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Der Magnetismus

Magnetismus ist eine stoffliche Eigenschaft, die schon im Altertum in Griechenland und China bekannt war. Bestimmte Mineralien, besonders Magnetit, Fe3O4, ein schwarzblaues Eisenoxidmineral, übten 'magische' Kräfte aus. Sie ziehen eisenhaltige Materialien an und können diese Eigenschaft übertragen. Die Ursachen der magnetischen Erscheinungen konnten erst in der Neuzeit erklärt werden.

Magnete

Jeder Magnet hat zwei unterschiedlich wirkende Pole. Egal, an welcher Stelle man einen Magneten halbiert, man erhält zwei neue Magnete mit jeweils einem Polpaar. Das deutet auf die Existenz kleinster magnetischer Einheiten, Elementarmagnete oder magnetischer Dipole hin. Das Experiment zeigt, dass sich gleichnamige Pole abstoßen und ungleichnamige Pole anziehen.

Geschichte des Elektromagnetismus

Der Physiker Hans Christian Ørsted beobachtete um 1819, dass eine Magnetnadel in der Nähe eines vom elektrischen Strom durchflossenen Drahtes aus der Nord-Süd-Lage abgelenkt wird. Es wurde eine Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus erkannt. Die Wissenschaftler André Marie Ampère und Dominique François Jean Arago zeigten in weiteren Experimenten, dass Eisen magnetisiert wird, wenn es in die Nähe Strom führender Leitungen gebracht wird. Der Wissenschaftler Michael Faraday entdeckte 1831 den umgekehrten Effekt. Im Draht wird ein elektrischer Strom induziert und messbar, wenn man einen Magneten vorbeiführt. Der Physiker James Clerk Maxwell stellte eine Verbindung zwischen den Theorien der Elektrizität und des Magnetismus her. Seine mathematischen Ableitungen führten zur Vorhersage der elektromagnetischen Wellen und er deutete Licht als eine elektromagnetische Erscheinung.

Bei der Untersuchung des Magnetismus ging man in der Folgezeit immer mehr von einem atomaren und molekularen Ursprung aus. Der Physiker Paul Langevin erkannte 1905 die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften vieler Übergangsmetalle und suchte die Ursachen auf atomarer Ebene. Der Physiker Ernst Weiss erweiterte diese Theorie und postulierte ein inneres molekulares Magnetfeld bei eisenhaltigen Materialien. Damit hatte er eine Möglichkeit, um die starken magnetischen Eigenschaften des Magnetits zu deuten.

Das Bohrsche Atommodell trug zum Verständnis bei, wieso gerade die Übergangsmetalle wie Eisen, Kobalt, Nickel und die Metalle der Seltenen Erden einen ausgeprägten Magnetismus aufweisen. Die Physiker Samuel Abraham Goudsmit und George Eugene Uhlenbeck erkannten 1925, dass jedes Elektron einen Eigendrehimpuls hat. Durch seinen Elektronenspin verhält es sich wie ein kleiner Stabmagnet, dessen magnetisches Moment genau bestimmbar war. Durch Anwendung der gerade neu entwickelten Quantentheorie und der Quantenmechanik konnte der Physiker Werner Heisenberg 1927 dann eine genaue Deutung der vom Physiker Weiss postulierten molekularen Magnetfelder geben.

Das Magnetfeld

Wie anfangs gezeigt, besitzt ein Stabmagnet an seinen Enden unterschiedliche Pole, als Nord- und Südpol definiert. Wird er geteilt, erhält man immer neue Stabmagneten mit Nord- und Südpol. Bisher kannte man keine real existierenden monopolen Magnetquellen. Die Quelle eines magnetischen Feldes ist der magnetische Dipol. Das Magnetfeld hat keinen Anfang und kein Ende. Die Feldlinien treten nach Definition am Nordpol senkrecht zur Fläche aus und verlaufen meist bogenförmig zum Südpol. Dort treten sie wieder senkrecht zur Fläche ein und verlaufen innerhalb des Magneten zum Nordpol zurück. Die Feldlinien sind ohne Anfang und Ende in sich geschlossen und bilden ein sogenanntes Wirbelfeld. Das Magnetfeld wird durch den Buchstaben H gekennzeichnet.

Im September 2009 meldete eine Forschergruppe am HZB, dem Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie in Berlin, dass ihr der Nachweis magnetischer Monopole in Materie bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gelungen ist.

Grafisch veranschaulicht wird ein Feld durch Feldlinien. Die Richtung des Magnetfeldes wird in jedem Punkt durch die Verlaufsrichtung der Feldlinien beschrieben. Die Feldstärke wird durch die Feldliniendichte wiedergegeben. Je weiter man sich von den Polen eines Magneten entfernt, desto geringer wird die Feldliniendichte. Die Feldlinien bilden in sich geschlossene Schleifen. Ein Teil davon verläuft innerhalb des Magneten. An den Polen ist die Feldliniendichte am größten und das Magnetfeld am stärksten.

