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Magnetismus




Magnetismus ist ein physikalisches Phänomen, das sich als Kraftwirkung zwischen Magneten, magnetisierten bzw. magnetisierbaren Gegenständen und bewegten elektrischen Ladungen wie z. B. in stromdurchflossenen Leitern äußert. Die Vermittlung dieser Kraft erfolgt über ein Magnetfeld, das einerseits von diesen Objekten erzeugt wird und andererseits auf sie wirkt. Alle Erscheinungsformen von Magnetismus können letztlich auf die Bewegung von elektrischen Ladungen oder das magnetische Moment von Elementarteilchen als Folge ihres Spins zurückgeführt werden. Der Magnetismus ist ein Teilgebiet des Elektromagnetismus, welcher eine der vier Grundkräfte der Physik repräsentiert.

Inhaltsverzeichnis

Magnetfelder

Magnetfelder gehören zur Kategorie der konservativen Kraftfelder.

Feldlinien

 

Magnetische Feldlinien geben in jedem Punkt die Richtung des Magnetfeldes bzw. des magnetischen Flusses an. Der Abstand zwischen benachbarten Feldlinien ist ein Anhaltspunkt für die Stärke des Magnetfeldes: je dichter die Feldlinien, desto stärker das Feld.

Magnetische Feldlinien haben keinen Anfang und kein Ende, sondern verlaufen als geschlossene Bahnen. In der Magnetostatik gibt es im Gegensatz zur Elektrostatik keine Ladungen – magnetische Monopole sind zwar mathematisch denkbar, alle experimentellen Tatsachen sprechen aber gegen ihre Existenz. Somit ist das Magnetfeld quellenfrei.

Magnetische Feldlinien können durch die Ausrichtung von Eisenfeilspänen sichtbar gemacht werden; für dreidimensionale Demonstrationen kann man die Eisenfeilspäne zum Beispiel in Silikonöl suspendieren.

Magnetische Kraftwirkung

Das magnetische Feld übt eine Kraft auf bewegte Ladungen aus, die so genannte Lorentzkraft. Sie wirkt senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfeldes sowie senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung.

Das magnetische Feld übt ferner Kräfte auf Magnete und magnetisierbare Körper aus. Im einfachsten Fall kann man diese Probekörper als magnetische Dipole beschreiben. Das Magnetfeld übt auf den Probekörper ein Drehmoment aus und richtet ihn tangential zu den Feldlinien aus. Dieser Effekt wird zum Beispiel beim magnetischen Kompass ausgenutzt, in dem sich die Kompassnadel, ein magnetischer Dipol, nach dem Erdmagnetfeld ausrichtet.

Bei der Wechselwirkung zwischen zwei solchen Dipolen, beispielsweise zwei Stabmagneten, richten sich die beiden Magnete durch dieses Drehmoment zunächst parallel aus. Da sich ungleichnamige Pole anziehen und gleichnamige abstoßen, wenden die beiden Magnete dabei ungleichnamige Pole einander zu. In dieser Anordnung ziehen sich die beiden Magnete an. Ursache ist, dass die Anziehungskraft auf den zugewandten Pol des einen Magneten größer ist als die Abstoßung auf seinen abgewandten, da das Magnetfeld des anderen Magneten mit dem Abstand abnimmt. In der mathematischen Beschreibung der Kraft spielt daher der Gradient des Magnetfeldes eine Rolle.

Die Kräfte zwischen zwei Magneten lassen sich auch über die Betrachtung der Energie erklären, die das Magnetfeld darstellt. Danach wirken die Kräfte stets so, dass die Gesamtenergie des Feldes abnimmt, wenn die Magnete ihnen folgen würden.

