magnet

Magnet ist ein Objekt, das im Raum in seiner Umgebung ein magnetisches Feld erzeugt. Es kann die Form eines permanenten Magneten oder eines Elektromagneten haben. Permanente Magnete benötigen keine äußere Energie, um ein magnetisches Feld zu erzeugen. Sie kommen natürlich in einigen Erzen vor, können aber auch hergestellt werden. Elektromagnete benötigen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes elektrische Energie.

Eigenschaften von Magneten

Magnete werden von anderen Materialien angezogen oder abgestoßen. Ein Material, das stark von einem Magneten angezogen wird, hat eine hohe Permeabilität. Eisen und Stahl sind zwei Beispiele für Materialien mit sehr hoher Permeabilität und werden sehr stark von Magneten angezogen. Wasser hat eine so geringe Permeabilität, dass es leicht abgestoßen wird.

SI-Einheit der magnetischen Induktion, die fälschlicherweise als „Stärke“ des magnetischen Feldes angesehen wird, ist Tesla (Bezeichnung T). Ein homogenes magnetisches Feld mit einer magnetischen Induktion von 1 T übt auf jeden Meter eines geraden Leiters, der von einem elektrischen Strom von 1 Ampere durchflossen wird, eine Kraft von 1 Newton aus. Die SI-Einheit der magnetischen Feldstärke ist Ampere pro Meter (A/m). Die SI-Einheit des magnetischen Flusses ist Weber (Bezeichnung Wb). Der magnetische Fluss ist das Produkt aus magnetischer Induktion und der Fläche, durch die das Feld verläuft; 1 Wb = 1 T·m². Es ist ein sehr hoher Wert des magnetischen Flusses.

Geschichte

Das Wort Magnet stammt aus dem griechischen μαγνήτης λίθος (magnētēs lithos), was „Magnesitgestein“ bedeutet. Magnesia war eine Region im antiken Griechenland, heute Manisa in Türkei, wo bereits in der Antike Magnetit Vorkommen entdeckt wurden. Die alten chinesischen Seefahrer waren unter den ersten bekannten Benutzern von magnetischen Kompassen.

In der Mythologie der arabischen Seefahrer spielte die Legende vom Magnetberg eine wichtige Rolle. Im 15. Jahrhundert fürchteten die Araber den Magnetberg so sehr, dass sie in ihren Schiffen keine Eisengegenstände (also auch keine Nägel) verwendeten.

Physikalische Ursache des Magnetismus

Permanente Magnete

Materie besteht aus Teilchen wie Protonen, Neutronen und Elektronen und alle haben eine grundlegende Eigenschaft: quantenmechanischer Spin. Der Spin gibt jeder dieser Teilchen ein bestimmtes magnetisches Feld. Daher könnte man erwarten, dass alle Materie magnetisch ist, auch Antimaterie sollte magnetische Eigenschaften haben. Trotzdem ist das nicht der Fall.

In jedem Atom und Molekül ist der Spin dieser Teilchen streng nach dem Pauli-Prinzip angeordnet. Dieses Prinzip der Spin-Anordnung gilt jedoch nicht über große Distanzen zwischen Atomen und Molekülen. Ohne diese weitreichende Anordnung entsteht kein nettes magnetisches Feld, da der magnetische Moment jeder dieser Teilchen durch den Moment der anderen Teilchen aufgehoben wird.

Permanente Magnete sind besonders, weil bei ihnen die weitreichende Anordnung existiert. Der höchste Grad der Anordnung existiert in magnetischen Domänen. Das kann man sich wie mikroskopische Nachbarschaften vorstellen, in denen eine starke Wechselwirkung zwischen den Teilchen besteht und das Ergebnis ist ein hoher Grad der Ordnung. Je höher die Ordnung in der Domäne, desto stärker ist das resultierende Feld.

