magnet
Ein Magnet ist ein Gegenstand, der im Raum um ihn herum ein Magnetfeld erzeugt. Es kann die Form eines Permanentmagneten oder eines Elektromagneten haben. Permanentmagnete benötigen keine externe Energie, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Sie kommen in einigen Mineralien natürlich vor, können aber auch handwerklich hergestellt werden. Elektromagnete benötigen Strom, um ein Magnetfeld zu erzeugen.
Eigenschaften von Magneten
Magnete werden von anderen Materialien angezogen oder abgestoßen. Ein Material, das stark von einem Magneten angezogen wird, weist eine hohe Permeabilität auf. Eisen und Stahl sind zwei Beispiele für Materialien mit sehr hoher Permeabilität und werden von Magneten sehr stark angezogen. Wasser hat eine so geringe Permeabilität, dass es von einem Magnetfeld leicht abgestoßen wird.
Die SI-Einheit der magnetischen Induktion, die fälschlicherweise als „Intensität“ eines Magnetfelds angesehen wird, ist Tesla (Symbol T). Ein homogenes Magnetfeld mit einer magnetischen Induktion von 1 T übt auf jeden Meter eines geraden Leiters, durch den ein elektrischer Strom von 1 Ampere fließt, 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 (Symbol Wb). Der magnetische Fluss ist das Produkt der magnetischen Induktion und der Fläche, durch die das Feld verläuft; 1 Wb = 1 T·m2. Es handelt sich um einen sehr hohen Wert des magnetischen Flusses.
Geschichte
Das Wort Magnet kommt vom griechischen μαγνήτης λίθος (magnētēs lithos) und bedeutet „Magnesiumstein“. Magnesia war ein Gebiet im antiken Griechenland, dem heutigen Manisa in der Türkei, in dem bereits in der Antike Vorkommen von Magnetit entdeckt wurden. Die alten chinesischen Seefahrer gehörten zu den ersten dokumentierten Benutzern von Magnetkompassen.
Die Legende vom magnetischen Berg spielte in der Mythologie der arabischen Seefahrer eine wichtige Rolle. Im fünfzehnten Jahrhundert hatten die Araber solche Angst vor dem magnetischen Berg, dass sie in ihren Gefäßen keine Eisengegenstände (nicht einmal Nägel) verwendeten.
Physikalischer Ursprung des Magnetismus
Permanentmagnete
Materie besteht aus Teilchen wie Protonen, Neutronen und Elektronen, die alle eine Grundeigenschaft haben: den quantenmechanischen Spin. Der Spin verleiht jedem dieser Teilchen ein bestimmtes Magnetfeld. Daher wäre zu erwarten, dass alle Materie magnetisch ist und sogar Antimaterie magnetische Eigenschaften hätte. Dies ist jedoch nicht der Fall.
In jedem Atom und Molekül ist der Spin dieser Teilchen streng nach dem Pauli-Ausschlussprinzip geordnet. Dieses Prinzip der Spinanordnung gilt jedoch nicht für den großen Abstand zwischen Atomen und Molekülen. Ohne diese entfernte Anordnung gibt es kein Nettomagnetfeld, da das magnetische Moment jedes einzelnen Teilchens durch das Moment der anderen Teilchen gestört wird.
Das Besondere an Permanentmagneten ist, dass sie über eine große Reichweite verfügen. Den höchsten Grad an Ordnung gibt es in magnetischen Domänen. Dies lässt sich mit mikroskopischen Nachbarschaften vergleichen, in denen es zu einer starken Wechselwirkung zwischen den Teilchen kommt und ein hohes Maß an Ordnung entsteht. Je höher die Ordnung in der Domäne, desto stärker ist das resultierende Feld.
Die Fernordnung (und das daraus resultierende starke Magnetfeld) ist das Hauptmerkmal ferromagnetischer Materialien.
Elektrische Erzeugung von Magnetismus
Elektronen spielen eine wichtige Rolle bei der Erzeugung eines Magnetfelds. Innerhalb eines Atoms können Elektronen entweder einzeln oder paarweise auf jeder Umlaufbahn existieren. Wenn sie gepaart sind, haben die einzelnen Elektronen dieses Paares den entgegengesetzten Spin – eines oben, das andere unten. Die Tatsache, dass die Spins entgegengesetzt sind, bedeutet, dass sie sich gegenseitig aufheben. Wenn alle Elektronen gepaart sind, entsteht kein Magnetfeld.
In einigen Atomen gibt es ungepaarte Elektronen. Alle Magnete haben ungepaarte Elektronen, aber nicht alle Atome mit ungepaarten Magneten sind ferromagnetisch. Damit ein Material ferromagnetisch ist, muss es ungepaarte Elektronen enthalten, diese müssen jedoch über eine große Distanz interagieren, sodass sie alle in die gleiche Richtung ausgerichtet sind. Die spezifische Position der Elektronen im Atom (und auch der Abstand zwischen den Atomen) sorgt für die Fernanordnung. Elektronen haben eine geringere Energie, wenn sie gleich ausgerichtet sind.
Elektromagnete
Ein Elektromagnet ist in seiner einfachsten Form ein in einer oder mehreren Schleifen gewickelter Draht. Eine solche Schleife wird Magnetspule genannt. Wenn ein elektrischer Strom durch die Schleife fließt, entsteht um sie herum ein Magnetfeld. Die Ausrichtung dieses Feldes kann durch die Rechte-Hand-Regel bestimmt werden. Die Stärke des Feldes wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Die Anzahl der Schleifen bestimmt den Wirkungsbereich, die Stromstärke bestimmt die Aktivität und das Material im Kern bestimmt den elektrischen Widerstand. Je mehr Schleifen und je höher der Strom, desto stärker ist das Magnetfeld.