Größen und Einheiten

Die Stärke eines Magnetfeldes kann durch zwei verschiedene physikalische Größen ausgedrückt werden, die magnetische Feldstärke H (Einheit: A/m) und die magnetische Flussdichte B (Einheit Tesla). Während die magnetische Feldstärke bei Berechnungen mit elektrischen Strömen von Vorteil ist, verwendet man die magnetische Flussdichte zum Berechnen von induzierten Spannungen oder der Lorentzkraft. Die beiden Feldgrößen sind über einen materialabhängigen Umrechnungsfaktor miteinander verknüpft, der Permeabilität genannt wird.

Stärkstes und schwächstes Magnetfeld

Das mit 0,000000001 Tesla (1 nT) derzeit schwächste Magnetfeld auf der Erde findet man in einem speziell abgeschirmten kubischen Gebäude der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin. Zweck des Kubus ist die Messung der schwachen Hirnströme von Menschen.

Am National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee (Florida) wird das mit 45 Tesla derzeit stärkste (stabile) Magnetfeld auf der Erde erzeugt. Mittels intensiver Laserstrahlung lassen sich sogar Magnetfelder von bis zu 34.000 Tesla erzeugen − allerdings nur für die extrem kurze Zeitspanne von etwa 10 Picosekunden.

Auf der Oberfläche von Neutronensternen, wie z. B. Pulsaren, herrschen dagegen typischerweise Flussdichten der Magnetfelder von 108 Tesla, bei Magnetaren, einer speziellen Sorte von Neutronensternen, sogar 1011 Tesla.

Elektromagnetismus

Bei magnetischen Feldern handelt es sich um einen Effekt der speziellen Relativitätstheorie, welcher durch die Relativbewegung zwischen geladenen Teilchen entsteht. Die Geschwindigkeit (in Betrag und Richtung), sowie die Größe (Betrag und Vorzeichen) der bewegten Ladungen bestimmen die Stärke und Richtung der magnetischen Kräfte. Für eine abstraktere Darstellung des Elektromagnetismus siehe den Artikel Elektrodynamik.

  Eine konstante Bewegung von Ladungsträgern bewirkt ein magnetisches Feld, das folgenden Regeln folgt:

  • Für einen elektrischen Strom, der durch einen Draht fließt, lässt sich die Richtung des Magnetfelds mit Hilfe der Rechte-Hand-Regel bestimmen: Der Leiter wird so umfasst, dass der abgespreizte Daumen die konventionelle/technische Stromrichtung (entgegen dem Elektronenfluss) anzeigt, dann zeigen die Finger die Richtung des entstehenden Magnetfeldes an.
  • Für einen Kreisstrom gilt: Wenn die Finger der rechten Hand in Richtung der technischen Stromrichtung gekrümmt sind, zeigt der Daumen in Richtung des magnetischen Nordpols. (Vgl. erste Regel: Daumen folgt der Leiterschleife, gekrümmt Finger überlagern zur Quelle des magnetischen Feldes/Nordpol)
  • Eine andere Regel hierzu ist die so genannte Rechtsschraubenregel.
  • Messung von magnetischen Feldern ist u. a. mit Hallsonden möglich.

In elektrischen Leitern, die sich durch ein magnetisches Feld bewegen, wird eine Spannung und gegebenenfalls ein Stromfluss induziert.

Zeitlich veränderliche Bewegung von Ladungsträgern resultiert in einer differenzialen Veränderung im elektrostatischen und magnetischen Feld ihrer Umgebung. Man spricht von elektromagnetischen Wellen wenn die Frequenz der Veränderung sich in gegebenen Medien ausbreitet. Licht (egal ob sichtbar oder unsichtbar) und Rundfunk sind die bekanntesten Formen dieses Prinzips. Aber auch in der Metallverarbeitung (Induktionsöfen) und zum Erhitzen von sogar nicht leitenden Substanzen kommt diese Form des Elektromagnetismus zur Anwendung (Mikrowellenherd).

Magnetismus der Materie

Magnetisches Moment von Elementarteilchen

Viele geladene Elementarteilchen besitzen ein charakteristisches magnetisches Moment \vec{\mu}. Es ist mit ihrem Spin verknüpft, den man im Rahmen eines vorstellbaren Bildes als Rotation der Teilchen um sich selbst interpretieren kann.

