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Magnetismus



Magnetismus ist ein physikalisches Phänomen, durch das Gegenstände/Teilchen anziehende oder abstoßende Kräfte und/oder Momentee auf andere Gegenstände/Teilchen ausüben können. Magnetismus entsteht durch die Bewegung von elektrischen Ladungen oder durch den Spin der Elementarteilchen.

Der Magnetismus von Festkörpern hat seinen Ursprung im Magnetismus der Atome/Ionen und Elektronen, aus denen er aufgebaut ist. Im engeren Sinne spricht man nur dann von einem magnetischen Material, wenn die elementaren magnetischen Momente so ausgerichtet sind, dass sie sich zumindest nicht vollständig gegenseitig kompensieren, der Stoff also eine makroskopische Magnetisierung aufweist. Bekannte Beispiele sind die ferromagnetischen Metalle Eisen, Nickel und Kobalt oder auch das Mineral Magnetit. Aber auch wenn ein Stoff keine makroskopische Magnetisierung aufweist, kann er von Magnetfeldern beeinflusst werden; solche Effekte sind in der Regel jedoch viel zu schwach, um sie im Alltag beobachten zu können. Die Magnetochemie, ein Teilbereich der Physikalischen Chemie untersucht die magnetischen Eigenschaften von Substanzen.


Magnetfeld um einen Stabmagneten

Table of contents
1 Grundlagen
2 Magnetismus in Materie
3 Elektromagnetismus
4 Magnetismus jenseits der Naturwissenschaften

Grundlagen

Magnetfelder

Magnetische Kräfte werden durch die Bewegung elektrischer Ladungen erzeugt. Die Geschwindigkeit (in Betrag und Richtung), sowie die Größe (Betrag und Vorzeichen) der bewegten Ladungen bestimmen die Stärke und Richtung der magnetischen Kräfte. Die Entstehung und das Verhalten der Felder, die diesen Kräften zugrunde liegen, werden durch die Maxwellgleichungen beschrieben. Anders als beim elektrischen Feld gibt es beim Magnetfeld keine magnetische Ladung (magnetischer Monopol) als Quellen des Feldes. Das Magnetfeld ist also quellenfrei. Im Gegensatz zu den Feldlinien elektrischer Felder, die an elektrischen Ladungen beginnen und enden können (in der Elektrostatik ist das sogar stets der Fall), sind magnetische Feldlinien also stets geschlossen.

Magnetische Dipole

Wenn sich Ladungsträger auf einer geschlossenen Bahn bewegen, zeigen die Feldlinien des Magnetfeldes im Inneren der Bahn alle in dieselbe Richtung. Das Ergebnis nennt man magnetischen Dipol. Das Produkt aus Ladungsträgerstrom und von ihm umflossener Fläche nennt man magnetisches Dipolmoment oder kurz magnetisches Moment. Die beiden Pole eines magnetischen Dipols werden auch Nordpol und Südpol genannt. Wenn ein magnetischer Dipol in ein Magnetfeld gebracht wird, strebt er danach, sich zu diesem Feld auszurichten. Dieser Effekt wird zum Beispiel beim magnetischen Kompass ausgenutzt, in dem sich die Kompassnadel, ein magnetischer Dipol, nach dem Erdmagnetfeld ausrichtet.

Magnetische Monopole

Von Paul A. M. Dirac stammte die Spekulation, es gäbe magnetische Monopole. Diese Spekulation hat vor allem den Vorteil, dass der Nachweis eines einzigen magnetischen Monopols erklären könnte, warum die elektrische Ladung stets nur in ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung auftritt. Trotz intensiver Bemühungen konnte bisher allerdings die Existenz eines solchen Teilchens nicht nachgewiesen werden.

Magnetismus in Materie

Magnetisches Moment von Elementarteilchen

Elementarteilchen besitzen ein jeweils charakteristischs Magnetisches Moment .

Magnetisches Moment einiger Elementarteilchen
Elementarteilchen Bezeichnung
Elektron
Myon
Proton
Neutron

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 einer voll gefüllten (Sub-)Schale ergibt jeweils null, sodass Atome, die keine teilgefüllten Schalen besitzen, kein permamentes Hüllenmoment aufweisen. Im äußeren Magnetfeld wird jedoch ein magnetisches Moment induziert, das seiner Entstehung entgegenwirkt (abstoßende Kraft im inhomogenen Magnetfeld). Atome mit dieser Eigenschaft nennt man diamagnetisch. Atome mit teilgefüllten Schalen weisen hingegen ein permamentes Hüllenmoment auf. Solche Atome heißen paramagnetisch. Auch wenn das Kernmoment sehr klein ist, läßt es sich nicht nur nachweisen (NMR, "Nuclear Magnetic Resonance" = Kernmagnetische Resonanz), sondern auch praktisch anwenden (z.B. Kernspintomografie).

Magnetismus von Festkörpern

Beim Magnetismus von Festkörpern handelt es sich um ein kooperatives Phänomen. Selbst wenn die Bausteine (Atome, Ionen, (quasifreie Elektronen), aus denen der Festkörper aufgebaut ist, nichtverschwindende magnetische Momente tragen, weisen nur wenige Materialien eine makroskopische Magnetisierung auf. In der Regel sind die elementaren magnetischen Momente so ausgerichtet, dass sie sich gegenseitig kompensieren. Der Grund dafür ist, dass die Valenzelektronen, die die magnetischen Eigenschaften der Atome bestimmen, nun zur chemischen Bindung beitragen. Bei der Verteilung der Elektronen auf die neuen Bindungszustände wird die gegenseitige Orientierung der Elektronen durch die Austauschwechselwirkung bestimmt. Diese ist in der Regel für eine parallele Ausrichtung der magnetischen Momente energetisch ungünstig. Eine Ausnahme davon stellen z.B. die Übergangsmetalle Eisen, Nickel und Kobalt dar. Solche Stoffe nennt man ferromagnetisch (von lat. ferrum, Eisen). Ab einer bestimmten Temperatur, der sog. Curie-Temperatur (nach Marie Curie, Nobelpreis Physik 1903, Chemie 1911), überwiegt die thermische Energie die Energie der Austauschwechselwirkung, und die ferromagnetische Ordnung wird aufgebrochen. Der Festkörper geht dann in die paramagnetische Phase über. Zu Domänenn im Ferromagneten siehe auch Ferromagnetismus.

Die ferromagnetische Ordnung ist ein Spezialfall der magnetischen Ordnung. Neben dem ungeordneten Zustand gibt es noch andere Formen der magnetischen Ordnung, darunter Antiferromagnetismus und Spindichtewellen.

Elektromagnetismus

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

In elektrische 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 Prinzipes. Aber auch in der Metallverarbeitung (Induktionsöfen) und zum Erhitzen von sogar nichtleitenden Substanzen kommt diese Form des Elektromagnetismus zur Anwendung (Mikrowellenherd).

Andere zum Thema passende Wiki:

Magnetismus jenseits der Naturwissenschaften

Umgangssprachlich wird der Begriff Magnetismus auch für menschliche Verhaltensweisen gebraucht. Man spricht davon, dass jemand von einer Person oder Sache magnetisch angezogen wird.

Der Arzt Franz Anton Mesmer entwickelte eine Theorie, die 1784 von der französischen Akademie der Wissenschaften geprüft und verworfen wurde, nach der ein Fluidum, 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: Durchflutung - Johann Ulrich Wirth




     
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