Die weitreichende Ordnung (und das resultierende starke magnetische Feld) ist das Hauptmerkmal ferromagnetischer Materialien.

Elektrische Erzeugung von Magnetismus

Elektronen spielen eine zentrale Rolle bei der Erzeugung eines magnetischen Feldes. Innerhalb eines Atoms können Elektronen entweder allein oder in Paaren auf jedem Orbit existieren. Wenn sie gepaart sind, haben die einzelnen Elektronen aus diesem Paar entgegengesetzte Spins – ein Elektron nach oben, das andere nach unten. Die Tatsache, dass die Spins entgegengesetzt sind, bedeutet, dass sie sich gegenseitig aufheben. Wenn alle Elektronen gepaart sind, entsteht kein magnetisches Feld.

In einigen Atomen gibt es ungepaarte Elektronen. Alle Magnete haben ungepaarte Elektronen, aber nicht alle Atome mit ungepaarten Elektronen sind ferromagnetisch. Damit ein Material ferromagnetisch ist, muss es ungepaarte Elektronen enthalten, die jedoch über große Distanzen aufeinander einwirken müssen, um alle in dieselbe Richtung auszurichten. Die spezifische Anordnung der Elektronen im Atom (und auch der Abstand zwischen den Atomen) ist das, was die weitreichende Ordnung erzeugt. Elektronen haben eine niedrigere Energie, wenn sie in dieselbe Richtung ausgerichtet sind.

Elektromagnete

Ein Elektromagnet in seiner einfachsten Form ist ein Draht, der in eine oder mehrere Schleifen gewickelt ist. Solche Schleifen werden Solenoid genannt. Wenn Strom durch die Schleife fließt, entsteht ein magnetisches Feld um sie herum. Die Ausrichtung dieses Feldes kann mit dem Rechte-Hand-Regel bestimmt werden. Die Stärke des Feldes wird durch mehrere Faktoren beeinflusst. Die Anzahl der Schleifen bestimmt den Umfang, die Menge des Stroms bestimmt die Aktivität und das Material im Kern bestimmt den elektrischen Widerstand. Je mehr Schleifen und je stärker der Strom, desto stärker wird das magnetische Feld.

Wenn die Schleife in der Mitte hohl ist, erzeugt sie nur ein sehr schwaches Feld. In die Mitte der Spule können verschiedene ferromagnetische oder paramagnetische Objekte eingesetzt werden, um das magnetische Feld zu verstärken, z. B. ein eiserner Nagel. Zu diesem Zweck wird häufig weiches Eisen verwendet. Das Hinzufügen solcher Objekte kann das Feld um das hundert- bis tausendfache verstärken.

Über weite Distanzen werden magnetische Felder durch das Quadrat-Gesetz gesteuert. Das bedeutet, dass die Stärke des Feldes umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung vom Magneten ist.

Wenn ein Magnet mit einer ebenen Metallplatte in Kontakt steht, muss die Kraft, um sie voneinander zu trennen, umso größer sein, je enger der Kontakt zwischen den beiden Oberflächen ist. Je flacher die Oberflächen, desto mehr Berührungspunkte gibt es zwischen ihnen und desto geringer ist der Widerstand zwischen dem magnetischen Kreis und dem magnetischen Feld.

Elektromagnete werden in vielen Fällen verwendet, von Teilchenbeschleunigern über Kranen auf Schrottplätzen bis hin zu Geräten für Magnetresonanz. Es gibt auch spezielle Prozesse, die mehr als einen einfachen Zwei-Polen-Magnet erfordern, wie z. B. Vierpolmagneten, die zur Fokussierung von Teilchenstrahlen verwendet werden.

Wenn genügend Strom durch die Wicklung des Elektromagneten fließt, kann die magnetische Kraft zwischen benachbarten Wicklungen so stark sein, dass der Elektromagnet durch seine eigene magnetische Kraft zerquetscht wird.

