Wofür benutzen wir Magnete?

Vielleicht findest du Magnete interessant; vielleicht findest du sie langweilig! Wozu, werden Sie sich fragen, außer für kindische Zaubertricks und Schrottplätze?

Sie werden überrascht sein, wie viele Dinge um Sie herum durch Magnetismus oder Elektromagnetismus funktionieren. Jedes elektrische Gerät mit einem Elektromotor (von der elektrischen Zahnbürste bis zum Rasenmäher) nutzt Magnete, um Strom in Bewegung zu verwandeln.

Motoren nutzen Strom, um in Drahtspulen vorübergehend Magnetismus zu erzeugen. Das so erzeugte Magnetfeld stößt gegen das feste Feld eines Dauermagneten, wodurch sich der innere Teil des Motors mit hoher Geschwindigkeit dreht. Man kann diese Drehbewegung nutzen, um alle möglichen Maschinen anzutreiben.

In Ihrem Kühlschrank befinden sich Magnete, die die Tür geschlossen halten. Magnete lesen und schreiben Daten (digitale Informationen) auf der Festplatte Ihres Computers und auf Kassettenbändern in altmodischen Stereoanlagen. Weitere Magnete in Ihren HiFi-Lautsprechern oder Kopfhörern helfen, gespeicherte Musik wieder in hörbare Töne zu verwandeln. Wenn Sie an einer schweren inneren Krankheit leiden, können Sie eine Art Körperscan namens NMR (Kernspinresonanz) durchführen lassen, bei dem die Welt unter Ihrer Haut mit Hilfe von Mustern aus Magnetfeldern gezeichnet wird. Magnete werden verwendet, um Ihren Metallmüll zu recyceln (Lebensmitteldosen aus Stahl sind stark magnetisch, Getränkedosen aus Aluminium jedoch nicht, so dass ein Magnet eine einfache Möglichkeit ist, die beiden unterschiedlichen Metalle zu trennen).

Foto: Ein NMR-Scan wie dieser baut ein detailliertes Bild des Körpers (oder in diesem Fall des Kopfes) eines Patienten auf einem Computerbildschirm auf, indem er die magnetische Aktivität der Atome im Gewebe des Körpers nutzt. Oben sehen Sie den Patienten, der in den Scanner geht, und unten das Bild seines Kopfes auf dem Bildschirm. Foto mit freundlicher Genehmigung des Warren Grant Magnuson Clinical Center (CC) und der USNational Institutes of Health (NIH).

Welche Materialien sind magnetisch?

Eisen ist der König der magnetischen Materialien – das Metall, an das wir alle denken, wenn wir an Magnete denken. Die meisten anderen gebräuchlichen Metalle (wie Kupfer, Gold, Silber und Aluminium) sind auf den ersten Blick nicht magnetisch und die meisten Nichtmetalle (einschließlich Papier, Holz, Kunststoff, Beton, Glas und Textilien wie Baumwolle und Wolle) sind ebenfalls nicht magnetisch. Aber Eisen ist nicht das einzigemagnetische Metall. Nickel, Kobalt und Elemente, die zu einem Teil des Periodensystems gehören (die geordnete Anordnung, die Chemiker verwenden, um alle bekannten chemischen Elemente zu beschreiben), die als Seltenerdmetalle bekannt sind (insbesondere Samarium und Neodym), ergeben ebenfalls gute Magnete. Einige der besten Magnete sind Legierungen (Mischungen) dieser Elemente untereinander und mit anderen Elementen. Ferrite (Verbindungen aus Eisen, Sauerstoff und anderen Elementen) eignen sich ebenfalls hervorragend als Magnete. Lodestone (auch Magnetit genannt) ist ein Beispiel für einen Ferrit, der häufig im Erdinneren zu finden ist (er hat die chemische Formel FeO-Fe2O3).

Materialien wie Eisen werden zu guten temporären Magneten, wenn man einen Magneten in ihre Nähe bringt, aber sie neigen dazu, ihren Magnetismus teilweise oder ganz zu verlieren, wenn man den Magneten wieder wegnimmt. Im Gegensatz dazu behalten Legierungen aus Eisen und den Seltenerdmetallen den größten Teil ihres Magnetismus, selbst wenn man sie aus einem Magnetfeld entfernt, so dass sie gute Dauermagnete sind. Wir nennen diese Materialien magnetisch hart.

