Magnetismus

ÔĽŅ
Magnetismus

Magnetismus ist ein physikalisches Ph√§nomen, das sich als Kraftwirkung zwischen Magneten, magnetisierten bzw. magnetisierbaren Gegenst√§nden und bewegten elektrischen Ladungen wie z. B. in stromdurchflossenen Leitern √§u√üert. Die Vermittlung dieser Kraft erfolgt √ľber ein Magnetfeld, das einerseits von diesen Objekten erzeugt wird und andererseits auf sie wirkt.

Magnetfelder entstehen zum einen bei jeder Bewegung von elektrischen Ladungen. Das ist Grundlage von Elektromagneten und wegen des Induktionsgesetzes auch der induktiven elektronischen Bauelemente. Zum anderen existiert das magnetische Moment von Elementarteilchen als Folge ihres Spins, was zu Dauermagneten und anderen magnetischen Eigenschaften von Festk√∂rpern, aber auch Fl√ľssigkeiten und Gasen f√ľhrt.

Der Magnetismus ist ein Teilgebiet des Elektromagnetismus, welcher eine der vier Grundkräfte der Physik repräsentiert.

Eisenfeilspäne auf Papier, die sich entsprechend dem Feld eines darunter befindlichen Stabmagneten ausgerichtet haben, zeigen den Verlauf der magnetischen Feldlinien. Die Buchstaben N und S dienen lediglich der Erklärung.

Inhaltsverzeichnis

Magnetfelder und Feldlinien

Um die Erscheinungen des Magnetismus zu beschreiben, f√ľhrte man den Begriff des Magnetfelds ein. Magnetfelder k√∂nnen verursacht werden durch

Magnetische Feldlinien veranschaulichen in jedem Punkt des Feldes Richtung und Richtungssinn des Magnetfeldes bzw. des magnetischen Flusses. Der Abstand zwischen benachbarten Feldlinien ist ein Anhaltspunkt f√ľr die St√§rke des Magnetfeldes: je dichter die Feldlinien, desto st√§rker das Feld.

Magnetische Feldlinien haben keinen Anfang und kein Ende, sondern verlaufen als geschlossene Bahnen.[1] In der Magnetostatik gibt es im Gegensatz zur Elektrostatik keine Ladungen ‚Äď magnetische Monopole sind zwar denkbar, alle experimentellen Tatsachen sprechen aber gegen ihre Existenz. Somit ist das Magnetfeld quellenfrei.

Magnetische Feldlinien k√∂nnen durch die Ausrichtung von Eisenfeilsp√§nen oder einer Kompassnadel sichtbar gemacht werden; f√ľr dreidimensionale Demonstrationen kann man die Eisenfeilsp√§ne zum Beispiel in Silikon√∂l suspendieren.

Hall-Sonden sind elektronische Sensoren auf Basis des Hall-Effektes, die Stärke und oft auch Richtung der Magnetfelder messen können.

Nord- und S√ľdpol

In Elektromagneten oder Permanentmagneten bezeichnet man Gebiete, aus denen die Feldlinien austreten, als Nordpol und Gebiete, in die Feldlinien eintreten, als S√ľdpol. Stabmagneten richten sich bei Fehlen anderer Kr√§fte so aus, dass der Nordpol in Richtung Norden, zum arktischen Magnetpol, und der S√ľdpol in Richtung des antarktischen Magnetpols zeigt. Daher r√ľhrt auch der Name. Da der Nordpol vom arktischen Magnetpol angezogen wird, ist der Arktische Magnetpol ein magnetischer S√ľdpol.

Magnetische Kraftwirkung

Das magnetische Feld √ľbt eine Kraft auf bewegte Ladungen aus, die so genannte Lorentzkraft. Sie wirkt senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfeldes sowie senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung. Sie ist die Grundlage vieler Generatoren sowie der Ablenkung bewegter geladener Teilchen (z. B. mit Ablenkspulen). Mit dem Magnetfeld wird dabei keine Energie ausgetauscht ‚Äď es ist lediglich Vermittler (Anmerkung: bei solchen Generatoren und Motoren ist dies das Erregerfeld).

Das magnetische Feld √ľbt ferner Kr√§fte auf Magnete und magnetisierbare K√∂rper (Ferrimagnetismus der weichmagnetischen Ferrite und Ferromagnetismus von Metallen wie Eisen) aus. Magnete und gestreckte Probek√∂rper aus magnetisierbaren Materialien richten sich immer l√§ngs der Feldlinien beziehungsweise antiparallel zu diesen aus, das hei√üt, der magnetische S√ľdpol eines Probemagneten richtet sich entlang der Feldlinien zum Nordpol des erzeugenden Feldes aus. Dieser Effekt wird zum Beispiel beim magnetischen Kompass ausgenutzt, bei dem sich die Kompassnadel, ein magnetischer Dipol, nach dem Erdmagnetfeld ausrichtet. Weitere Beispiele sind Zugmagnete, Haltemagnete und Elektromagnete an Magnetkranen.