Charakteristika von Magneten

Permanente Magnete und Doppelpole[

Alle Magnete haben mindestens zwei Pole: das heißt, sie haben mindestens einen Nord- und einen Südpol. Pole sind keine Paare von Dingen auf oder im Inneren des Magneten. Am Anfang des Artikels ist ein Bild eines Magneten, auf dem die Pole als zwei spezifische Bereiche erscheinen, weil die größte Oberflächenfeldstärke an den Polen des Magneten auftritt, aber das bedeutet nicht, dass es sich um spezifische Bereiche handelt.

Zum Verständnis der Pole kann man sich eine Reihe von Menschen vorstellen, die sich alle in dieselbe Richtung blicken und in einer Ebene stehen. Obwohl wir eine Region definieren können, in der sich alle Stirnen und alle Rücken befinden, gibt es keinen einzigen Punkt, in dem sich alle befinden. Jeder einzelne Mensch hat auf einer Seite eine Stirn und auf der anderen einen Rücken. Wenn die Reihe in zwei Hälften geteilt wird, hat jede Hälfte weiterhin eine Stirn und einen Rücken. Sogar wenn die Reihe in einzelne Personen geteilt wird, hat jede von ihnen ihre eigene Stirn und ihren eigenen Rücken. So kann man bis ins Unendliche fortfahren.

Das Gleiche gilt für Magnete. Auf einem Magneten gibt es keinen Ort, an dem sich alle südlichen oder nördlichen Pole befinden. Wenn ein Magnet in zwei Hälften geteilt wird, hat jede Hälfte einen nördlichen und einen südlichen Pol. Diese beiden kleineren Magnete können weiter geteilt werden und jeder Teil hat wieder beide Pole. In den meisten Fällen wird es irgendwann passieren, dass, wenn wir den Material in immer kleinere Stücke teilen, die einzelnen Stücke so klein werden, dass sie nicht mehr in der Lage sind, ein magnetisches Feld zu halten. Trotzdem werden sie keine getrennten Pole, sondern nur die Fähigkeit, ein magnetisches Feld zu halten, verlieren. Einige Materialien können jedoch bis auf molekularer Ebene geteilt werden und behalten dennoch das Feld mit südlichem und nördlichem Pol. Es gibt Theorien über einzelne südliche und nördliche Pole – magnetische Monopole, aber ein solcher Monopol wurde noch nie gefunden.

Bestimmung des nördlichen Pols und des Erdmagnetfeldes

Die Standardbezeichnung der Pole eines Magneten ist wichtig. Schon in der Geschichte deuteten die Begriffe nördlich und südlich auf das Bewusstsein der Beziehung zwischen Magneten und dem magnetischen Feld der Erde. Ein frei hängender Magnet richtet sich mit der Zeit immer von Norden nach Süden aus, weil er vom nördlichen und südlichen Erdpol angezogen wird. Die Spitze des Magneten, die zum geografischen nördlichen Pol zeigt, wird als nördlicher Pol des Magneten bezeichnet, der Teil, der zum Süden zeigt, als südlicher Pol des Magneten.

Der heutige geografische nördliche Pol ist eigentlich der magnetische Süden. Um die Situation noch komplizierter zu machen, zeigen magnetisierte Gesteine am Meeresboden, dass sich das magnetische Feld der Erde in der Vergangenheit umgedreht hat, also wird diese Bezeichnung der Pole in der Zukunft wahrscheinlich wieder umgekehrt sein.

Zum Glück kann man mit einem Elektromagneten und der Rechte-Hand-Regel die Ausrichtung des magnetischen Feldes eines Magneten bestimmen, ohne Kenntnisse über das geomagnetische Feld der Erde zu haben.

Um Probleme zwischen geografischen und magnetischen Polen zu vermeiden, werden bei Magneten oft die Bezeichnungen positiver und negativer Pol verwendet. Der positive Pol ist der, der sich zum Norden dreht.