Magnetismus

Der Magnetismus ist eine stoffliche Eigenschaft, die schon im Altertum in Griechenland und China bekannt war. Bestimmte Mineralien, besonders Magnetit, Fe3O4, ein schwarzblaues Eisenoxidmineral, zeigten 'magische' Kräfte. Sie ziehen eisenhaltige Materialien an und können diese Eigenschaft übertragen.

Erkenntnisse über das Erdmagnetfeld reichen weit in die Vergangenheit zurück und sind auch heute noch wichtig für Informationen und Erklärungen. Das Erdmagnetfeld hat eine wichtige Abwehrfunktion hinsichtlich des von der Sonne eintreffenden vielfältig geladenen Teilchenstroms hoher Energie, dem sogenannten Sonnenwind. Das Magnetfeld wird zur Orientierung auf der Erde mit dem Kompass genutzt. Die Ausrichtung magnetischer Mineralien in einigen Gesteinsschichten (Lithosphäre) gibt über die Plattentektonik und Gebirgsbildung Auskunft. Ein Stabmagnet hat immer einen Nord- und Südpol und um sich herum ein Magnetfeld. Liegt ein kleiner Stabmagnet als Kompassnadel mit seinem Schwerpunkt leicht drehbar auf einer vertikalen Achse oder hängt er frei beweglich an einer horizontal gelagerten Achse, so richtet er sich nach dem Erdmagnetfeld aus. Mit entsprechenden Versuchsanordnungen wird auch die Ausrichtung der magnetischen Mineralien in Gesteinsformationen bestimmbar. Die magnetisierte Kompassnadel orientiert sich am Erdmagnetfeld, sodass sein qualitativer Verlauf und die geographischen Richtungen ermittelt werden können. Weitere interessante Übungen und Informationen zum Thema Erdmagnetfeld finden Sie auf gut-erklaert.de

Die Ursachen der magnetischen Erscheinungen konnten erst in der Neuzeit erklärt werden. Jeder Magnet hat zwei unterschiedlich wirkende Pole. Egal, an welcher Stelle ein Magnet geteilt wird, es entstehen zwei neue Magnete mit jeweils einem Nord- und Südpol. Die Pole gibt es nur paarweise. 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 des Erdmagnetfelds 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 an ihm in geeigneter Richtung ein Magnet vorbeigeführt wird. 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 lieferte er eine Möglichkeit, um die starken magnetischen Eigenschaften des Magnetits zu deuten.

Das Bohrsche Atommodell trug zum Verständnis bei, weshalb gerade die Übergangsmetalle wie Eisen, Kobalt, Nickel und die Metalle der Seltenen Erden einen ausgeprägten Magnetismus aufweisen. Elektronen 'umkreisen' die Atomkerne und als bewegte Ladung generieren sie senkrecht zur Bahn ein konzentrisches Magnetfeld. 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 schon erwähnt besitzt ein Stabmagnet an seinen Enden unterschiedliche Pole, die als Nord- und Südpol definiert sind. Bisher sind keine real existierenden monopole Magnetquellen bekannt. Ursprung eines magnetischen Feldes ist der magnetische Dipol. Verglichen mit einer ruhenden positiven oder negativen Ladung hat das Magnetfeld aber 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 in sich geschlossen und bilden ein sogenanntes Wirbelfeld. In mathematischen Formeln wird das Magnetfeld mit dem 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. Die damalige Linkadresse, die zur ausführlichen wissenschaftlichen Veröffentlichung führte, ist im Internet nicht mehr aktiv. Ein Artikel dazu ist als externer Link beim (idw) Informationsdienst Wissenschaft im Internet zu finden.

Grafisch veranschaulicht wird ein Feld durch Feldlinien. Die Richtung des Magnetfeldes wird in jedem Punkt durch die Verlaufsrichtung der Feldlinien beschrieben. Die Feldstärke wird mithilfe der Feldliniendichte beschrieben. Die Feldlinien bilden in sich geschlossene Schleifen. Ein Teil davon verläuft innerhalb des Magneten. An den Polen ist die Feldliniendichte am größten und die magnetische Feldstärke am höchsten. Mit zunehmender Entfernung zu den Polen nehmen die Feldliniendichte und die magnetische Feldstärke ab.

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

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.

Der Ursprung der magnetischen Eigenschaften

Die magnetischen Stoffeigenschaften werden mithilfe des Elementarmagneten beschrieben, der als magnetischer Dipol die kleinste magnetische Einheit darstellt. Verursacht wird der Magnetismus durch die Bewegung elektrischer Ladungen in den Orbitalen der Elektronen 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 Ladungen entsprechen einem elektrischen Strom. Die Bahnbewegungen der Elektronen um Atomkerne herum kann vereinfacht als Kreisstrom angesehen werden. Der Strom generiert ein senkrecht zur Stromrichtung konzentrisches Magnetfeld. Das kreisende Elektron erzeugt einen magnetischen Dipol. Das Produkt aus dem Ladungsträgerstrom und der von ihm umflossenen Fläche ergibt das magnetische Dipolmoment mit Nord- und Südpol. Liegt ein äußeres Magnetfeld an, dann ist dieser Elementardipol 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 des Elektrons auf der Kreisbahn folgt die Beziehung für das magnetische Dipolmoment μ des Elektrons.

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

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 einige Mikrometer bis wenige Millimeter betragen.

Bei einem nicht ausgeglichenen Elektronenspin 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. Die Übergänge zwischen den Bezirken werden Bloch-Wände genannt. In der Summe heben sich die magnetischen Momente der Weiss-Bezirke nach außen hin auf. Die folgende Skizze soll diese Verteilung veranschaulichen. Ein extern einwirkendes Magnetfeld verschiebt die Bloch-Wände nach außen, sodass richtet alle Elementarmagnete zum externen Feld aus.