Da sich ungleichnamige Pole anziehen und gleichnamige absto√üen, sind zwei Magnete bestrebt, ungleichnamige Pole einander zuzuwenden. Handelt es sich jeweils um inhomogene Felder, ziehen sich die beiden Magnete an. Ursache f√ľr beide Beobachtungen ist, dass ein energie√§rmerer Zustand eingenommen wird ‚Äď die Kr√§fte wirken stets so, dass die Gesamtenergie des Feldes abnimmt, wenn die Magnete ihnen folgen. In der mathematischen Beschreibung der Kraft spielt daher der Gradient des Magnetfeldes eine Rolle.

Bei der Ausrichtung von Magneten und magnetisierbaren K√∂rpern in Magnetfeldern wird Energie mit dem Feld ausgetauscht ‚Äď folgen die K√∂rper der Kraft, nimmt die Summe der Feldenergie ab, und es wird mechanische Arbeit frei. Werden die Magnete auseinandergezogen, muss mechanische Arbeit verrichtet werden, und dadurch steigt die Feldenergie des resultierenden Gesamtfeldes. Die Magnetisierung beteiligter Dauermagnete bleibt dabei jedoch erhalten. Sind magnetisierbare K√∂rper umgebende Spulen beteiligt, kann auch Elektroenergie am Energieaustausch beteiligt sein. Beispiele hierf√ľr sind Reluktanzmotoren und Schrittmotoren.

Größen und Einheiten

Die St√§rke eines Magnetfeldes kann durch zwei verschiedene physikalische Gr√∂√üen ausgedr√ľckt werden, die magnetische Feldst√§rke H (Einheit: A/m, also Amp√®re pro Meter; im CGS-Einheitensystem gibt es den Namen Oersted f√ľr die entsprechende Einheit) und die magnetische Flussdichte B (Einheit Tesla). W√§hrend die magnetische Feldst√§rke bei Berechnungen mit elektrischen Str√∂men von Vorteil ist, verwendet man die magnetische Flussdichte zum Berechnen von induzierten Spannungen oder der Lorentzkraft. Die beiden Feldgr√∂√üen sind √ľber die Materialgleichungen der Elektrodynamik miteinander verkn√ľpft, welche sich im einfachsten Fall √ľber einen Faktor, die magnetische Permeabilit√§t, ausdr√ľcken l√§sst.

Beispiele f√ľr Magnetfelder

Das intergalaktische Magnetfeld, ausgedr√ľckt als magnetische Flussdichte in der Einheit Tesla (T), sch√§tzt man auf weniger als 0,1 nT (10‚ąí10 T), das der Milchstra√üe auf 30 nT. Das Magnetfeld der Erde hat an der Oberfl√§che eine St√§rke um 40 ¬ĶT, dies entspricht im Gau√üschen Einheitensystem 0,4 Gs. Die magnetische Flussdichte der Sonnenflecken liegt unter 1 mT. Die S√§ttigungsmagnetisierung von Eisen betr√§gt ca. zwei Tesla.

Auf der Oberfl√§che von Neutronensternen, wie z. B. Pulsaren, herrschen dagegen typischerweise Flussdichten von 108 Tesla, bei Magnetaren, einer speziellen Sorte von Neutronensternen, sogar 1011 Tesla.

Das mit 1 nT derzeit (2009) schw√§chste Magnetfeld auf der Erde findet man in einem speziell abgeschirmten kubischen Geb√§ude der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin. Zweck des Kubus‚Äô ist die Messung der schwachen Hirnstr√∂me von Menschen. Am National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee (Florida) wird das mit 45 T derzeit st√§rkste (stabile) Magnetfeld auf der Erde erzeugt.

H√∂here Magnetfelder k√∂nnen mit Elektromagneten nur in kurzen Pulsen erzeugt werden. Den Weltrekord f√ľr zerst√∂rungsfreie Magnetbauweisen h√§lt derzeit (2011) das National High Magnetic Field Laboratory in Los Alamos, USA mit 97,4 T.[2] Mittels intensiver Laserstrahlung lassen sich Flussdichten von bis zu 34 kT erzeugen ‚Äď allerdings nur f√ľr die sehr kurze Zeitspanne von etwa 10 ps. Solch hohe Magnetfelder (beispielsweise 2800 T[3]) lassen sich in gepulsten Anordnungen erzeugen, wenn in Kauf genommen wird, dass der Magnet dabei zerst√∂rt wird (bzw. sich selbst zerst√∂rt).

Magnetische Energie

Jedes Magnetfeld enth√§lt Energie. Die Energiedichte ŌĀm an einem beliebigen Punkt eines Magnetfelds im Vakuum ist gegeben durch

\rho_m = \frac{B^2}{2\mu_0}.

Dabei ist B der Betrag der magnetischen Flussdichte am gegebenen Punkt und őľ0 die Permeabilit√§t des Vakuums.

Die Gesamtenergie des Magnetfelds einer stromdurchflossenen Spule beträgt

E = \frac{1}{2} L I^2.

Hier steht L f√ľr die Induktivit√§t der Spule und I f√ľr die Stromst√§rke.

