breakplaining: magnetisch //1787

In der Schule und populärwissenschaftlicher Literatur wird die magnetische Anziehung ferromagnetischer Stoffe erklärt mit „Elementarmagneten“, die sich parallel ausrichten. Aber was ist das, ein Elementarmagnet? Darüber schweigen sich diese Quellen aus.

Die Maxwell-Gleichung div B = 0 beschreibt das Phänomen, dass es keine magnetischen Monopole gibt – also keine positiven oder negativen magnetischen „Ladungen“. Es gibt dagegen Dipole (was u.a. dazu führt, dass magnetische Kräfte sehr schnell mit der Entfernung abnehmen) mit Nord- und Südpol (ich verzichte hier auf einen Exkurs über Pseudovektoren).
Magnetische Kräfte sind grundsätzlich mit der Bewegung elektrischer Ladungen, bzw. der Änderung elektrischer Kräfte verknüpf (vgl. Induktion).

Beschränken wir uns hier mal wirklich auf o.B.d.A. Eisen, um die Geschichte mit lauter Fallunterscheidungen nicht noch komplizierter zu machen, als sie ohnehin ist.
Metallisches Eisen tendiert (sehr vereinfacht ausgedrückt) dazu, seine äußeren Elektronen ins Leitungsband abzugeben. Dennoch sind in nicht abgeschlossenen Schalen noch mehrere ungepaarte Elektronen vorhanden, die somit nicht vom Pauli-Prinzip daran gehindert werden, den gleichen Spin-Eigenwert anzunehmen.
Der Spin ist so etwas wie eine Art Eigendrehimpuls des Elektrons, und wie jeder Drehimpuls eines elektrisch geladenen Teilchens führt er zu einem magnetischen Moment.
(Je mehr ich mich bemühe, allgemeinverständlich zu formulieren, desto wissenschaftlich angreifbarer wird es – sorry.)
Eisen hat besonders viele einzelne, ungepaarte Elektronen, so dass sich die magnetischen Momente der Elektronen aufsummieren und zu einem starken magnetischen Feld führen können.

Normalerweise sind die einzelnen Spinausrichtungen zufällig verteilt. Indem man einen Eisenstab entlang der Feldlinien eines magnetischen Feldes (z.B. Erdmagnetfeld oder Elektromagnet) ausrichtet, und durch leichte Schläge erschüttert, versuchen die Elektronen den Zustand mit der niedrigsten Energie einzunehmen, und richten die Spins parallel zu den Feldlinien aus. Der Stab wird magnetisiert. (Interessierte können sich selbständig weiterinformieren, indem sie etwa das Stichwort Hysterese in die Suchmaschine ihrer Wahl eingeben.) Die Magnetisierung kriegt man wieder los, indem man den Eisenstab über die Curie-Temperatur (1041 K) hinaus erhitzt, bei der sich die Spins der Elektronen wieder entordnen und zufällig verteilem.

Alle Klarheiten beseitigt?

PS: Um irgendwelche Missverständnisse zu vermeiden: Ein Magnon ist kein Elementarmagnet, sondern ein angeregter bosonischer Zustand eines Kristallgitters in Form einer Spinwelle.

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Über Anne Nühm (breakpoint)

Die Programmierschlampe.
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9 Antworten zu breakplaining: magnetisch //1787

  1. Plietsche Jung schreibt:

    Ich vermisse Remanenz und Koerzitivkraft.

    Und du hast recht, je einfacher man es versucht zu beschreiben, desto schwammiger wird es 😊

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  2. Leser schreibt:

    Das ist also eine Erklärung von Ferromagnetismus, wenn ich das recht verstanden habe? Weil, gibt es nicht auch noch andere Materialien, die andere Formen von Magnetismus haben, z.B. ist es ja auch eine Form von Magnetismus, wenn man einen kugelförmigen Magneten durch ein Kupferrohr fallen lässt, und dessen Fall durch „Eddy Currents“ gebremst wird, obwohl Kupfer selbst von dem Magneten nicht angezogen wird…oder war das so bei Aluminium, ich habs vergessen, jedenfalls hochinteressant!

    Auch interessant, dass man bei Elektronen, was ja eigentlich der Inbegriff eines Monopols ist (einzelne negative elektrische Ladung), von einem Spin spricht, während andere Modelle den Elektronen in einem Atom nicht mal mehr zugestehen, in „Schalen“ um den Kern herum zu „orbiten“, sondern nur mit gewissen Wahrscheinlichkeiten überhaupt dort verteilt zu sein, so dass eine „definitive“ Positionsbestimmung gar nicht möglich ist, aber drehen können sie sich doch.

    Ich seh schon, mit dem Allgemeinwissen eines Physik-Laien komm ich da nicht weiter 😉

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    • Am verbreitesten ist Paramagnetismus (Suszeptibilität χ > 1). Es gibt auch Diamagnetismus (χ < 1).

      Spin ist eine allgemeine Teilcheneigenschaft, und hat überhaupt nichts mit der elektrischen Ladung zu tun. Elektronen haben Spin 1/2, weshalb sie 2 Zustände annehmen können.

      Die Schalen oder Orbitale sind Veranschaulichungen in Atommodellen. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit (bzw. Wellenfunktion) ist eben genau so verteilt, wie sie diesen Orbitalen entspricht.
      Inwiefern sich wirklich etwas „dreht“ ist eine gute Frage. Der Drehimpuls ist eine klassische Analogie, da man sich im Femtokosmos sonst nichts mehr vorstellen kann.

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