Magnetismus: Definition, Typen, Eigenschaften und ihre Funktionsweise (mit Beispielen)

Magnete. Sie haben sie an Ihrem Kühlschrank, Sie haben als Kind damit gespielt, Sie haben sogar einen Kompass in der Hand gehalten, als die Kompassnadel auf den magnetischen Nordpol der Erde zeigte. Aber wie funktionieren sie? Was ist dieses Phänomen des Magnetismus?

Magnetismus ist ein Aspekt der fundamentalen elektromagnetischen Kraft. Es beschreibt Phänomene und Kräfte, die mit Magneten oder magnetischen Objekten verbunden sind.

Alle Magnetfelder werden durch bewegte Ladung oder sich ändernde elektrische Felder erzeugt. Aus diesem Grund werden die Phänomene Elektrizität und Magnetismus zusammenfassend als Elektromagnetismus bezeichnet. Sie sind wirklich ein und dasselbe!

In allen Materialien enthalten die Atome Elektronen, und diese Elektronen bilden eine Wolke um den Atomkern, wobei ihre Gesamtbewegung einen kleinen magnetischen Dipol erzeugt. In den meisten Materialien führt jedoch die zufällige Verteilung der Orientierungen dieser Minimagnete dazu, dass sich die Felder aufheben. Ferromagnetische Materialien sind die Ausnahme.

Viele Materialien weisen magnetische Phänomene auf, darunter Eisen, Mangan, Magnetit und Kobalt. Diese können als Permanentmagnete existieren oder paramagnetisch sein (d. h. von magnetischen Materialien angezogen, aber selbst keinen Permanentmagnetismus behalten). Elektromagnete werden erzeugt, indem elektrischer Strom durch einen um ein Material wie Eisen gewickelten Draht geleitet wird (oder durch jede Situation, in der elektrische Ladung bewegt wird).

Magnetische Materialien können sich entweder gegenseitig anziehen oder abstoßen, je nachdem, welche Teile dieser Materialien zusammengebracht werden.

Genau wie bei der elektrischen Kraft und der Gravitationskraft erzeugen Objekte, die magnetische Kräfte aufeinander ausüben, ein Feld um sich herum. Ein Stabmagnet zum Beispiel erzeugt im Raum um ihn herum ein Magnetfeld, wodurch alle anderen Magneten oder ferromagnetischen Materialien, die in dieses Feld gebracht werden, eine Kraft spüren.

Eine Möglichkeit, das Magnetfeld zu visualisieren, besteht darin, Eisenspäne zu verwenden. Eisenspäne sind kleine Eisenstücke, die sich, wenn sie um einen Magneten gestreut werden, an den äußeren Magnetfeldlinien ausrichten, sodass Sie sie visualisieren können.

Die mit der Magnetfeldstärke verbundene SI-Einheit ist Tesla.

Eine weitere gebräuchliche Einheit, die mit der magnetischen Feldstärke verbunden ist, ist das Gauss.

1 Gauss = 1 G = 10^-4 T

Es gibt viele verschiedene Arten von Magnetismus:

​Paramagnetismusbeschreibt bestimmte Materialien, die von Magneten schwach angezogen werden können, aber selbst kein permanentes Magnetfeld behalten. In Gegenwart eines externen Feldes bilden sie interne, induzierte Magnetfelder, die sich ausrichten. Dies kann insgesamt zu einer vorübergehenden Verstärkung des Magnetfelds führen. Es gibt viele verschiedene Arten von paramagnetischen Materialien, sogar einige Edelsteine.

​Diamagnetismusist eine Eigenschaft, die alle Materialien aufweisen, die jedoch typischerweise bei Materialien, die wir als nicht magnetisch bezeichnen, am offensichtlichsten ist. Diamagnetische Materialien werden von Magnetfeldern sehr schwach abgestoßen. Bei Permanentmagneten und paramagnetischen Materialien sind die Auswirkungen des Diamagnetismus vernachlässigbar.

​Elektromagnetismustritt auf, wenn elektrischer Strom durch einen Draht geleitet wird. Dieser Draht kann um einen Eisenstab gewickelt werden, um den Effekt zu verstärken, da das Eisen sein eigenes Magnetfeld erzeugt, das sich mit dem externen Feld ausrichtet. Diese Form des Magnetismus ist eine direkte Folge der Tatsache, dass die Bewegung von Elektronen ein Magnetfeld erzeugt. (Auch hier sind Elektrizität und Magnetismus zwei Seiten derselben grundlegenden physikalischen Eigenschaft!)

​Ferromagnetismusbeschreibt, wie bestimmte Materialien – sogenannte ferromagnetische Materialien – Permanentmagnete bilden, auf die im nächsten Abschnitt näher eingegangen wird.