Elektromagnetismus

Bei magnetischen Feldern handelt es sich um einen Effekt, der durch die Relativbewegung zwischen geladenen Teilchen entsteht. Er wird durch die Spezielle Relativit√§tstheorie beschrieben bzw. bei Ber√ľcksichtigung quantenmechanischer Effekte (‚ÄěSpinmagnetismus‚Äú u. a.) durch die relativistische Quantenmechanik von Paul Dirac.

Ersetzt man etwa einen stromdurchflossenen Draht als typische Ursache eines Magnetfelds durch einen d√ľnnen isolierenden, in longitudinaler Richtung magnetisierten Permanentmagneten, so gilt au√üerhalb des Drahtes \mathbf B=0\,, aber man beobachtet trotzdem quantenmechanische Interferenzen (siehe Aharonov-Bohm-Effekt), was zeigt, dass au√üer der Elektrodynamik auch die Quantenmechanik eine wesentliche Rolle bei der Erkl√§rung der magnetischen Ph√§nomene spielt. F√ľr eine abstraktere Darstellung und Einordnung des Elektromagnetismus siehe den Artikel Elektrodynamik.

Bewegungen von Ladungsträgern bewirken Veränderungen im elektrostatischen und magnetischen Feld ihrer Umgebung. Da sich diese Veränderungen im Raum ausbreiten, spricht man von elektromagnetischen Wellen. Licht (egal ob sichtbar oder unsichtbar) und Rundfunk sind die bekanntesten Formen dieses Prinzips, aber auch in der Metallverarbeitung (Induktionsöfen) und zum Erhitzen sogar nichtleitender Substanzen kommt diese Form des Elektromagnetismus zur Anwendung (Mikrowellenherd).

Richtungsregeln

Rechte-Faust-Regel bzw. Korkenzieherregel [I: (konventionelle bzw. technische) Stromrichtung; B: Richtung des magnetischen Felds]

Betrag und Vorzeichen der bewegten Ladungen sowie Betrag und Richtung ihrer Geschwindigkeit bestimmen die St√§rke und Richtung der magnetischen Kr√§fte sowie der ihnen zugrundeliegenden magnetischen Felder, deren exakte Messung heute u. a. mit Hall-Sonden m√∂glich ist.

F√ľr den Zusammenhang zwischen Stromrichtung und Richtung der magnetischen Kr√§fte bzw. der ihnen zugrundeliegenden magnetischen Felder ist dabei eine Reihe unterschiedlich bezeichneter Regeln und Merkhilfen im Umlauf, die sich zun√§chst einmal danach unterscheiden, ob bei ihnen von der ‚Äěkonventionellen‚Äú bzw. ‚Äětechnischen‚Äú Stromrichtung (entgegen dem Elektronenfluss) oder aber der Richtung des Elektronenflusses (umgangssprachlich auch ‚Äěphysikalische‚Äú Stromrichtung genannt) ausgegangen wird. Ist ersteres der Fall, spricht man von Rechte-Hand- oder Rechte-Faust-Regeln, ansonsten von Linke-Hand- oder Linke-Faust-Regeln, wobei die zuerst genannten traditionell vorherrschen.

Die nächste Unterscheidung ist die danach, ob man sich bei der betreffenden Regel außer dem Daumen auch des jeweils im rechten Winkel zum Vorgänger abgespreizten Zeige- und Mittelfingers bedient oder aber sich alle Finger außer dem Daumen zu einer Faust geschlossen vorstellt.

W√§hrend die zuerst genannten Regeln damit als eigentliche Linke- bzw. Rechte-Hand-Regeln ‚Äď auch Drei-Finger-Regel, UVW-Regel oder IBF- bzw. FBI-Regel genannt ‚Äď die Richtung der Lorentzkraft auf einen bewegten Ladungstr√§ger in einem (vorgegebenen) √§u√üeren Magnetfeld anzeigen, dienen die an zweiter Stelle genannten Regeln ‚Äď Linke- bzw. Rechte-Faust-Regel, Umfassungsregel, popul√§r auch Schraubenregel bzw. Korkenzieherregel genannt ‚Äď in erster Linie dazu, die Richtung des Magnetfeldes anzuzeigen, das der bewegte Ladungstr√§ger durch seine Bewegung selbst erzeugt, sei es frei fliegend oder aber in einem geradlinigen bzw. ringf√∂rmigen elektrischen Leiter, z. B. einer Spule.

Beispiele: Rechte-Hand-Regel bzw. (rechtshändige) UVW-Regel

  1. Zeigt der abgespreizte Daumen der rechten Hand in die konventionelle bzw. technische Stromrichtung eines stromdurchflossenen (Ursache) Leiters und der im rechten Winkel zum Daumen abgespreizte Zeigefinger in Richtung des äußeren Magnetfelds (Vermittlung), weist der im rechten Winkel zu beiden abgespreizte Mittelfinger in Richtung der auf die Ladungsträger im Leiter (und damit ihn selbst) wirkenden Lorentzkraft (Wirkung).
  2. Und umgekehrt: Wird ein elektrischer Leiter durch mechanische Bewegung (Ursache) in Richtung des abgespreizten Daumens der rechten Hand in ein äußeres Magnetfeld (Vermittlung) gebracht, dessen Richtung die des im rechten Winkel zum Daumen abgespreizten Zeigefingers ist, so wird in dem Leiter ein Stromfluss (Wirkung) in Richtung des zu beiden abgespreizten Mittelfingers induziert.

