Wie funktioniert ein Magnet?
Wenn Sie einen Magneten an einen Löffel heranführen, zieht er diesen an – auch ohne ihn zu berühren. Dies geschieht, weil ein Magnet um sich herum ein Magnetfeld erzeugt. Dank dieses Feldes kann ein Magnet andere Magnete anziehen oder abstoßen und auf ferromagnetische Materialien (wie Eisen oder gewöhnlichen Stahl) einwirken.
Das Magnetfeld ist unsichtbar, aber mit Eisenspänen kann man es sichtbar machen. Wenn Sie einen Magneten unter ein Blatt Papier legen und Späne darauf streuen, ordnen sich diese zu charakteristischen Linien an. Diese Linien werden als Magnetfeldlinien bezeichnet und zeigen die Richtung sowie die relative Stärke des Feldes an. Je näher die Linien beieinander liegen, desto stärker ist das Magnetfeld in diesem Bereich [00:23].
Magnetfeldlinien treten an einem Ende des Magneten aus und am anderen wieder ein, wodurch ihre Richtung bestimmt wird. Sie bilden geschlossene Schleifen. Die Stellen, an denen die Magnetfeldlinien den Magneten verlassen und in ihn eintreten, werden als Pole des Magneten bezeichnet:
- am Nordpol (N) treten die Feldlinien aus,
- am Südpol (S) treten die Feldlinien ein.
Die Richtung der Magnetfeldlinien und die Art, wie sie geschlossene Schleifen bilden, sowie ihre Tendenz, den gleichmäßigsten und energieeffizientesten Weg zu nehmen, bestimmen das Verhalten zweier Magnete, wenn sie sich nahe beieinander befinden.
Obwohl jeder Magnet seine Feldlinien innerhalb des Magneten selbst schließen kann, führt die Anwesenheit eines nahegelegenen Gegenpols dazu, dass die Feldlinien einen gleichmäßigeren und energieeffizienteren Verlauf nehmen. Bei entgegengesetzten Polen (N–S) verbinden sich die Feldlinien zwischen den Magneten und bilden ein einheitliches Magnetfeld. Das Ergebnis ist Anziehung.
Umgekehrt können sich die Feldlinien nicht nahtlos verbinden, wenn sich gleiche Pole (N–N oder S–S) gegenüberliegen – sie würden gegeneinander zeigen. Eine solche Anordnung ist energetisch ungünstig, sodass das Magnetfeld in den umgebenden Raum verdrängt wird. Diese nach außen gerichtete Ablenkung des Feldes führt zur Abstoßung der Magnete.
Sie fragen sich vielleicht: Ist es möglich, einen Magneten mit nur einem Nordpol oder nur einem Südpol zu erhalten? Nein. Ein „Pol“ ist kein Teil des Magneten, den man abnehmen kann – es ist der Ort, an dem die Magnetfeldlinien den Magneten verlassen, und der Ort, an dem sie in ihn eintreten. Da die Magnetfeldlinien geschlossene Schleifen bilden, müssen beide Pole stets vorhanden sein.
Wenn Sie also einen Magneten zerschneiden, trennen Sie den Nordpol nicht vom Südpol. Das Magnetfeld in jedem Teil ordnet sich neu an und bildet wieder geschlossene Schleifen – auf diese Weise entstehen zwei neue Paare von Stellen, an denen die Feldlinien austreten und eintreten. Das Ergebnis sind zwei kleinere Magnete, von denen jeder seinen eigenen Nord- und Südpol hat. Dieser Grundsatz gilt auch, wenn ein Magnet in noch kleinere Teile zerlegt wird – es entsteht kein eigenständiger „Einzelpol“.
Wir wissen bereits, dass es immer zwei Pole gibt. Aber woher stammt das Magnetfeld selbst? Um dies zu verstehen, müssen wir uns die Ebene der Atome ansehen – die Elektronen, ihren Spin und die Art und Weise, wie sich ihre magnetischen Wirkungen innerhalb der Atome (und zwischen den Atomen) addieren oder aufheben. Dies bestimmt, ob ein Material von einem Magneten angezogen wird, ob es sich so anordnen kann, dass es selbst zu einem Magneten mit eigenem Magnetfeld wird, oder ob seine Reaktion auf ein Magnetfeld so schwach ist, dass wir sie im Alltag kaum bemerken.
