7 Magnetismus

Was ist Magnetismus?

Wir werden später noch vertiefen, dass bewegte Ladung Magnetfelder erzeugt. Das geschieht auch auf Atomarer Ebene. Atome bestehen aus einem Atomkern und der Elektronenhülle, die diesen Kern umgibt. Die Elektronen bewegen sich um den Kern. Allerdings nicht in Kreisen oder Ellipsen, wie man früher noch glaubte. Doch die genaueren "Elektronenbahnen", die Atomorbitale, werden im Detail erst in 13.1 untersucht. Diese Bewegung der Elektronen um den Kern ist eine Ursache dafür, dass einige Atome magnetische sind. Der zweit Grund ist, dass die Elektronen sich auch noch "um sich selbst" drehen, das ist der sogenannte Elektronen-Spin. Auch der Elektronen-Spin bestimmt die magnetischen Eigenschaften eines Atoms. Man spricht von magnetischen Bahnmomenten und magnetischen Spinmomenten. Das Wort Moment wird oft stellvertretend für eine Kraftwirkung verwendet. Die magnetischen Bahn- und -Spinmomente beeinflussen sich auch gegenseitig. Das nennt man die Spin-Bahn-Kopplung.

Wenn nun auch noch die magnetischen Momente benachbarter Atome und Moleküle miteinander gekoppelt sind, dann können wir das als Magnetismus messen. Jedes einzelne magnetische Atom- oder Molekül wird dabei als "Elementarmagnet" bezeichnet. Je nach dem, wie sich diese Elementarmagnete gegenseitig beeinflussen, entstehen dabei ganz unterschiedliche magnetische Eigenschaften.

Was sind magnetische Eigenschaften?

Wenn man einen festen Körper in ein Magnetfeld hält, dann geht dieses äußere Feld auch durch ihn hindurch. Mit magnetischen Eigenschaften bezeichent man das, wie sich das magnetische Feld im Inneren des Körpers im Vergleich zum äußeren Feld vehält. Man kann diese Eigenschaften sogar mit einer Zahl beschreiben, mit der Permeablilitätszahl µ_r man sagt auch "magnetische Leifähigkeit". Folgene magnetische Eigenschaften sind bekannt:

Diamagnetismus: µ_r ist etwas kleiner als 1

Das magnetische Feld in einem diamagnetischem Material ist in einem äußeren Magnetfeld etwas schwächer als das äußere Feld. Es ist aber nach dem Abschalten des äußeren Feldes sofort wieder verschwunden.

Paramagnetismus: µ_r ist etwas größer als 1

Das magnetische Feld in einem diamagnetischem Material ist in einem äußeren Magnetfeld etwas stärker als das äußere Feld. Es ist aber nach dem Abschalten des äußeren Feldes sofort wieder verschwunden.

Ferromagnetismus: µ_r ist deutlich größer als 1 - bis zu mehreren Tausend

Der "normale" Magnetismus: Eine starke Kopplung benachbarter Atome bewirkt einen permanenten Magnetismus eines Materials in sogenannten Weiß'schen Bezirken. Diese können in eine gleiche Richtung ausgerichtet werden. Je besser das gelingt, desto stärker ist der Magnet.

Außerdem

Es gibt noch weitere Magnetismusarten, die aber in der Praxis keine Rolle spielen, weil solche Materialien sehr sehr selten sind:

Antiferromagnetismus:

Benachbarte Elementarmagnete sind genau antiparallel ausgerichtet, so dass das Material nach außen nicht magnetisch erscheint

Ferrimagnetismus:

Wie der Antiferromagnetismus, nur dass die antiparallelen magnetischen magnetischen Momente nicht gleich groß sind. Es ist nach außen also eine magnetische Kraft zu messen.

Hier findet man u.a. eine Tabelle mit der Parmeabilität verschiedener Dia-, Para- und Ferromagnetischer Materialien.

Feldinien des Magnetischen Feldes

Wenn sich ein Magnetisches Material in einem magnetfeld aufhält, dann erfährt es eine "unsichtbare" Kraft. Da man das Magnetfeld eigentlich nicht sehen kann, stellt man es - wie auch das elektrische Feld - symbolisch mit Feldlinien dar.

Regeln für das Zeichnen von Feldlinien

1. Wie auch bei den elektrischen Feldlinien, können sich magnetische Feldlinien nicht schneiden.
2. Magnetische Feldlinien sind immer geschlossen, sie haben keinen Anfang und kein Ende.
3. Außerhalb eines Materials verlaufen die Magnetfeldlinien in "Urlaubsrichtung": Von Norden nach Süden. (Die meisten von uns fahren ja lieber in den warmen Süden zum Urlaub machen)
4. D.h. aber auch, dass die Feldlinien im Magneten von Süden nach Norden verlaufen.
5. Dort, wo das magnetische Feld besonders stark ist, sind die Feldlinien besonders dicht beeinander.
6. In einem stromdurchflossenen Leiter gelten die "Faustregeln":
   1. Wenn als Stromrichtung die technische Stromrichtung von plus nach minus angenommen wird, dann gilt die Rechte-Faust-Regel: D.h. wenn die Stromrichtung durch den ausgestreckten Daumen angezeigt wird, dann zeigen die Fingerspitzen, in welcher Richtung die Magnetfeldlinien sich um den elektrischen Leiter winden:

2. Wenn - wie in der Physik üblich - als Stromrichtung die Bewegungsrichtung der Elektronen von minus nach plus angenommen wird, dann gilt die Linke-Faust-Regel: D.h. wenn die Stromrichtung durch den ausgestreckten Daumen angezeigt wird, dann zeigen die Fingerspitzen, in welcher Richtung die Magnetfeldlinien sich um den elektrischen Leiter winden:

Aufgaben

1. Fedllinien zeichnen

Hier ist ein Arbeitsblatt (pdf) mit unterschiedlichen Konstellationen von Ferromagneten. Zeichnen Sie dort die Feldlinien ein.

2. Magnetfeld der Erde

Informieren sie sich, wie das Magnetfeld der Erde aussieht und zeichnen Sie es. Welche Rolle spielt hier der "Sonnenwind"?

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Backlinks:
2 Physikbücher:BGPhysik12-1