Beispiele: Rechte-Faust-Regel bzw. Korkenzieherregel

  1. Wird ein stromdurchflossener Leiter mit der rechten Hand so umfasst, dass der abgespreizte Daumen in Richtung der konventionellen bzw. technischen Stromrichtung weist, zeigen die gekr√ľmmten Finger in Richtung des entstehenden Magnetfeldes.
  2. F√ľr einen Kreisstrom (z.B. den einer Spule) gilt dementsprechend: Wird die Spule mit der rechten Hand so umfasst, dass die Finger in Richtung der technischen Stromrichtung gekr√ľmmt sind, zeigt der abgespreizte Daumen in Richtung des magnetischen Nordpols.

Erklärung des Phänomens

Beim Magnetismus handelt es sich (√§hnlich wie bei der Supraleitung) um spezifisch-quantenmechanische Effekte, die nicht einfach darzustellen sind. Ein erfolgreiches Modell wurde schon 1927 mit der Heitler-London-Theorie der Bildung von Wasserstoff-Molek√ľlen entwickelt, obwohl diese Theorie zun√§chst nichts mit ‚ÄěMagnetismus‚Äú zu tun zu haben schien. Nach dieser Theorie entstehen sog. ŌÉ-Molek√ľlorbitale, d. h. es bildet sich aus den zwei atomaren Wasserstoff-Funktionen ui(‚Ķ) ein orbitaler sogenannter ŌÉ-Molek√ľlzustand:

\psi(\mathbf r_1,\,\,\mathbf r_2)=\frac{1}{\sqrt{2}}\,\,\left (u_1(\mathbf r_1)u_2(\mathbf r_2)+u_2(\mathbf r_1)u_1(\mathbf r_2)\right )\,.\qquad (1a)

Das letzte Produkt ergibt sich aus dem ersten wegen des quantenmechanischen Prinzips der Ununterscheidbarkeit identischer Teilchen. Es bedeutet: Das erste Elektron, r1, kann sich nicht nur beim ersten Atomkern befinden, sondern ebenso gut in einem atomaren Wasserstoff-Orbital beim zweiten Atomkern, w√§hrend sich das zweite Elektron beim ersten Atomkern befindet. Dies ergibt die sogenannte ‚ÄěAustauschwechselwirkung‚Äú, die f√ľr das Zustandekommen des Magnetismus eine fundamentale Rolle spielt und um Faktoren von 100 bis 1000 st√§rker ist als die durch die Elektrodynamik beschriebenen ph√§nomenologischen Terme.

Bei der Spinfunktion Ōá(s1, s2), welche f√ľr den Magnetismus verantwortlich ist, gilt dann wegen des sogenannten Pauli-Prinzips das komplement√§re Verhalten [4]

\chi (s_1,\,\,s_2)=\frac{1}{\sqrt{2}}\,\,\left (\alpha (s_1)\beta (s_2)-\beta (s_1)\alpha (s_2)\right )\,,\qquad\quad\, (1b)

d. h. es m√ľssen nicht nur die ui durch őĪ und ő≤ ersetzt werden (ersteres bedeutet ‚Äěspin up‚Äú, letzteres ‚Äěspin down‚Äú), sondern auch + durch ‚ąí, sowie z. B. r1 durch die beiden diskreten Werte von s1, n√§mlich durch ¬Ī¬Ĺ. Und zwar gilt őĪ (+1/2)=ő≤ (-1/2) = 1 und őĪ (-1/2)=ő≤ (+1/2) = 0. Es ergibt sich so, d. h. mit dem Minuszeichen in (1b), eine Singulett-Spinfunktion. Das besagt: die Spins sind antiparallel; beim Festk√∂rper bedeutet das Antiferromagnetismus und bei zweiatomigen Molek√ľlen Diamagnetismus. Die Tendenz zur Molek√ľlbindung, entsprechend der oben angegebenen Ortsfunktion, ergibt also wegen des Pauli-Prinzips automatisch die schon erw√§hnte Singulettsymmetrie des Spinzustandes; wogegen die Coulomb-Absto√üung der beiden Elektronen zu einer Singulett-Ortsfunktion und komplement√§r dazu zu einer Triplett-Spinfunktion f√ľhren w√ľrde, d. h. ‚Äědie Spins w√ľrden jetzt parallel stehen‚Äú. Der letztgenannte Effekt √ľberwiegt bei Eisen, Kobalt und Nickel; diese Metalle sind ferromagnetisch. Bei den zweiatomigen Molek√ľlen √ľberwiegt er auch beim Sauerstoff, das im Gegensatz zu den anderen zweiatomigen Molek√ľlen nicht diamagnetisch, sondern paramagnetisch ist. Der zuerst genannte Effekt √ľberwiegt dagegen bei den anderen Metallen wie Natrium, Kalium, Magnesium oder Strontium, die nichtmagnetisch sind, oder bei Mangan, das antiferromagnetisch ist.