Magnetisches Moment μ einiger Elementarteilchen
Elementarteilchen Bezeichnung μ / (JT − 1)
Elektron μe -9{,}284.764.12(80) \cdot 10^{-24}
Myon μμ -4{,}490.447.99(40) \cdot 10^{-26}
Proton μp 1{,}410.606.71(12) \cdot 10^{-26}
Neutron μN -0{,}966.236.45(24) \cdot 10^{-26}

Magnetisches Moment von Atomen

Das magnetische Moment eines Atoms setzt sich zusammen aus dem Beitrag der Elektronenhülle (Hüllenmoment), und dem im allgemeinen viel schwächeren Kernbeitrag (Kernmoment).

Zum Hüllenmoment tragen das Bahnmoment, das mit dem Bahndrehimpuls der Elektronen verknüpft ist, und das durch den Elektronenspin bestimmte Spinmoment bei. Die Summe der magnetischen Momente der Elektronen eines doppelt besetzten Orbitals ergibt jeweils null, sodass Atome, die keine halbbesetzten Orbitale besitzen, kein permanentes Hüllenmoment aufweisen.

Das Kernmoment ist zwar sehr klein, es lässt sich aber dennoch nicht nur nachweisen (NMR, „Nuclear Magnetic Resonance“ = kernmagnetische Resonanz), sondern auch praktisch anwenden (z. B. Kernspintomografie).

Magnetismus von Festkörpern

Magnetismus von Festkörpern ist ein kooperatives Phänomen. Die makroskopische Magnetisierung setzt sich additiv aus den Beiträgen der einzelnen Bausteine (Atome, Ionen, quasifreie Elektronen), aus denen der Festkörper aufgebaut ist, zusammen. Bei den vielen Materialien haben bereits die einzelnen Bausteine kein magnetisches Moment. Allerdings weisen selbst von Materialien, deren Bausteine nichtverschwindende magnetische Momente tragen, nur wenige eine makroskopische Magnetisierung auf. Die Ursache ist, dass sich die einzelnen Bausteine in der Regel so anordnen, dass sich ihre Beiträge aufheben.

In Festkörpern können fünf Typen von Magnetismus auftreten [1]

Diamagnetismus

Bringt man eine Substanz in ein magnetisches Feld, so induziert dieses in den Elektronenhüllen der Atome einen Strom, dessen Magnetfeld nach dem Lenzschen Gesetz dem äußeren entgegengerichtet ist. Diamagnetismus führt so zu einer Abschwächung des Magnetfeldes in der Substanz. In Materialien deren Atome, Ionen oder Moleküle keine ungepaarten Elektronen besitzen, ist Diamagnetismus die einzige Form von Magnetismus.

Paramagnetismus

Besitzen die Atome, Ionen oder Moleküle eines Materials ein magnetisches Moment, so richten sich diese parallel zum äußeren Magnetfeld aus. Dies bewirkt eine Verstärkung des Magnetfeldes im Material. Bei einem idealen Paramagneten sind die einzelnen magnetischen Momente von einer isoliert. Darum bricht das innere Magnetfeld nach Entfernen des äußeren wegen der Wärmebewegung der Teilchen entgegen. Dementsprechend nimmt der Paramagnetismus mit steigender Temperatur ab.

Ferromagnetismus

Beim Ferromagnetismus sind die magnetischen Momente einzelner Teilchen nicht unabhängig voneinander sondern richten sich spontan parallel aus. Die Kopplung der magnetischen Momente erstreckt sich aber nicht über das ganze Material sondern ist auf kleine Bereiche, die Weissschen Bezirke, beschränkt. Die Ausrichtung der Weissschen Bezirke ist statistisch verteilt, so dass der Gesamtkörper unmagnetisch erscheint. Durch ein äußeres Magnetfeld kann man die Weissschen Bezirke gleichrichten. Diese Gleichrichtung bleibt auch nach Entfernen des äußeren Feldes erhalten, so dass man eine permanente Magnetisierung erhält. Die Magnetisierung kann man durch Erhitzen über die ferromagnetische Curie-Temperatur zerstören.

