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.

Eisenfeilspäne auf Papier, die sich entsprechend dem Feld eines darunter befindlichen Stabmagneten ausgerichtet haben, zeigen die Richtung der magnetischen Feldlinien

Magnetfelder

Um die Erscheinungen des Magnetismus zu beschreiben, führt man den Begriff des Magnetfelds ein. Magnetfelder können verursacht werden

Feldlinien

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 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 oder einer Kompassnadel sichtbar gemacht werden; für dreidimensionale Demonstrationen kann man die Eisenfeilspäne zum Beispiel in Silikonöl suspendieren.

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

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. Sie ist die Grundlage vieler Generatoren sowie der Ablenkung bewegter geladener Teilchen (z.B. mit Ablenkspulen). Mit dem Magnetfeld wird dabei keine Energie ausgetauscht — es ist lediglich Vermittler (Anmerkung: bei solchen Generatoren und Motoren ist dies das Erregerfeld).

Das magnetische Feld übt ferner Kräfte auf Magnete und magnetisierbare Körper (Ferrimagnetismus der weichmagnetischen Ferrite und Ferromagnetismus von Metallen wie Eisen) aus. Magnete und gestreckte Probekörper aus magnetisierbaren Materialien richten sich immer längs der Feldlinien beziehungsweise antiparallel zu diesen aus, das heißt, der magnetische Südpol 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 abstoßen, sind zwei Magnete bestrebt, ungleichnamige Pole einander zuzuwenden. Handelt es sich jeweils um inhomogene Felder, ziehen sich die beiden Magnete an. Ursache für beide Beobachtungen ist, dass ein energieärmerer Zustand eingenommen wird — die Kräfte 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 Körpern in Magnetfeldern wird Energie mit dem Feld ausgetauscht — folgen die Körper 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 Körper umgebende Spulen beteiligt, kann auch Elektroenergie am Energieaustausch beteiligt sein. Beispiele hierfür sind Reluktanzmotoren und Schrittmotoren.

Größen und Einheiten

Die Stärke eines Magnetfeldes kann durch zwei verschiedene physikalische Größen ausgedrückt werden, die magnetische Feldstärke H (Einheit: A/m, also Ampere pro Meter; im CGS-Einheitensystem gibt es den Namen Oersted für die entsprechende Einheit) 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 die Materialgleichungen der Elektrodynamik miteinander verknüpft, welche sich im einfachsten Fall über einen Faktor, die magnetische Permeabilität, ausdrücken lässt.

Magnetische Energie

Jedes Magnetfeld enthält Energie. Die Energiedichte ρm 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 µ0 die Permeabilität des Vakuums.

Die Gesamtenergie des Magnetfelds einer stromdurchflossenen Spule beträgt

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

Hier steht L für die Induktivität der Spule und I für die Stromstärke.

Elektromagnetismus

Bei magnetischen Feldern handelt es sich um einen Effekt, der durch die Relativbewegung zwischen geladenen Teilchen entsteht. Er wird durch die Spezielle Relativitätstheorie beschrieben bzw. bei Berücksichtigung quantenmechanischer Effekte ("Spinmagnetismus" u.a.) durch die relativistische Quantenmechanik von Paul Dirac. Die Geschwindigkeit (in Betrag und Richtung), sowie die Größe (Betrag und Vorzeichen) der bewegten Ladungen bestimmen die Stärke und Richtung der magnetischen Kräfte.

Ein Strom I (blauer Pfeil), der durch einen Leiter fließt, erzeugt ein Magnetfeld (mit der magnetischen Flussdichte B), dessen Feldlinien kreisförmig um den Leiter herum verlaufen.
Man kann sich dies mit der Rechte-Faust-Regel merken: der Daumen zeigt in Richtung von I, die übrigen Finger deuten ringförmige Magnetfeldlinien an.

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

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

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 von sogar nichtleitenden Substanzen kommt diese Form des Elektromagnetismus zur Anwendung (Mikrowellenherd).

Erklärung des Phänomens

Beim Magnetismus handelt es sich (ähnlich 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-Molekülen entwickelt, obwohl diese Theorie zunächst nichts mit "Magnetismus" zu tun zu haben schien. Nach dieser Theorie entstehen sog. σ-Molekülorbitale, d.h. es bildet sich aus den zwei atomaren Wasserstoff-Funktionen ui(…) ein orbitaler sogenannter σ-Molekülzustand:

Wegen des quantenmechanischen Prinzips der Ununterscheidbarkeit identischer Teilchen bedeutet dies: Das erste Elektron, r1, kann sich nicht nur beim ersten Atomkern befinden, sondern ebenso gut in einem atomaren Wasserstoff-Orbital beim zweiten Atomkern, während sich das zweite Elektron beim ersten Atomkern befindet. Dies ergibt die sogenannte "Austauschwechselwirkung", die für das Zustandekommen des Magnetismus eine fundamentale Rolle spielt und um Faktoren von 100 bis 1000 stärker ist als die durch die Elektrodynamik beschriebenen phänomenologischen Terme.