Aus dem Heitler-London-Modell entstand durch Verallgemeinerung das grundlegende sogenannte Heisenberg-Modell des Magnetismus [5] (Heisenberg 1928).

Die Erklärung des Phänomens beruht also letztlich auf allen Subtilitäten der Quantenmechanik, einschließlich ihrer mathematischen Struktur, insbesondere auf dem dort beschriebenen Spin und dem Pauli-Prinzip, während die Elektrodynamik eher die Phänomenologie beschreibt.

Magnetismus der Materie

Magnetisches Moment von Elementarteilchen

Viele geladene Elementarteilchen besitzen ein charakteristisches magnetisches Moment \vec{\mu}. Es ist √ľber das gyromagnetische Verh√§ltnis mit ihrem Spin verkn√ľpft.

Magnetisches Moment őľ einiger Elementarteilchen[6]
Elementarteilchen Bezeichnung őľ / (JT ‚ąí 1)
Elektron őľe -9{,}284.763.77(23) \cdot 10^{-24}
Myon őľőľ -4{,}490.477.86(16) \cdot 10^{-26}
Proton őľp 1{,}410.606.662(37) \cdot 10^{-26}
Neutron őľN -0{,}966.236.41(23) \cdot 10^{-26}

Magnetisches Moment von Atomen

Das magnetische Moment eines Atoms setzt sich zusammen aus dem Beitrag der Elektronenh√ľlle (H√ľllenmoment) und dem im allgemeinen viel schw√§cheren Kernbeitrag (Kernmoment).

Zum H√ľllenmoment tragen das Bahnmoment, das mit dem Bahndrehimpuls der Elektronen verkn√ľpft 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 H√ľllenmoment aufweisen.

Das Kernmoment ist zwar sehr klein, es l√§sst sich aber dennoch nicht nur nachweisen (Zeeman-Effekt, Stern-Gerlach-Versuch), sondern auch praktisch anwenden (z. B. NMR-Spektroskopie (Nuclear Magnetic Resonance, kernmagnetische Resonanz), MR-Tomographie).

Magnetismus von Festkörpern

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

In Festk√∂rpern k√∂nnen f√ľnf Typen von Magnetismus auftreten.[7] Ihre Namensgebung erfolgt beim magnetischen wie auch beim elektrischen Feld durch die Verwendung der entsprechende Vorsilbe ganz analog:

Magnetismus Erklärung Veranschaulichung
Diamagnetismus Bringt man eine Substanz in ein magnetisches Feld, so induziert dieses in den Elektronenh√ľllen der Atome einen Strom, dessen Magnetfeld nach der Lenzschen Regel dem √§u√üeren entgegengerichtet ist. Diamagnetismus f√ľhrt so zu einer Abschw√§chung des Magnetfeldes in der Substanz. In Materialien deren Atome, Ionen oder Molek√ľle keine ungepaarten Elektronen besitzen, ist Diamagnetismus die einzige Form von Magnetismus.
Paramagnetismus Besitzen die Atome, Ionen oder Molek√ľle eines Materials ein magnetisches Moment, so richten sich diese parallel zum √§u√üeren Magnetfeld aus. Dies bewirkt eine Verst√§rkung des Magnetfeldes im Material. Bei einem idealen Paramagneten sind die einzelnen magnetischen Momente voneinander isoliert. Darum bricht das innere Magnetfeld nach Entfernen des √§u√üeren Magnetfelds wegen der W√§rmebewegung der Teilchen zusammen. Dementsprechend nimmt der Paramagnetismus mit steigender Temperatur ab. Paramagnetism with and without field.svg
Ferromagnetismus Beim Ferromagnetismus sind die magnetischen Momente einzelner Teilchen nicht unabh√§ngig voneinander, sondern richten sich spontan parallel aus. Die Kopplung der magnetischen Momente erstreckt sich aber nicht √ľber das ganze Material sondern ist auf kleine Bereiche, die Weissschen Bezirke, beschr√§nkt. Typische L√§ngenskalen sind 10 Nanometer bis wenige Mikrometer. Die Ausrichtung der Weissschen Bezirke ist statistisch verteilt, so dass der Gesamtk√∂rper unmagnetisch erscheint. Durch ein √§u√üeres Magnetfeld kann man die Bezirke gleichrichten. Diese Gleichrichtung bleibt auch nach Entfernen des √§u√üeren Feldes erhalten, so dass man eine permanente Magnetisierung erh√§lt. Die Magnetisierung kann durch Erhitzen √ľber die ferromagnetische Curie-Temperatur zerst√∂rt werden. Ferromagnetic ordering illustration.svg
Ferrimagnetismus Auch beim Ferrimagnetismus sind die magnetischen Momente einzelner Teilchen nicht unabh√§ngig voneinander. Es liegen aber zwei Arten von magnetischen Zentren vor. Die Spinmomente gleichartiger Zentren richten sich dabei parallel und die verschiedener antiparallel aus. Dieses f√ľhrt zu einer partiellen Ausl√∂schung der magnetischen Momente. Im √ľbrigen Verhalten √§hneln sie den Ferromagneten. Ferrimagnetic ordering illustration.svg
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. AntiferromagnetischerWerkstoff.png

