Schätzung der Zahl der beim Urknall entstandenen Monopole widersprachen kosmologischen Beobachtungen – die Monopole wären so reichlich 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, indem Modelle geschaffen wurden, in denen Monopole existierten, aber selten genug waren, um mit aktuellen Beobachtungen konsistent zu sein.

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 Am -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 ich bin 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 Öffner = kg⋅m⋅A −1 ⋅s −3
D elektrisches Verschiebungsfeld Coulomb pro Quadratmeter C / m 2 A⋅s⋅m −2
ε Permittivität Farad pro Meter W/m kg -1 ⋅m -3 ⋅A 2 ⋅s 4
χ e elektrische Anfälligkeit ( dimensionslos ) 1 1
G ; Y ; B Leitfähigkeit ; Einlass ; 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 magnetische Feldstärke Ampere pro Meter Bin Am -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⋅ms −2 ⋅A −2
χ magnetische Suszeptibilität ( dimensionslos ) 1 1
µ magnetisches Dipolmoment Ampere Quadratmeter Am 2 A⋅m 2 = J⋅T -1

Sonstiges

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 Tesla

Einige Organismen können Magnetfelder erkennen, 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 nur ein Nebenprodukt des Eisengehalts sind. Zum Beispiel produzieren Chitons , eine Art Meeresmolluske, Magnetit, um ihre Zähne zu härten, und sogar der Mensch produziert Magnetit im Körpergewebe. Die Magnetobiologie untersucht die Auswirkungen von Magnetfeldern auf lebende Organismen; Felder, die von einem Organismus natürlich erzeugt werden, werden als Biomagnetismus bezeichnet . Viele biologische Organismen bestehen hauptsächlich aus Wasser, und da Wasser diamagnetisch ist , können extrem starke Magnetfelder diese Lebewesen abstoßen.

Quantenmechanischer Ursprung des Magnetismus

Während heuristische Erklärungen auf der Grundlage der klassischen Physik formuliert werden können, können Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus nur mit der Quantentheorie vollständig erklärt werden. Ein erfolgreiches Modell wurde bereits 1927 von Walter Heitler und Fritz London entwickelt , die quantenmechanisch herleiteten, wie aus Wasserstoffatomen, also aus den atomaren Wasserstofforbitalen und zentriert an den Kernen A und B , Wasserstoffmoleküle entstehen , siehe unten. Dass dies zu Magnetismus führt, ist keineswegs offensichtlich, wird aber im Folgenden erläutert.

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

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

Bezüglich der Spinfunktion , die für den Magnetismus verantwortlich ist, gilt das bereits erwähnte Pauli-Prinzip, dass nämlich ein symmetrisches Orbital (dh mit dem + Vorzeichen wie oben) mit einer antisymmetrischen Spinfunktion (dh mit einem − Vorzeichen) multipliziert werden muss. , und umgekehrt . Daher:

,

Dh nicht nur und muss durch α bzw. β ersetzt werden (die erste Entität bedeutet "Spin-Up", die zweite "Spin-Down"), sondern auch das Vorzeichen + durch das − Vorzeichen und schließlich r i durch das diskrete Werte s i (= ±½); damit haben wir und . Der „ Singulett-Zustand “, also das −-Zeichen, bedeutet: Die Spins sind antiparallel , dh für den Festkörper haben wir Antiferromagnetismus , für zweiatomige Moleküle einen Diamagnetismus . Die Tendenz zur Bildung einer (homoeopolaren) chemischen Bindung (das heißt: die Bildung eines symmetrischen Molekülorbitals, dh mit dem +-Zeichen) führt durch das Pauli-Prinzip automatisch zu einem antisymmetrischen Spinzustand (dh mit dem −-Zeichen). Dagegen würde die Coulomb-Abstoßung der Elektronen, also die Tendenz, sich durch diese Abstoßung auszuweichen, zu einer antisymmetrischen Orbitalfunktion (dh mit dem − Vorzeichen) dieser beiden Teilchen führen und komplementär zu einer symmetrischen Spinfunktion (also mit dem +-Zeichen eine der sogenannten „ Triplettfunktionen “). Somit wären nun die Spins parallel ( Ferromagnetismus in einem Festkörper, Paramagnetismus in zweiatomigen Gasen).

Die letztgenannte Tendenz dominiert bei den Metallen Eisen , Kobalt und Nickel sowie bei einigen seltenen Erden, die ferromagnetisch sind . Die meisten anderen Metalle, bei denen die erstgenannte Tendenz dominiert, sind unmagnetisch (zB Natrium , Aluminium und Magnesium ) oder antiferromagnetisch (zB Mangan ). Zweiatomige Gase sind auch fast ausschließlich diamagnetisch und nicht paramagnetisch. Das Sauerstoffmolekül ist jedoch wegen der Beteiligung von π-Orbitalen eine für die Lebenswissenschaften wichtige Ausnahme.

Die Heitler-London-Überlegungen können auf das Heisenberg-Modell des Magnetismus (Heisenberg 1928) verallgemeinert werden .

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

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Literaturverzeichnis