Nach Definition treten die Feldlinien am Nordpol aus und am Südpol wieder ein.
Die Feldlinienrichtung ist als positiv definiert, wenn sie vom Nord- zum Südpol zeigt.
Die Feldlinien berühren und kreuzen sich nie.

Magnetfeld, Darstellung mit Eisenpulver

Das Bild zeigt den durch Eisenpulver in einer Ebene sichtbar gemachten Feldverlauf. Die Ausrichtung der Eisenpartikel erfolgt immer parallel zu den Magnetfeldlinien. Mit speziellen Magnetfeldsonden kann die Feldstärke an jedem Punkt gemessen werden. Dazu eignet sich eine Feldplatte, ein vom Magnetfeld abhängiger Widerstand. Es kann auch eine Hallsonde verwendet werden. Fließt elektrischer Strom durch dieses Halbleiterbauteil, dann erzeugt es eine von der Magnetfeldstärke abhängige Spannung.

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Der Ursprung der magnetischen Eigenschaften

Die magnetischen Stoffeigenschaften werden noch immer gültig mithilfe des Elementarmagneten, dem magnetischen Dipol als kleinste magnetische Einheit beschrieben. Verursacht wird der Magnetismus durch die Bewegung elektrischer Ladungen in der Elektronenhülle der Atome, dem Bahndrehimpuls und durch den Spin der atomaren Bausteine. Alle elektrisch geladenen Elementarteilchen mit intrinsischem Drehimpuls, das ist der Eigendrehimpuls oder Spin, besitzen ein magnetisches Dipolmoment. Die beiden magnetischen Momente der Atome oder Moleküle sind durch Spin-Bahn-Wechselwirkungen miteinander verkoppelt.

Bewegte Ladung entspricht einem elektrischen Strom. Die Bahnbewegung der Elektronen um die Atomkerne kann vereinfacht als Kreisstrom angesehen werden. Innerhalb dieser Kreisbahn zeigt das vom Strom induzierte Magnetfeld in eine Richtung. Das kreisende Elektron hat einen magnetischen Dipol erzeugt. Das Produkt aus dem Ladungsträgerstrom und der von ihm umflossenen Fläche ist das magnetische Dipolmoment, das einen Nord- und einen Südpol hat. Wird ein äußeres Magnetfeld angelegt, dann ist der Dipol bestrebt sich danach auszurichten und erfährt ein Drehmoment. Ist das Feld inhomogen, so wirkt eine zusätzliche Kraft in Richtung zur größeren Feldliniendichte.

Das magnetische Moment eines Elektrons

Die Grafik zeigt ein Elektron mit der Masse m und der Ladung e, das sich auf einer Kreisbahn mit der Umlaufzeit T befindet. Mit den Formeln für die Geschwindigkeit, und der Tatsache, dass der elektrische Strom bewegte Ladung pro Zeit ist sowie dem Drehmoment L einer Masse auf einer Kreisbahn folgt die Beziehung für das magnetische Dipolmoment μ des Elektrons.

Magnetischer Dipol mit mathematischem Hintergrund

Das magnetische Moment μ einer Ladung, hier ein Elektron, das sich auf einer Kreisbahn bewegt, ist proportional zum Drehimpuls L einer rotierenden Masse. Dabei sind μ und L vektorielle Größen. Ist L der Bahndrehimpuls eines Elektrons, so darf dieser nach der Quantentheorie nur ganz bestimmte diskrete Werte annehmen. Erlaubt sind alle ganzzahligen Vielfachen des Wertes h/2·π, mit h dem Planckschen Wirkungsquantum.

Berechnungen zum Magneton

Der Bahndrehimpuls der Elektronen ist für den Diamagnetismus verantwortlich, den alle Stoffe besitzen. Bei unvollständig besetzten Atomorbitalen entsteht durch ein zusätzliches, stärkeres permanentes magnetisches Dipolmoment der Paramagnetismus. Teilweise koppeln die magnetischen Momente der einzelnen Atome und Moleküle so miteinander, dass alle Elementarmagnete ausgerichtet sind. In paramagnetischen Festkörpern bilden sich dann geordnete magnetische Strukturen. Das sind die Weiss-Bezirke, deren Ausdehnung bei einigen Mikrometern bis wenigen Millimetern liegt. Ist der Elektronenspin dabei nicht ausgeglichen, entsteht der natürliche Ferromagnetismus. Diese Eigenschaft wurde erstmals beim Eisen, lateinisch ferrum, beobachtet. Ferromagnetische Stoffe sind nach außen hin nicht unbedingt magnetisch. Die vielen magnetisierten homogenen Weiss-Bezirke sind statistisch verteilt und in der Summe heben sich die magnetischen Momente auf. Die folgende Skizze soll die Weiss-Bezirke veranschaulichen. Ein einwirkendes Magnetfeld verschiebt die Bloch Wände nach außen und richtet alle Elementarmagnete zur äußeren Feldrichtung aus.

Weiss-Bezirke