Dar√ľber hinaus gibt es noch weitere Sonderformen des Magnetismus, die durch nicht magnetisches oder nicht-lineares Verhalten der f√ľnf Magnetismustypen gepr√§gt sind:

Amagnetismus
Ein amagnetischer Stoff ist im Allgemeinen unbeeinflussbar durch magnetische Felder. H√§ufig findet man auch die Bezeichnungen nicht- oder unmagnetisch. Zu beachten ist jedoch, dass es bei sehr hohen Magnetfeldst√§rken auch bei amagnetischen Materialien zu Anziehungs- oder im noch geringeren Ma√üe zu Absto√üungseffekten kommen kann. Diese Effekte sind jedoch wesentlich schw√§cher als es zum Beispiel bei ferromagnetischen Stoffen (wie z. B. Eisen) der Fall w√§re. Die Bezeichnung amagnetisch ist nicht einheitlich, und der Grad des Magnetismus kann beobachtbar schwanken.
Metamagnetismus
Metamagnetische Materialien (z. B. Eisen(II)-chlorid) weisen bei sehr kleinen √§u√üeren Magnetfeldern verschwindend kleine Magnetisierungen auf (antiferromagnetisch), bei gr√∂√üer werdender Feldst√§rke nimmt die Magnetisierung unverh√§ltnism√§√üig stark und gleichbleibend zu, und geht gegen einen S√§ttigungswert. Dieses Verhalten l√§sst sich darin begr√ľnden, dass sich der Kristall f√ľr kleine Felder antiferromagnetisch, und f√ľr starke Felder ferromagnetisch verh√§lt.[8]

Magnetismus in der Biologie

Magnetische Wechselfelder k√∂nnen √ľber Induktion elektrische Str√∂me im Gewebe ausl√∂sen und k√∂nnen so einen (schwachen) Einfluss auf das Nervensystem haben. So kann der motorische Cortex derartig mit Hilfe der Transkraniellen Magnetstimulation (TMS) stimuliert werden, dass es zu unwillk√ľrlichen Muskelkontraktionen kommt. Auch die Nerven in den Muskeln selbst k√∂nnen auf diese Weise stimuliert werden.

In entsprechend starken Feldern (zum Beispiel in einem Kernspintomograf) treten sogenannte Magnetophosphene (optische Sinneswahrnehmungen) auf. Des Weiteren ist seit langem bekannt, dass magnetische Wechselfelder die Sekretion von Hormonen (Beispiel Melatonin) beeinflussen können.

Viele V√∂gel, Meeresschildkr√∂ten und weit ziehende Fische verf√ľgen √ľber einen Magnetsinn und k√∂nnen sich mittels des Erdmagnetfelds orientieren.

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

Siehe auch: Magnetotaxis, Magnetospirillum magnetotacticum, Magnetosom

Gefahren

Warnung vor magnetischem Feld

Wirkungen oder Gefahren magnetischer Gleichfelder auf den Menschen sind nicht bekannt. Auch die gepulsten Felder bei der Kernspintomografie sind ungefährlich. Dagegen kommt es bei starken Feldern in folgenden Fällen zu Gefahren:

  • Kraftwirkung durch an oder im K√∂rper vorhandene ferri- oder ferromagnetische Teile
  • umher fliegende ferri- oder ferromagnetische Teile

Daher gelten in Magnetfeldlaboren und an Kernspintomografen Sicherheitsregeln, die gewährleisten, dass keinerlei magnetische Teile in die Nähe geraten. Folgende Schäden sind weiterhin relevant:

  • St√∂rung oder Ausfall von Herzschrittmachern
  • St√∂rung nicht ‚Äěamagnetischer‚Äú Uhren und anderer mechanischer Ger√§te

Gepulste Felder können durch elektromagnetische Induktion sämtliche elektronischen und elektrischen Einrichtungen beeinflussen oder zerstören, vgl. auch Elektromagnetischer Puls.

Der sporadisch starke Teilchenstrom der Sonne (Sonnenwind) f√ľhrt auf der Erde zu sogenannten magnetischen St√ľrmen, die durch Induktion Telefon- und √úberlandleitungen sowie Kabelsysteme und metallene Versorgungsleitungen gef√§hrden.

Durch magnetische Felder werden magnetische Datenträger (Tonband, Festplatte) gelöscht.