Wie entsteht Magnetismus?
[02:17]Um zu verstehen, woher das Magnetfeld stammt, müssen wir uns die Ebene der Atome ansehen. Im Zentrum eines Atoms befindet sich der Kern, der aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen besteht. Um den Kern herum befinden sich negativ geladene Elektronen.
Wir wissen, dass Elektronen, Protonen und Neutronen Masse besitzen. Protonen und Elektronen besitzen elektrische Ladung. Weisen diese Teilchen noch weitere Eigenschaften auf?
Ja, es gibt eine Eigenschaft, die für den Magnetismus von entscheidender Bedeutung ist, auch wenn sie nicht oft thematisiert wird. Das nennt man Spin.
Der Spin ist eine rein quantenmechanische Eigenschaft, die in der klassischen Physik keine Entsprechung hat. Aufgrund ihres Spins besitzen Elementarteilchen ein magnetisches Moment – also eine magnetische Wirkung. Vereinfacht ausgedrückt können wir uns Teilchen mit Spin als winzige Magnete vorstellen.
Alle Elementarteilchen besitzen einen Spin, doch dessen magnetische Wirkung ist bei Elektronen am stärksten ausgeprägt. Deshalb spielen Elektronen beim Magnetismus eine entscheidende Rolle.
Der Elektronenspin ist der wichtigste, wenn auch nicht der einzige Faktor, der zum Magnetismus eines Atoms beiträgt. Wenn sich ein Elektron um den Kern bewegt, verhält es sich wie ein winziger elektrischer Strom – und jeder Strom erzeugt ein Magnetfeld. Dieses Feld ist der zweite Beitrag zum Magnetismus des Atoms und wird als orbitales Magnetfeld bezeichnet.
Es könnte daher den Anschein haben, dass jedes Atom magnetisch sein muss – Elektronen besitzen aufgrund ihres Spins ein magnetisches Moment und bewegen sich zudem innerhalb des Atoms, wodurch ein orbitales Magnetfeld entsteht. Auf den ersten Blick müsste daher jedes Atom magnetisch sein und folglich auch jedes Material, das aus solchen Atomen besteht.
In Wirklichkeit ist es jedoch nicht so einfach. In vielen Atomen heben sich die magnetischen Effekte der Elektronen gegenseitig auf, sodass das Atom als Ganzes kein resultierendes magnetisches Moment besitzt. Und selbst wenn einzelne Atome ein magnetisches Moment besitzen, bedeutet dies noch lange nicht, dass das Material ein magnetisches Verhalten zeigt – sei es als Magnet oder durch eine wahrnehmbare Reaktion auf ein Magnetfeld.
Warum ist nicht jedes Material magnetisch?
[04:09]Damit ein Material insgesamt magnetisch ist, reicht es nicht aus, dass Elektronen einen Spin besitzen und ein Magnetfeld erzeugen. Es müssen mehrere Bedingungen auf verschiedenen Ebenen erfüllt sein:
- Eine günstige Anordnung der Elektronen im Atom – sodass das Atom ein magnetisches Moment aufweist, was in der Regel auf das Vorhandensein ungepaarter Elektronen zurückzuführen ist.
- Günstige Anordnung der Atome in einem Festkörper – sodass sich die magnetischen Momente benachbarter Atome aufeinander ausrichten können und die Bildung magnetischer Domänen ermöglichen.
- Günstige Anordnung und günstiges Verhalten der magnetischen Domänen – sodass das Material magnetisches Verhalten zeigt.
Betrachten wir die einzelnen Bedingungen einmal genauer:
1. Günstige Anordnung der Elektronen im Atom
Elektronen in einem Atom besetzen Orbitale. Ein Orbital kann höchstens zwei Elektronen enthalten. Befinden sich zwei Elektronen in einem Orbital, haben sie entgegengesetzte Spins und ihre magnetischen Wirkungen heben sich weitgehend gegenseitig auf. Ebenso können sich die Auswirkungen ihrer Bewegung innerhalb des Atoms gegenseitig aufheben.