Ferrimagnetismus

Auch beim Ferrimagnetismus sind die magnetischen Momente einzelner Teilchen nicht unabhängig voneinander. Es liegen aber zwei Arten von magnetischen Zentren vor. Die Spinmomente gleichartiger Zentren richten sich dabei parallel und die verschiedener antiparallel aus. Dieses führt zu einer partiellen Auslöschung der magnetischen Momente. Im übrigen Verhalten ähneln sie den Ferromagneten.

Antiferromagnetismus

Auch beim Antiferromagnetismus sind die magnetischen Momente einzelner Teilchen nicht unabhängig voneinander sondern richten sich spontan anti-parallel aus. Daher zeigt der ideale Antiferromagnet nach außen kein magnetisches Verhalten. Mit steigender Temperatur stört die Wärmebewegung die Anordnung, so dass sich der Antiferromagnet zunehmend wie ein Ferrimagnet verhält.

Amagnetismus

Ein amagnetischer Stoff ist im Allgemeinen unbeeinflussbar durch magnetische Felder. Häufig findet man auch die Bezeichnungen nicht- oder unmagnetisch. Zu beachten ist jedoch, dass es bei sehr hohen Magnetfeldstärken auch bei amagnetischen Materialien zu Anziehungs- oder im noch geringeren Maße zu Abstoßungseffekten kommen kann. Diese Effekte sind jedoch wesentlich schwächer als es zum Beispiel bei ferromagentischen Stoffen (wie z.B. Eisen) der Fall wäre. Die Bezeichnung amagnetisch ist nicht einheitlich und der Grad des Magnetismus kann beobachtbar schwanken.

Magnetismus in der Biologie

Magnetische Wechselfelder können über Induktion elektrische Ströme im Gewebe auslösen und können so einen (schwachen) Einfluss auf das Nervensystem haben. Beispielsweise sind bei entsprechenden Feldern sogenannte Magnetophosphene, gemeint sind optische Sinneswahrnehmungen, zu beobachten. Auch der motorische Cortex kann derartig mit Hilfe der Transkraniellen Magnetstimulation (TMS) stimuliert werden, dass es zu unwillkürlichen Muskelkontraktionen kommt. Des weiteren ist seit langem bekannt, dass magnetische Wechselfelder die Sekretion von Hormonen (Beispiel Melatonin) beeinflussen können.

Viele Vögel, Meeresschildkröten und weit ziehende Fische verfügen über einen Magnetsinn und können sich mittels des Erdmagnetfelds orientieren.

Der Arzt Franz Anton Mesmer entwickelte eine Theorie, die 1784 von der französischen Akademie der Wissenschaften geprüft und verworfen wurde, nach der ein Fluid, das Mesmer als Magnetismus animalis bezeichnete, von Mensch zu Mensch übertragbar sei und bei der Hypnose und bestimmten Heilverfahren (Mesmersche Streichungen) eine Rolle spielen sollte.

Siehe auch: Magnetotaxis, Magnetospirillum magnetotacticum, Magnetosom

Magnetismus als Metapher

Umgangssprachlich wird der Begriff Magnetismus auch für menschliche Verhaltensweisen gebraucht. Man spricht davon, dass jemand von einer attraktiven Person oder Sache magnetisch angezogen wird. Ein „Zuschauermagnet“ ist eine Sache, bei der die Leute stehen bleiben und sie sich ansehen.

Siehe auch

Zum Magnetismus:

Literatur

  1. Holleman-Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie. Walter de Gruyter New York Berlin, 101. Auflage, 1995 1300-1310.
 
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Magnetismus aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
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