Stimmt es, dass alle Materialien entweder magnetisch oder nicht magnetisch sind? Früher dachte man das, aber heute weiß man, dass auch die Materialien, die wir für unmagnetisch halten, vom Magnetismus beeinflusst werden, wenn auch nur sehr schwach. Das Ausmaß, in dem ein Material magnetisiert werden kann, wird Suszeptibilität genannt.

Wie verschiedene Materialien auf Magnetismus reagieren

Wissenschaftler haben eine Reihe von verschiedenen Begriffen, um zu beschreiben, wie sich Materialien verhalten, wenn man sie in die Nähe eines Magneten bringt (was eine andere Art ist, zu sagen, wenn man sie in ein Magnetfeld bringt). Grob gesagt unterteilen wir alle Materialien in zwei Arten, die paramagnetisch und diamagnetisch genannt werden, wobei einige der paramagnetischen Materialien auch ferromagnetisch sind. Es ist wichtig, sich darüber klar zu werden, was diese verwirrenden Begriffe eigentlich bedeuten…

Paramagnetisch

Machen Sie eine Probe eines magnetischen Materials und hängen Sie es an einen Faden, so dass es in einem Magnetfeld baumelt, und es wird magnetisieren und sich so ausrichten, dass sein Magnetismus parallel zum Feld ist. Wie die Menschen seit Tausenden von Jahren wissen, verhält sich genau so eine Kompassnadel im Magnetfeld der Erde. Materialien, die sich auf diese Weise verhalten, werden als paramagnetisch bezeichnet. Metalle wie Aluminium und die meisten Nichtmetalle (von denen man annehmen könnte, dass sie überhaupt nicht magnetisch sind) sind tatsächlich paramagnetisch, aber so schwach, dass wir es nicht bemerken. Paramagnetismus ist temperaturabhängig: Je heißer ein Material ist, desto weniger wird es von nahegelegenen Magneten beeinflusst.

Foto: Wir betrachten Aluminium (das in Getränkedosen wie diesen verwendet wird) als nicht magnetisch. Das hilft uns, für das Recycling unsere Aluminiumdosen (die nicht an Magneten haften) von unseren Stahldosen (die es tun) zu trennen. In der Tat sind beide Materialien magnetisch. Der Unterschied ist, dass Aluminium sehr schwach paramagnetisch ist, während Stahl stark ferromagnetisch ist. Foto mit freundlicher Genehmigung der US Air Force.

Ferromagnetisch

Einige paramagnetische Materialien, vor allem Eisen und die Seltenerdmetalle, werden in einem Feld stark magnetisiert und bleiben in der Regel auch dann magnetisiert, wenn das Feld entfernt wird. Wir sagen, dass solche Materialien ferromagnetisch sind, was eigentlich nur bedeutet, dass sie „magnetisch wie Eisen“ sind. Allerdings verliert ein ferromagnetisches Material seinen Magnetismus, wenn man es über einen bestimmten Punkt erhitzt, der als Curie-Temperatur bekannt ist. Eisen hat eine Curie-Temperatur von 770°C (1300°F), während die Curie-Temperatur für Nickel bei ~355°C (~670°F) liegt. Wenn Sie einen Eisenmagneten auf 800°C (~1500°F) erhitzen, hört er auf, ein Magnet zu sein. Man kann auch den Ferromagnetismus zerstören oder schwächen, wenn man einen Magneten wiederholt schlägt.

Diamagnetisch

Wir können uns paramagnetische und ferromagnetische Materialien als „Fans“ des Magnetismus vorstellen: In gewissem Sinne „mögen“ sie den Magnetismus und reagieren positiv darauf, indem sie sich magnetisieren lassen. Nicht alle Materialien reagieren so enthusiastisch. Hängt man einige Materialien in Magnetfelder, so regen sie sich innerlich auf und leisten Widerstand: Sie verwandeln sich in temporäre Magnete, um der Magnetisierung zu widerstehen, und stoßen Magnetfelder außerhalb ihrer selbst schwach ab. Wir nennen diese Materialien diamagnetisch. Wasser und viele organische (kohlenstoffbasierte) Substanzen, wie z. B. Benzol, verhalten sich auf diese Weise. Bindet man ein diamagnetisches Material an einen Faden und hängt es in ein Magnetfeld, wird es sich so drehen, dass es einen Winkel von 180° zum Feld bildet.

