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.