Ein vollständig besetztes Orbital trägt in der Regel nicht zum Gesamtmagnetismus des Atoms bei. Damit ein Atom zum Magnetismus beitragen kann, muss es mindestens ein ungepaartes Elektron besitzen – das heißt, ein Elektron, das ein Orbital ganz allein belegt.
2. Günstige Anordnung der Atome in einem Festkörper
Die bloße Anwesenheit ungepaarter Elektronen und die magnetische Wirkung einzelner Atome reichen nicht aus, damit sich ein Material als Ganzes wie ein Magnet verhält.
Dies liegt daran, dass die magnetischen Eigenschaften eines Materials insgesamt auch von der Anordnung der Atome im Festkörper beeinflusst werden. In manchen Materialien können sich die magnetischen Momente benachbarter Atome in dieselbe Richtung ausrichten, was für das System energetisch günstig ist. In anderen Materialien sind diese Momente jedoch nicht einheitlich ausgerichtet, was dazu führt, dass das Material insgesamt nicht magnetisch ist.
Rechts: nicht ausgerichtete magnetische Momente – ihre magnetischen Momente heben sich gegenseitig auf.
Selbst wenn sich die magnetischen Momente der Atome in einem Material ausrichten können, richten sie sich in der Regel nicht gleichmäßig über das gesamte Volumen des Materials aus. Stattdessen richten sie sich nur lokal aus – in kleineren Bereichen, die als magnetische Domänen bezeichnet werden.
Jedes Stück Material besteht in der Regel aus vielen solchen Domänen. Innerhalb einer Domäne sind die magnetischen Momente der Atome in dieselbe Richtung ausgerichtet, einzelne Domänen können jedoch unterschiedlich ausgerichtet sein. Ihre magnetischen Wirkungen können sich daher gegenseitig aufheben.
– ihre jeweiligen magnetischen Wirkungen heben sich gegenseitig auf.
Beispielsweise gibt es in einem gewöhnlichen Stück Eisen viele Domänen, die unterschiedlich ausgerichtet sind. Ihre Wirkungen heben sich daher gegenseitig auf und das Eisen selbst zeigt kein magnetisches Verhalten. Erst wenn das Eisen einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt wird (beispielsweise in der Nähe eines Magneten oder in einem durch elektrischen Strom erzeugten Feld), können sich die Domänen neu anordnen und beginnen, sich gleichmäßiger auszurichten. Erst dann wird das Material zu einem Magneten.
Magnetisch weiche und magnetisch harte Materialien
[08:27]Im vorigen Abschnitt haben wir gesehen, dass der Magnetismus eines Materials durch das Verhalten der magnetischen Domänen bestimmt wird. Das wirft eine wichtige Frage auf: Was passiert, wenn das äußere Magnetfeld entfernt wird?
Der Unterschied zwischen den Materialien besteht darin, wie fest die Domänen innerhalb der Kristallstruktur des Materials gebunden sind und wie leicht sie nach Wegfall des Feldes wieder in ihre ursprüngliche Anordnung zurückkehren können.
Materialien, bei denen die Domänen nach Wegfall des Magnetfelds leicht in ihren ursprünglichen ungeordneten Zustand zurückkehren, werden als magnetisch weich bezeichnet. Im Gegensatz dazu werden Materialien, in denen die Domänen fester gebunden sind, sodass sie, sobald sie sich ausgerichtet haben, diese Anordnung auch ohne äußeres Magnetfeld beibehalten können, als magnetisch hart bezeichnet.
Dauermagnet
[09:13]Ein Dauermagnet ist ein magnetisch hartes Material, das magnetisiert wurde – seine Domänen sind ausgerichtet und kehren nach Wegfall des äußeren Feldes nicht spontan in einen ungeordneten Zustand zurück. Daher kann es sein eigenes Magnetfeld über einen langen Zeitraum aufrechterhalten.
Zur Herstellung starker Permanentmagnete werden spezielle Werkstoffe und Legierungen verwendet, beispielsweise solche auf der Basis von Neodym, Eisen und Bor.
Sehen Sie sich das Video an, um ein noch besseres Verständnis zu erlangen – anschauliche Darstellungen und konkrete Beispiele, die Ihnen das Thema Magnetismus schnell näherbringen.