Was verursacht Magnetismus?

Im frühen 20. Jahrhundert, bevor Wissenschaftler die Struktur der Atome und ihre Funktionsweise richtig verstanden, kamen sie mit einer einfach zu verstehenden Idee, der sogenannten Domänentheorie, um Magnetismus zu erklären. Ein paar Jahre später, als man die Atome besser verstand, stellte man fest, dass die Domänentheorie immer noch funktionierte, aber selbst auf einer tieferen Ebene durch die Atomtheorie erklärt werden konnte. All die verschiedenen Aspekte des Magnetismus, die wir beobachten, können letztendlich erklärt werden, indem man entweder über Domänen, Elektronen in Atomen oder beides spricht. Schauen wir uns die beiden Theorien der Reihe nach an.

Erklärung des Magnetismus mit der Domänentheorie

Stellen Sie sich irgendwo eine Fabrik vor, die kleine Stabmagnete herstellt und sie an Schulen für den naturwissenschaftlichen Unterricht liefert. Stellen Sie sich einen Mann namens Dave vor, der den LKW fahren muss, der viele Pappkartons, in denen jeweils ein Magnet steckt, zu einer anderen Schule transportiert. Dave hat keine Zeit, sich darüber Gedanken zu machen, wie die Kartons gestapelt sind, also stapelt er sie auf irgendeine Weise in seinem LKW. Der Magnet in einer Kiste könnte nach Norden zeigen, während der Magnet daneben nach Süden, Osten oder Westen zeigt. Insgesamt sind die Magnete alle durcheinander, so dass sich die Magnetfelder, obwohl sie aus jeder Kiste austreten, gegenseitig aufheben.

In der gleichen Fabrik arbeitet ein anderer LKW-Fahrer namens Bill, der nicht unterschiedlicher sein könnte.

Er mag es, wenn alles ordentlich ist, also belädt er seinen LKW auf eine andere Art und Weise, indem er alle Kisten ordentlich stapelt, so dass sie genau gleich ausgerichtet sind. Können Sie sich vorstellen, was dann passiert? Das Magnetfeld einer Kiste wird sich mit dem Feld aller anderen Kisten ausrichten… und so wird der Lkw zu einem riesigen Magneten. Die Fahrerkabine wird zu einem riesigen Nordpol und die Rückseite des LKWs zu einem riesigen Südpol!

Was im Inneren dieser beiden LKWs passiert, ist das, was auf einer winzigen Skala im Inneren von magnetischen Materialien passiert. Nach der Domänentheorie enthält etwas wie ein Eisenstab viele winzige Taschen, die Domänen genannt werden. Jede Domäne ist ein bisschen wie eine Box mit einem Magneten darin. Sehen Sie, worauf wir hinauswollen? Die Eisenstange ist genau wie der LKW. Normalerweise sind alle „Boxen“ an Bord zufällig angeordnet und es gibt keinen Gesamtmagnetismus: Das Eisen ist nicht magnetisiert. Wenn Sie einen Magneten an eine nicht magnetisierte Eisenstange heranführen und ihn systematisch und wiederholt auf und ab bewegen, ordnen Sie alle magnetischen „Boxen“ (Domänen) im Inneren neu an, so dass sie in die gleiche Richtung zeigen.

Die Domänentheorie erklärt, was im Inneren von Materialien passiert, wenn sie magnetisiert werden. In einem nicht magnetisierten Material (links) sind die Domänen zufällig angeordnet, so dass es kein Gesamtmagnetfeld gibt. Wenn man ein Material magnetisiert (rechts), indem man mit einem Stabmagneten wiederholt in die gleiche Richtung darüber streicht, ordnen sich die Domänen neu an, so dass sich ihre Magnetfelder ausrichten und ein kombiniertes Magnetfeld in die gleiche Richtung erzeugen.

