Wir haben alle von Zeit zu Zeit mit Magneten gespielt. Im Folgenden wird versucht, die Grundlagen des geheimen Innenlebens des mysteriösen Magneten zu erklären.
Ein Magnet ist jedes Material oder Objekt, das ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld ist für die Eigenschaft eines Magneten verantwortlich: eine Kraft, die an anderen ferromagnetischen Materialien zieht und andere Magnete anzieht oder abstößt. Ein Permanentmagnet ist ein Objekt aus einem Material, das magnetisiert ist und ein eigenes beständiges Magnetfeld erzeugt. Magnetisierbare Materialien, die stark von einem Magneten angezogen werden, werden als ferromagnetisch bezeichnet. Obwohl ferromagnetische Materialien die einzigen sind, die stark genug von einem Magneten angezogen werden, um allgemein als magnetisch angesehen zu werden, reagieren alle anderen Substanzen schwach auf ein Magnetfeld.
Einige Fakten über Magnete sind:
- Der Nordpol des Magneten zeigt auf den geomagnetischen Nordpol (einen Südmagnetpol) in Kanada über dem Polarkreis.
- Nordpole stoßen Nordpole ab
- Südpole stoßen Südpole ab
- Nordpole ziehen Südpole an
- Südpole ziehen Nordpole an
- Die Anziehungs- oder Abstoßungskraft ändert sich umgekehrt mit dem Quadrat im Abstand
- Die Stärke eines Magneten variiert an verschiedenen Stellen des Magneten
- Magnete sind an ihren Polen am stärksten
- Magnete ziehen stark Stahl, Eisen, Nickel, Kobalt, Gadolinium an
- Magnete ziehen leicht flüssigen Sauerstoff und andere Materialien an
- Magnete stoßen Wasser, Kohlenstoff und Bor leicht ab
Die Mechanik der Funktionsweise von Magneten reicht bis auf atomare Ebene. Wenn Strom in einem Draht fließt, wird ein Magnetfeld um den Draht erzeugt. Strom ist einfach ein Bündel sich bewegender Elektronen, und sich bewegende Elektronen erzeugen ein Magnetfeld. So funktionieren Elektromagnete.
Um den Atomkern herum befinden sich Elektronen. Wissenschaftler dachten früher, sie hätten Kreisbahnen, haben aber festgestellt, dass die Dinge viel komplizierter sind. Tatsächlich berücksichtigen die Muster des Elektrons in einem dieser Orbitale Schrödingers Wellengleichungen. Elektronen besetzen bestimmte Schalen, die den Atomkern umgeben. Diesen Schalen wurden die Buchstaben K, L, M, N, O, P, Q gegeben. Sie haben auch Nummernnamen erhalten, wie z. B. 1,2,3,4,5,6,7 (denken Sie an die Quantenmechanik). Innerhalb der Schale können Unterschalen oder Orbitale mit Buchstabennamen wie s, p, d, f existieren. Einige dieser Orbitale sehen aus wie Kugeln, andere wie eine Sanduhr, andere wie Perlen. Die K-Schale enthält ein s-Orbital, das als 1s-Orbital bezeichnet wird. Die L-Schale enthält ein s- und p-Orbital, das als 2s- und 2p-Orbital bezeichnet wird. Die M-Schale enthält ein s-, p- und d-Orbital, das als 3s-, 3p- und 3d-Orbital bezeichnet wird. Die N-, O-, P- und Q-Schalen enthalten jeweils ein s-, p-, d- und f-Orbital, das als 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, bezeichnet wird. 7d und 7f Orbital. Diese Orbitale haben auch verschiedene Suborbitale. Jedes kann nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen enthalten. Maximal 2 Elektronen können ein Suborbital besetzen, in dem eines einen Spin von oben und das andere einen Spin von unten hat. Es können nicht zwei Elektronen mit Spin im selben Suborbital sein (das Pauli-Ausschlussprinzip). Wenn Sie ein Elektronenpaar in einem Suborbital haben, heben sich die kombinierten Magnetfelder gegenseitig auf. Wenn Sie verwirrt sind, sind Sie nicht allein. Viele Menschen verlieren sich hier und wundern sich nur über Magnete, anstatt weiter zu forschen.
Wenn Sie sich die ferromagnetischen Metalle ansehen, ist es schwer zu erkennen, warum sie sich so stark von den Elementen im Periodensystem unterscheiden. Es ist allgemein anerkannt, dass ferromagnetische Elemente aufgrund ungepaarter Elektronen in ihren äußeren Orbitalen große magnetische Momente aufweisen. Es wird auch angenommen, dass der Spin des Elektrons ein winziges Magnetfeld erzeugt. Diese Felder haben einen zusammengesetzten Effekt. Wenn Sie also eine Reihe dieser Felder zusammenfassen, summieren sie sich zu größeren Feldern.
Um zu beschreiben, wie Magnete funktionieren, neigen die Atome ferromagnetischer Materialien dazu, ein eigenes Magnetfeld zu haben, das von den Elektronen erzeugt wird, die sie umkreisen. Kleine Gruppen von Atomen neigen dazu, sich in die gleiche Richtung zu orientieren. Jede dieser Gruppen wird als magnetische Domäne bezeichnet. Jede Domäne hat ihren eigenen Nord- und Südpol. Wenn ein Stück Eisen nicht magnetisiert ist, zeigen die Domänen nicht in die gleiche Richtung, sondern in zufällige Richtungen, die sich gegenseitig aufheben und verhindern, dass das Eisen einen Nord- oder Südpol hat oder ein Magnet ist. Wenn Sie Strom (Magnetfeld) einleiten, werden die Domänen mit dem externen Magnetfeld ausgerichtet. Je mehr Strom angelegt wird, desto höher ist die Anzahl der ausgerichteten Domänen. Wenn das externe Magnetfeld stärker wird, richten sich immer mehr Domänen danach aus. Es wird einen Punkt geben, an dem alle Domänen im Eisen mit dem externen Magnetfeld (Sättigung) ausgerichtet sind, unabhängig davon, wie viel stärker das Magnetfeld ist. Nachdem das externe Magnetfeld entfernt wurde, kehren weichmagnetische Materialien zu zufällig orientierten Domänen zurück. Hartmagnetische Materialien halten jedoch die meisten ihrer Domänen ausgerichtet, wodurch ein starker Permanentmagnet entsteht. Also, da hast du es.
Wir haben viele Artikel über Magnete für das Space Magazine geschrieben. Hier ist ein Artikel über Stabmagnete und hier ist ein Artikel über Supermagnete.
Wenn Sie weitere Informationen zu Magneten wünschen, lesen Sie einige coole Experimente mit Magneten. Hier finden Sie einen Link zu einem Artikel über Supermagnete von Wise Geek.
Wir haben auch eine ganze Episode von Astronomy Cast rund um Magnetismus aufgenommen. Hören Sie hier, Episode 42: Magnetismus überall.
Quellen:
Weiser Geek
Wikipedia: Magnet
Wikipedia: Ferromagnetismus