Wenn ein Magnet als Folge eines Zwischenfalls ‚Äď Kurzschluss beim konventionellen Elektromagneten oder Quenchen beim Supraleitungsmagneten ‚Äď schlagartig abschaltet, entstehen enorme Abschaltspitzen und ebensolche momentane Magnetfelder, die Gegenst√§nde noch viel gewaltsamer in den Magneten hineinziehen k√∂nnen. Daher m√ľssen Experimentieraufbauten so ausgelegt sein, dass in direkter N√§he des Magneten keine geschlossene Leiterschleifen ‚Äď beispielsweise durch irgendwelche Gestelle ‚Äď gebildet werden, die diesen Impulsen Angriffsfl√§chen bieten w√ľrden, in solche Bauteile m√ľssen dann isolierende Zwischenst√ľcke eingef√ľgt werden.

Magnetismus in Umgangssprache und Alltag

Unter Magnetismus wird in der Umgangssprache praktisch ausschließlich der Ferromagnetismus verstanden. Der Ferromagnetismus ist ein im Alltag häufig vorkommendes und praktisch begreifbares Phänomen: Haftmagnete auf der Pinnwand, Kompass, uvm. Die anderen Arten des Magnetismus (Diamagnetismus, Paramagnetismus, usw.) sind dagegen eher exotische Laborphänomene.

Die meisten Menschen verbinden den Begriff Magnetismus richtigerweise sehr stark mit den Werkstoffen Eisen und Stahl. Weniger bekannt ist, dass auch Nickel und Kobalt ferromagnetisch sind. F√ľr √úberraschungen sorgt gelegentlich die Tatsache, dass viele Edelst√§hle nicht ferromagnetisch sind, obwohl sie zum gro√üen Teil aus den ferromagnetischen Elementen Eisen und Nickel bestehen.

Zu Missverst√§ndnissen kommt es √∂fter durch die Verwechslung der Begriffe magnetisch, magnetisiert und magnetisierbar. Ein beliebiger Gegenstand aus einfachem Stahl ist magnetisch, dies bedeutet aber nicht, dass der Gegenstand auch magnetisiert ist. Ob ein Gegenstand magnetisch ist, kann man leicht pr√ľfen, indem man ihn mit einem Dauermagneten ber√ľhrt. Sp√ľrt man dabei eine Kraft, dann ist der Gegenstand ferromagnetisch. Ob ein Gegenstand magnetisiert ist ‚Äď das hei√üt, dass der Gegenstand selbst die Eigenschaft eines Dauermagneten hat ‚Äď ist schwieriger zu pr√ľfen, vor allem wenn die Magnetisierung nur schwach ist. Man kann mit dem Gegenstand ein sehr leichtes Teil aus Stahl (z. B. eine Heft- oder Tackerklammer) ber√ľhren. Bleibt die Heftklammer an dem Gegenstand h√§ngen, dann ist der Gegenstand magnetisiert. Eine solche Magnetisierung kann in der Praxis erw√ľnscht sein (z. B. sind manche Schraubendreher absichtlich magnetisiert, damit die Handhabung kleiner Schrauben vereinfacht wird). Die Magnetisierung kann aber auch unerw√ľnscht sein, weil man dadurch st√§ndig kleine Stahlsplitter an dem Gegenstand hat.

Oft gibt es falsche Vorstellungen √ľber die Magnetisierbarkeit. Laut verschiedenen Quellen l√§sst sich z. B. aus jedem beliebigen Stahldraht durch √úberstreichen mit einem Dauermagneten eine provisorische Kompassnadel herstellen. In Wirklichkeit ist aber ein sehr weicher Stahldraht nicht gut geeignet, um daraus eine Kompassnadel herzustellen, weil weicher Stahl kaum magnetisierbar ist. Wenn man einen weichen Stahldraht mit einem Dauermagneten ber√ľhrt, dann wird er zwar angezogen, aber nicht dauerhaft magnetisiert. Eine geh√§rtete Stahlnadel l√§sst sich dagegen dauerhaft magnetisieren und k√∂nnte damit als Behelfskompass funktionieren.

Siehe auch

Weblinks

Wiktionary Wiktionary: Magnetismus ‚Äď Bedeutungserkl√§rungen, Wortherkunft, Synonyme, √úbersetzungen

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ Mathematisch ausgedr√ľckt: Magnetfelder sind stets Wirbelfelder, w√§hrend elektrostatische Felder stets Gradientenfelder sind (man kann jedes Vektorfeld in einen Gradientenanteil (wirbelfreien Anteil) und einen Wirbelanteil (quellenfreien Anteil) aufspalten).
  2. ‚ÜĎ Los Alamos achieves world-record pulsed magnetic field, Pressemitteilung des Los Alamos National Laboratory vom 23. August 2011
  3. ‚ÜĎ Pr√§sentation der TU Dresden (pdf-Datei, 8,2 MB, abgerufen am 30. Juni 2011)
  4. ‚ÜĎ Nach dem Pauli-Prinzip besteht die Komplementarit√§t darin, dass bei zweiatomigen Molek√ľlen eine symmetrische Ortsfunktion (Vorzeichen +) mit einer antisymmetrischen Spinfunktion (Vorzeichen ‚ąí) zu multiplizieren ist, und umgekehrt.
  5. ‚ÜĎ Zur Theorie des Magnetismus siehe z. B. U. Krey, A. Owen, Basic Theoretical Physics - A Concise Overview, Springer, Berlin 2007.
  6. ‚ÜĎ Atomic and nuclear constants. In: NIST Standard Reference Database 121. NIST, Oktober 2008, abgerufen am 12. Apr. 2009 (englisch).
  7. ‚ÜĎ Arnold Fr. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 101. Auflage. Gruyter, New York, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9, S. 1300‚Äď1310.
  8. ‚ÜĎ Gerhard Fasching: Werkstoffe f√ľr die Elektrotechnik. 3. Auflage. Springer, Wien 1994, S. 384.