Diese Theorie erklärt, wie Magnetismus entstehen kann, aber kann sie auch einige der anderen Dinge erklären, die wir über Magnete wissen? Wenn man einen Magneten in zwei Hälften schneidet, weiß man, dass man zwei Magnete erhält, jeder mit einem Nord- und einem Südpol. Das macht nach der Domänentheorie Sinn. Wenn man einen Magneten halbiert, erhält man einen kleineren Magneten, der immer noch voller Domänen ist, und diese können genau wie im Originalmagneten in Nord-Süd-Richtung angeordnet sein. Was ist mit der Art und Weise, wie der Magnetismus verschwindet, wenn man einen Magneten trifft oder ihn erwärmt? Auch das kann erklärt werden. Stellen Sie sich wieder den Transporter voller Ordnungsboxen vor. Fahren Sie ihn unregelmäßig, mit wirklich hoher Geschwindigkeit, und es ist ein bisschen wie Schütteln oder Hämmern. Alle Kisten werden durcheinander geworfen, so dass sie in unterschiedliche Richtungen zeigen und der Gesamtmagnetismus verschwindet.

Erklärung des Magnetismus mit der Atomtheorie

Die Domänentheorie ist einfach genug zu verstehen, aber sie ist keine vollständige Erklärung. Wir wissen, dass Eisenstangen nicht voller Kisten mit kleinen Magneten sind – und wenn man darüber nachdenkt, ist der Versuch, einen Magneten zu erklären, indem man sagt, dass er voller kleinerer Magnete ist, nicht wirklich eine Erklärung, weil es sofort die Frage aufwirft: Woraus sind die kleineren Magnete gemacht?

Glücklicherweise gibt es eine andere Theorie, auf die wir zurückgreifen können.

Bereits im 19. Jahrhundert entdeckten Wissenschaftler, dass sie Elektrizität nutzen können, um Magnetismus zu erzeugen und Magnetismus, um Elektrizität zu erzeugen. James Clerk Maxwell sagte, dass die beiden Phänomene in Wirklichkeit verschiedene Aspekte derselben Sache seien – Elektromagnetismus – wie zwei Seiten desselben Blattes Papier. Der Elektromagnetismus war eine brillante Idee, aber er war mehr eine Beschreibung als eine Erklärung: Er zeigte, wie die Dinge waren, anstatt zu erklären, warum sie so waren. Erst im 20. Jahrhundert, als spätere Wissenschaftler die Welt im Inneren der Atome zu verstehen begannen, tauchte schließlich die Erklärung für den Elektromagnetismus auf.

Wir wissen, dass alles aus Atomen besteht und dass Atome aus einem zentralen Materieklumpen, dem Kern, aufgebaut sind. Winzige Teilchen, Elektronen genannt, bewegen sich auf einer Umlaufbahn um den Kern, ein bisschen wie Satelliten am Himmel über uns, aber sie drehen sich auch gleichzeitig um ihre Achse (wie Kreisel). Wir wissen, dass Elektronen elektrische Ströme (Stromflüsse) tragen, wenn sie sich durch Materialien wie Metalle bewegen. Nun zurück im 19. Jahrhundert, Wissenschaftler wussten, dass bewegte Elektrizität mademagnetism. Im 20. Jahrhundert wurde klar, dass Magnetismus durch Elektronen verursacht wird, die sich innerhalb von Atomen bewegen und Magnetfelder um sie herum erzeugen. Domänen sind eigentlich Gruppen von Atomen, in denen spinnende Elektronen ein allgemeines Magnetfeld erzeugen, das in die eine oder andere Richtung zeigt.

Kunstwerk: Magnetismus wird durch Elektronen verursacht, die im Inneren von Atomen kreisen und sich drehen. Beachten Sie, dass dieses Bild nicht maßstabsgetreu gezeichnet ist: Der größte Teil eines Atoms ist leerer Raum und die Elektronen sind in Wirklichkeit viel weiter vom Kern entfernt, als ich hier gezeichnet habe.

Wie die Domänentheorie kann die Atomtheorie viele der Dinge erklären, die wir über Magnete wissen, einschließlich Paramagnetismus (die Art und Weise, wie sich magnetische Materialien mit Magnetfeldern ausrichten). Die meisten Elektronen in einem Atom existieren in Paaren, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, so dass die magnetische Wirkung eines Elektrons in einem Paar die Wirkung seines Partners aufhebt. Aber wenn ein Atom hat einige ungepaarte Elektronen (Eisen-Atome haben vier), theseproduce Netto-Magnetfelder, die Linie mit einander und turnthe ganze Atom in einem Mini-Magnet. Wenn man ein paramagnetisches Material wie Eisen in ein Magnetfeld bringt, ändern die Elektronen ihre Bewegung, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das mit dem äußeren Feld übereinstimmt.

