Die Wissenschaft, wie Magnete funktionieren

Die von einem Magneten erzeugte Kraft ist unsichtbar und mystifizierend. Haben Sie sich jemals gefragt, wie Magnete funktionieren??

Key Takeaways: Wie Magnete funktionieren

• Magnetismus ist ein physikalisches Phänomen, bei dem eine Substanz von einem Magnetfeld angezogen oder abgestoßen wird.
• Die beiden Magnetquellen sind elektrischer Strom und magnetische Spinmomente von Elementarteilchen (hauptsächlich Elektronen)..
• Ein starkes Magnetfeld entsteht, wenn die elektronenmagnetischen Momente eines Materials ausgerichtet sind. Wenn sie ungeordnet sind, wird das Material von einem Magnetfeld weder stark angezogen noch abgestoßen.

Was ist ein Magnet??

Ein Magnet ist ein beliebiges Material, das ein Magnetfeld erzeugen kann. Da jede sich bewegende elektrische Ladung ein Magnetfeld erzeugt, sind Elektronen winzige Magnete. Dieser elektrische Strom ist eine Magnetquelle. Die Elektronen in den meisten Materialien sind jedoch zufällig ausgerichtet, so dass nur ein geringes oder gar kein Nettomagnetfeld vorhanden ist. Einfach ausgedrückt, sind die Elektronen in einem Magneten in der Regel gleich ausgerichtet. Dies geschieht natürlich in vielen Ionen, Atomen und Materialien, wenn sie gekühlt werden, ist jedoch bei Raumtemperatur nicht so häufig. Einige Elemente (z. B. Eisen, Kobalt und Nickel) sind bei Raumtemperatur ferromagnetisch (können dazu gebracht werden, in einem Magnetfeld magnetisiert zu werden). Für diese Elemente ist das elektrische Potential am niedrigsten, wenn die magnetischen Momente der Valenzelektronen ausgerichtet sind. Viele andere Elemente sind diamagnetisch. Die ungepaarten Atome in diamagnetischen Materialien erzeugen ein Feld, das einen Magneten schwach abstößt. Einige Materialien reagieren überhaupt nicht mit Magneten.

Der magnetische Dipol und der Magnetismus

Der atomare magnetische Dipol ist die Quelle des Magnetismus. Auf atomarer Ebene sind magnetische Dipole hauptsächlich das Ergebnis von zwei Arten der Bewegung der Elektronen. Es gibt die Orbitalbewegung des Elektrons um den Kern, die ein magnetisches Orbital-Dipolmoment erzeugt. Die andere Komponente des Elektronenmagnetmoments ist auf das Spin-Dipol-Magnetmoment zurückzuführen. Die Bewegung der Elektronen um den Kern ist jedoch nicht wirklich eine Umlaufbahn, noch ist das magnetische Moment des Spin-Dipols mit dem tatsächlichen "Drehen" der Elektronen verbunden. Nicht gepaarte Elektronen tragen tendenziell dazu bei, dass ein Material magnetisch wird, da das elektromagnetische Moment nicht vollständig aufgehoben werden kann, wenn es "ungerade" Elektronen gibt.

Der Atomkern und der Magnetismus

Die Protonen und Neutronen im Kern haben auch einen Orbital- und Spin-Drehimpuls sowie magnetische Momente. Das kernmagnetische Moment ist viel schwächer als das elektronische magnetische Moment, denn obwohl der Drehimpuls der verschiedenen Teilchen vergleichbar sein mag, ist das magnetische Moment umgekehrt proportional zur Masse (die Masse eines Elektrons ist viel geringer als die eines Protons oder Neutrons). Das schwächere kernmagnetische Moment ist für die Kernspinresonanz (NMR) verantwortlich, die für die Magnetresonanztomographie (MRT) verwendet wird..

Quellen

• Cheng, David K.. Feld- und Wellenelektromagnetik. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ISBN 978-0-201-12819-2.
• Du Trémolet de Lacheisserie, Étienne; Damien Gignoux; Michel Schlenker (2005). Magnetismus: Grundlagen. Springer. ISBN 978-0-387-22967-6.
• Kronmüller, Helmut. (2007). Handbuch für Magnetismus und fortgeschrittene magnetische Materialien. John Wiley & Söhne. ISBN 978-0-470-02217-7.