Wikimedia Foundation.

Schlagen Sie auch in anderen W√∂rterb√ľchern nach:

  • Magnetismus ‚ÄĒ Magnetismus, die Gesamtheit der magnetischen Erscheinungen. Magnete (nat√ľrliche und k√ľnstliche) sind K√∂rper, welche die F√§higkeit besitzen, Eisenst√ľcke anzuziehen und festzuhalten. Nat√ľrliche Magnete sind insbesondere die Magneteisensteine… ‚Ķ   Lexikon der gesamten Technik

  • Magnetismus ‚ÄĒ Magnetismus, ist die Ursache, verm√∂ge deren ein damit behafteter K√∂rper (Magnet) andere K√∂rper im Allgemeinen entweder anzieht (am st√§rksten weiches Eisen), od. abst√∂√üt (am st√§rksten Wismuth), von einem zweiten Magneten aber das eine Ende anzieht ‚Ķ   Pierer's Universal-Lexikon

  • Magnetismus ‚ÄĒ Magnetismus, die Eigenschaft gewisser eisenhaltiger K√∂rper (Magnete), andere eisenhaltige K√∂rper anzuziehen und festzuhalten, zuerst bei einem nat√ľrlichen Eisenerz, dem Magneteisenerz (s.d.), wahrgenommen (nat√ľrlicher Magnet); sp√§ter lernte man… ‚Ķ   Kleines Konversations-Lexikon

  • Magnetismus ‚ÄĒ Magnetismus, einesteils die F√§higkeit, magnetische oder elektrodynamische Kr√§fte (s. Magnetische Kraft) auszu√ľben, die z. B. durch die Anziehung von weichem Eisen zum Ausdruck kommt, andernteils das Agens, das als Tr√§ger dieser Kraft gedacht wird ‚Ķ   Meyers Gro√ües Konversations-Lexikon

  • Magnetismus [2] ‚ÄĒ Magnetismus der Erde. Aus der Erscheinung, da√ü ein frei beweglicher Magnet (s. Magnetnadel) sich mit seinem Nordpol ungef√§hr nach N., mit seinem S√ľdpol ungef√§hr nach S. richtet, folgt, da√ü die Erde selbst ein gro√üer Magnet ist, der in der N√§he… ‚Ķ   Kleines Konversations-Lexikon

  • Magnetismus ‚ÄĒ u. Magnet. Es gibt in der Natur Eisenerze (namentlich der Magneteisenstein), welche kleinere und auch gr√∂√üere Eisentheilchen anziehen; man nannte sie nat√ľrliche Magnete, und die Kraft, die dieser Wirkung zu Grunde liegt, M. Die nat√ľrlichen… ‚Ķ   Herders Conversations-Lexikon

  • Magnetismus ‚ÄĒ ‚óÜ Ma|gne|tiŐ£s|mus ‚Ć©m.; ; unz.‚Ć™ Sy ‚Ć©veraltet‚Ć™ Magnetik 1. Lehre von den Eigenschaften des magnetischen Feldes, seinen Wechselwirkungen u. den damit verbundenen Erscheinungen 2. das Magnetischsein ‚óÜ Die Buchstabenfolge ma|gn... kann in Fremdw√∂rtern ‚Ķ   Universal-Lexikon

  • Magnetismus ‚ÄĒ magnetizmas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. magnetism vok. Magnetismus, m rus. –ľ–į–≥–Ĺ–Ķ—ā–ł–∑–ľ, m pranc. magn√©tisme, m ‚Ķ   Automatikos terminŇ≥ Ňĺodynas

  • Magnetismus ‚ÄĒ magnetizmas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrńóŇĺtis Visuma medŇĺiagŇ≥ (magnetikŇ≥) magnetiniŇ≥ savybiŇ≥ ir reiŇ°kiniŇ≥, kuriuos sukelia elektros sroviŇ≥ ir magnetŇ≥, tik elektros sroviŇ≥ ar tik magnetŇ≥ sńÖveika. atitikmenys: angl.… ‚Ķ   Penkiakalbis aiŇ°kinamasis metrologijos terminŇ≥ Ňĺodynas

  • Magnetismus ‚ÄĒ magnetizmas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. magnetism vok. Magnetismus, m rus. –ľ–į–≥–Ĺ–Ķ—ā–ł–∑–ľ, m pranc. magn√©tisme, m ‚Ķ   Fizikos terminŇ≥ Ňĺodynas


Share the article and excerpts

Direct link
… Do a right-click on the link above
and select ‚ÄúCopy Link‚ÄĚ

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.