Was ist mit Diamagnetismus? In diamagnetischen Materialien gibt es keine ungepaarten Elektronen, so dass dies nicht passiert. Die Atome haben wenig oder keinen Gesamtmagnetismus und werden von äußeren Magnetfeldern weniger beeinflusst. Die Elektronen, die in ihnen kreisen, sind jedoch elektrisch geladene Teilchen und wenn sie sich in einem Magnetfeld bewegen, verhalten sie sich wie alle anderen elektrisch geladenen Teilchen in einem Magnetfeld und erfahren eine Kraft. Das ändert ihre Umlaufbahnen sehr geringfügig und erzeugt einen Nettomagnetismus, der sich dem verursachenden Magnetfeld entgegensetzt (gemäß dem klassischen Teil der elektromagnetischen Theorie, der Lenz’schen Regel, die mit dem Energieerhaltungssatz zusammenhängt), was dazu führt, dass das schwache Magnetfeld, das sie erzeugen, sich dem verursachenden Magnetfeld entgegensetzt – was genau das ist, was wir sehen, wenn diamagnetische Materialien versuchen, das Magnetfeld zu „bekämpfen“, in dem sie sich befinden.

Eine kurze Geschichte des Magnetismus

• Antike Welt: Der Magnetismus ist bereits den alten Griechen, Römern und Chinesen bekannt. Die Chinesen verwenden geomantische Kompasse (solche mit Holzinschriften, die in Ringen um eine zentrale Magnetnadel angeordnet sind) im Feng Shui. Magnete haben ihren Namen von Manisa in der Türkei, einem Ort, der einst Magnesia hieß, wo magnetischer Magnetstein im Boden gefunden wurde.
• 13. Jahrhundert: Magnetkompasse werden erstmals in westlichen Ländern zur Navigation eingesetzt. Der Franzose Petrus Perigrinus (auch Peter von Maricourt genannt) macht die ersten richtigen Studien über den Magnetismus.
• 17.Jahrhundert: Der englische Arzt und Wissenschaftler William Gilbert(1544-1603) veröffentlicht „On Magnets“, seine monumentale wissenschaftliche Studie über den Magnetismus, und stellt die These auf, dass die Erde ein Riesenmagnet ist.
• 18. Jahrhundert: Der Engländer John Michell(1724-93) und der Franzose CharlesAugustin de Coulomb (1736-1806) untersuchen die Kräfte, die Magnete ausüben können. Coulomb macht auch wichtige Studien über Elektrizität, versäumt es aber, Elektrizität und Magnetismus als Teile desselben zugrunde liegenden Phänomens zu verbinden.
• 19. Jahrhundert: Der Däne Hans Christian Oersted (1777-1851), die Franzosen André-Marie Ampère (1775-1836) und Dominique Arago (1786-1853) sowie der Engländer Michael Faraday (1791-1867) erforschen die enge Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus. James Clerk Maxwell (1831-1879) veröffentlicht eine relativ vollständige Erklärung von Elektrizität und Magnetismus (Theorie des Elektromagnetismus) und schlägt vor, dass sich elektromagnetische Energie in Wellen ausbreitet (was den Weg für die Erfindung des Radios ebnet).Pierre Curie (1859-1906) zeigt, dass Materialien ihren Magnetismus oberhalb einer bestimmten Temperatur verlieren (heute als Curie-Temperatur bekannt). Wilhelm Weber (1804-1891)entwickelt praktische Methoden zum Nachweis und zur Messung der Stärke eines Magnetfeldes.
• 20. Jahrhundert: Paul Langevin (1872-1946) erweitert die Arbeiten von Curie um eine Theorie, die erklärt, wie der Magnetismus durch Wärme beeinflusst wird. Der französische Physiker Pierre Weiss (1865-1940) schlägt vor, dass es Teilchen gibt, die Magnetrone genannt werden, die den Elektronen entsprechen und die magnetischen Eigenschaften von Materialien verursachen, und skizziert die Theorie der magnetischen Domänen.Zwei amerikanische Wissenschaftler, Samuel Abraham Goudsmit (1902-78) und George Eugene Uhlenbeck (1900-88), zeigen, wie magnetische Eigenschaften von Materialien aus der Drehbewegung von Elektronen in ihnen resultieren.