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 Gegenstände eingesetzt werden, die ihr Magnetfeld verstärken, beispielsweise ein Eisennagel. Zu diesem Zweck wird üblicherweise Weicheisen verwendet. Das Hinzufügen solcher Dinge kann das Feld um das Hundert- bis Tausendefache verstärken.
Über große Entfernungen gehorchen Magnetfelder dem umgekehrten Quadratgesetz. Das bedeutet, dass die Feldstärke umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands vom Magneten ist.
Wenn ein Magnet ein flaches Metallblech berührt, muss die zum Trennen erforderliche Kraft umso größer sein, je näher der Kontakt zwischen den beiden Oberflächen ist. Je glatter die Oberflächen, desto mehr Kontaktpunkte gibt es zwischen ihnen und desto geringer ist der Widerstand zwischen dem Magnetkreis und dem Magnetfeld.
Elektromagnete werden in vielen Anwendungen eingesetzt, von Teilchenbeschleunigern über Schrottkrane bis hin zu Magnetresonanztomographen. Es gibt auch spezielle Prozesse, die mehr als einen einfachen Dipolmagneten erfordern, wie zum Beispiel den Quadrupolmagneten, der zur Fokussierung von Teilchenstrahlen verwendet wird.
Wenn genügend Strom durch die Schleife des Elektromagneten fließt, kann die Magnetkraft zwischen benachbarten Spulenschleifen dazu führen, dass der Elektromagnet durch seine eigene Magnetkraft zerdrückt wird.
Eigenschaften von Magneten
Permanentmagnete und Dipole[
Alle Magnete haben mindestens zwei Pole, das heißt, sie haben mindestens einen Nordpol und einen Südpol. Pole sind kein Paar von Dingen auf oder in einem Magneten. Am Anfang des Artikels befindet sich ein Bild eines Magneten, dessen Pole wie zwei bestimmte Bereiche aussehen, da an den Polen des Magneten die größte Oberflächenfeldstärke auftritt, was jedoch nicht bedeutet, dass es sich um bestimmte Bereiche handelt.
Um die Pole zu verstehen, kann man sich eine Reihe von Menschen vorstellen, die alle in die gleiche Richtung schauen und in derselben Ebene stehen. Obwohl wir den Bereich definieren können, in dem sich alle Gesichter befinden
und wo sie alle liegen, gibt es keinen einzigen Punkt, an dem sie alle sind. Jeder einzelne Mensch hat auf der einen Seite eine Stirn und auf der anderen Seite einen Rücken. Wenn die Linie in zwei Hälften geteilt wird, hat jede Hälfte immer noch einen Kopf und einen Schwanz. Selbst wenn wir die Linie in einzelne Personen aufteilen, wird jeder von ihnen seine eigene Vorder- und Rückseite haben. Auf diese Weise können Sie bis ins Unendliche vordringen.
Dasselbe gilt auch für Magnete. Es gibt keine Stelle auf dem Magneten, an der sich alle Süd- oder Nordpole befinden. Wenn ein Magnet in zwei Teile geteilt wird, haben beide einen Nord- und einen Südpol. Diese beiden kleineren Magnete können weiter geteilt werden und jeder Teil hat dann beide Pole. Wenn wir das Material in immer kleinere Teile aufteilen, erreichen wir in den meisten Fällen schließlich einen Punkt, an dem die einzelnen Partikel so klein sind, dass sie kein Magnetfeld mehr aufrechterhalten können. Sie werden jedoch nicht zu getrennten Polen, sondern verlieren lediglich die Fähigkeit, ein Magnetfeld aufrechtzuerhalten. Einige Materialien können jedoch bis auf molekulare Ebene zerlegt werden und behalten dennoch ein Feld mit einem Süd- und einem Nordpol. Es gibt Theorien über getrennte Süd- und Nordpole – magnetische Monopole, aber bisher wurde nirgendwo ein solcher Monopol gefunden.
Bestimmung des Nordpols und des Erdmagnetfeldes
Eine einheitliche Benennung der Magnetpole ist wichtig. Bereits in der Geschichte deuteten die Begriffe Nord und Süd auf ein Bewusstsein für den Zusammenhang zwischen Magneten und dem Erdmagnetfeld hin. Ein frei getragener Magnet dreht sich im Laufe der Zeit immer von Nord nach Süd, da er vom Nord- und Südpol der Erde angezogen wird. Das Ende des Magneten, das zum geografischen Nordpol der Erde zeigt, wird Nordpol des Magneten genannt, der Teil, der nach Süden zeigt, wird Südpol des Magneten genannt.
Der aktuelle geografische Nordpol ist eigentlich der magnetische Südpol. Um die Sache noch komplizierter zu machen, zeigen magnetisierte Gesteine auf dem Meeresboden, dass sich das Erdmagnetfeld in der Vergangenheit umgekehrt hat, so dass sich diese Polbezeichnung in Zukunft wahrscheinlich noch einmal umkehren wird.
Glücklicherweise lässt sich mithilfe eines Elektromagneten und der Rechte-Hand-Regel die Ausrichtung des Magnetfelds eines Magneten auch ohne Kenntnis des Erdmagnetfelds bestimmen.
Um Probleme zwischen geografischen und magnetischen Polen zu vermeiden, werden Magnete häufig mit positiven und negativen Polen gekennzeichnet. Derjenige, der sich nach Norden dreht, ist positiv.