Aus dem Heitler-London-Modell entstand durch Verallgemeinerung das grundlegende sogenannte Heisenberg-Modell des Magnetismus (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 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 (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 aus den Beiträgen der einzelnen Bausteine (Atome, Ionen, quasifreie Elektronen), aus denen der Festkörper aufgebaut ist, zusammen. Bei 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:

Diamagnetismus
Bringt man eine Substanz in ein magnetisches Feld, so induziert dieses in den Elektronenhüllen der Atome einen Strom, dessen Magnetfeld nach der Lenzschen Regel 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 voneinander isoliert. Darum bricht das innere Magnetfeld nach Entfernen des äußeren Magnetfelds wegen der Wärmebewegung der Teilchen zusammen. 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. Typische Längenskalen sind 10 Nanometer bis wenige Mikrometer. Die Ausrichtung der Weissschen Bezirke ist statistisch verteilt, so dass der Gesamtkörper unmagnetisch erscheint. Durch ein äußeres Magnetfeld kann man die Bezirke gleichrichten. Diese Gleichrichtung bleibt auch nach Entfernen des äußeren Feldes erhalten, so dass man eine permanente Magnetisierung erhält. Die Magnetisierung kann durch Erhitzen über die ferromagnetische Curie-Temperatur zerstört werden.
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


Darüberhinaus gibt es noch weitere Sonderformen des Magnetismus, die durch nicht magnetisches oder nicht-lineares Verhalten der fünf Magnetismustypen geprägt sind:

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 ferromagnetischen Stoffen (wie z.B. Eisen) der Fall wäre. 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 äußeren Magnetfeldern verschwindend kleine Magnetisierungen auf (antiferromagnetisch), bei größer werdender Feldstärke nimmt die Magnetisierung unverhältnismäßig stark und gleichbleibend zu, und geht gegen einen Sättigungswert. Dieses Verhalten lässt sich darin begründen, dass sich der Kristall für kleine Felder antiferromagnetisch, und für starke Felder ferromagnetisch verhält.

Magnetismus in der Biologie

Magnetische Wechselfelder können über Induktion elektrische Ströme im Gewebe auslösen und können 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 unwillkürlichen Muskelkontraktionen kommt. Auch die Nerven in den Muskeln selbst können 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 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.

Gefahren

Warnung vor magnetischem Feld

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

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

Durch gepulste Felder können durch elektromagnetische Induktion sämtliche elektronische und elektrische Einrichtungen beeinflusst oder zerstört werden.

Der sporadisch starke Teilchenstrom der Sonne (Sonnenwind) führt auf der Erde zu sogenannten magnetischen Stürmen, die durch Induktion Telefon- und Überlandleitungen sowie Kabelsysteme und metallene Versorgungsleitungen gefährden.

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

Magnetismus im 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. Für Überraschungen sorgt gelegentlich die Tatsache, dass viele Edelstähle nicht ferromagnetisch sind, obwohl sie zum großen Teil aus den ferromagnetischen Elementen Eisen und Nickel bestehen.

Zu Missverständnissen kommt es öfter 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 prüfen, indem man ihn mit einem Dauermagneten berührt. Spürt man dabei eine Kraft, dann ist der Gegenstand ferromagnetisch. Ob ein Gegenstand magnetisiert ist — das heißt, dass der Gegenstand selbst die Eigenschaft eines Dauermagneten hat — ist schwieriger zu prüfen, 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) berühren. Bleibt die Heftklammer an dem Gegenstand hängen, dann ist der Gegenstand magnetisiert. Eine solche Magnetisierung kann in der Praxis erwünscht sein (z.B. sind manche Schraubenzieher absichtlich magnetisiert, damit die Handhabung kleiner Schrauben vereinfacht wird). Die Magnetisierung kann aber auch unerwünscht sein, weil man dadurch ständig kleine Stahlsplitter an dem Gegenstand hat.

Oft gibt es falsche Vorstellungen über die Magnetisierbarkeit. Laut verschiedenen Quellen lässt sich z.B. aus jedem beliebigen Stahldraht durch Überstreichen 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 Dauermagnetenberührt, dann wird er zwar angezogen, aber nicht dauerhaft magnetisiert. Eine gehärtete Stahlnadel lässt sich dagegen dauerhaft magnetisieren und könnte damit als Behelfskompass funktionieren.

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externer Link Video  alpha-Centauri: Wie entstehen Magnetfelder? [alpha-Centauri]

Basierend auf einem Artikel in: externer Link Wikipedia.de
 
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 26.01. 2019