Materialien, die stark von Magneten angezogen werden, werden als ferromagnetisch bezeichnet. Eisen ist das am häufigsten verwendete Material dieser Art. (Nicht überraschend, da das lateinische Präfixferro- bedeutet "Eisen".)

Ferromagnetische Materialien haben sogenannte magnetische Domänen; d. h. Bereiche in ihnen, die wie Magneten sind, aber in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind, so dass sich der Gesamteffekt aufhebt und sie im Allgemeinen nicht wie Magnete wirken. Werden diese Materialien jedoch in ein Magnetfeld gebracht, kann dies zu einer Ausrichtung der Domänen führen, so dass sie alle in die gleiche Richtung ausgerichtet sind und daher (oft vorübergehend) wie Magneten werden sich.

Ferromagnetische Materialien umfassen Magnetstein, Eisen, Nickel, Kobalt und verschiedene Seltenerdmaterialien einschließlich Neodym.

Ein Stabmagnet ist ein rechteckiger oder zylindrischer Stab aus magnetischem Material. Die Enden eines Stabmagneten sind Nord- und Südpole. Dies sind die beiden Arten von Magnetpolen, und sie interagieren miteinander über eine magnetische Kraft, ähnlich wie positive und negative Ladungen über die elektrische Kraft interagieren.

Stabmagnete sind magnetische Dipole. Sie haben entgegengesetzte Pole, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind, ähnlich einem elektrischen Dipol. Ein Hauptunterschied besteht jedoch darin, dass Sie bei Magneten keinen Monopol (einen isolierten Pol) haben können, wie dies bei Ladungen der Fall ist. Ein Magnet existiert immer als Dipol und niemals allein als Nordpol oder als Südpol. (Wenn Sie einen Stabmagneten halbieren, um zu versuchen, die Pole zu trennen, erhalten Sie am Ende einfach zwei kleinere Dipolmagnete!)

Wie Sie wahrscheinlich wissen, hat die Erde ein Magnetfeld. Dies ermöglicht es den Menschen, mit einem Kompasse zu bestimmen, in welche Richtung sie relativ zu den Polen weisen. Ein Magnetkompass besteht aus einem kleinen Magneten, der sich frei bewegen und auf jedes externe Feld ausrichten kann. Das rote Ende der Kompassnadel zeigt nach Norden. Das Magnetfeld der Erde wirkt wie ein riesiger Stabmagnet. Dieser imaginäre Stabmagnet ist so ausgerichtet, dass sich das Nordende des Magneten am Südpol der Erde und das Südende des Magneten am Nordpol der Erde befindet.

Das Erdmagnetfeld ist an den meisten Orten auch nicht parallel zur Erdoberfläche. Mit einer Tauchnadel können Sie die Deklination des Erdmagnetfeldes bestimmen. Richten Sie die Nadel zuerst horizontal aus und richten Sie sie auf den magnetischen Norden der Erde aus. Dann senkrecht drehen und den Neigungswinkel beobachten. Der Winkel ist umso größer, je näher Sie an den Polen sind.

Das Magnetfeld der Erde erzeugt eine Region des Weltraums, die den Planeten umgibt, die Magnetosphäre genannt wird. Die Magnetosphäre sieht im Wesentlichen wie das Magnetfeld eines sehr großen Stabmagneten aus, der nahe der Erdachse ausgerichtet ist, obwohl sich die Magnetosphäre verformen kann, wenn sie mit geladenen Teilchen interagiert.

Die Magnetosphäre schützt uns vor Sonnenwind, der geladene Teilchen enthält. Wechselwirkungen zwischen diesen Partikeln und den magnetischen Feldlinien lassen Polarlichter entstehen.

Das Phänomen des Magnetismus wird in allen möglichen alltäglichen Anwendungen genutzt.

Das Phänomen des Elektromagnetismus ermöglicht es uns, in elektrischen Generatoren mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Elektrische Generatoren verwenden mechanische Mittel, um eine Turbine (blasender Wind oder fließendes Wasser) zu drehen, die ein Magnetfeld relativ zu Drahtspulen ändert und einen Stromfluss induziert.

Elektromotoren sind im Wesentlichen das Gegenteil von elektrischen Generatoren und verwenden Elektromagnetismus zur Umwandlung elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, sei es zum Betrieb einer Bohrmaschine, eines Rührwerks oder einer elektrischen Fahrzeug.

Industrie-Elektromagnete sind riesige Magnete mit sehr starken Magnetfeldern, mit denen sie alte Fahrzeuge auf dem Schrottplatz abholen können.

MRT-Geräte verwenden starke Magnetfelder, um Bilder von Ihrem Inneren zu erstellen und Ärzten die Diagnose einer ganzen Reihe von Erkrankungen zu ermöglichen.