Physik fühlt sich selten magischer an, als wenn man als Kind zum ersten Mal einem Magneten begegnet. Einen Stabmagneten im Naturwissenschaftsunterricht besorgen und mit aller Kraft versuchen, ihn in Richtung des passenden Pols eines anderen Magneten zu drücken, aber es ist völlig unfähig, oder gegenüberliegende Pole nahe beieinander lassen, sich aber nicht berühren, so dass Sie sehen können, wie sie zusammenkriechen und schließlich beitreten. Sie lernen schnell, dass dieses Verhalten auf Magnetismus zurückzuführen ist, aber was ist Magnetismus wirklich? Was ist die Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus, die es Elektromagneten ermöglicht, zu funktionieren? Warum würden Sie zum Beispiel auf einem Metallschrottplatz nicht einen Permanentmagneten anstelle eines Elektromagneten verwenden? Magnetismus ist ein faszinierendes und kompliziertes Thema, aber wenn Sie nur die Eigenschaften eines Magneten und die Grundlagen lernen möchten, ist es wirklich einfach zu lernen.
Wie funktionieren Magnete?
Magnetisches Verhalten wird letztendlich durch die Bewegung von Elektronen verursacht. Eine sich bewegende elektrische Ladung erzeugt ein Magnetfeld, und – wie zu erwarten – sind Magnete und Magnetfelder eng miteinander verbunden. Da ein Elektron ein geladenes Teilchen ist, erzeugt seine Bahnbewegung um den Atomkern ein kleines Magnetfeld. Im Allgemeinen gibt es jedoch Tonnen von Elektronen in einem Material, und das von einem erzeugte Feld ist durch das von einem anderen erzeugte Feld aufgehoben, und es gibt keinen Magnetismus vom Material als a ganze.
Einige Materialien funktionieren jedoch anders. Das von einem Elektron erzeugte Magnetfeld kann die Ausrichtung des Feldes beeinflussen, das von benachbarten Elektronen erzeugt wird, und sie werden ausgerichtet. Dadurch entsteht im Material eine sogenannte magnetische „Domäne“, in der alle Elektronen ausgerichtete Magnetfelder haben. Materialien, die dies tun, werden als ferromagnetisch bezeichnet, und bei Raumtemperatur sind nur Eisen, Nickel, Kobalt und Gadolinium ferromagnetisch. Dies sind die Materialien, die zu Dauermagneten werden können.
Die Domänen innerhalb eines ferromagnetischen Materials haben alle zufällige Orientierungen; obwohl benachbarte Elektronen ihre Felder aufeinander ausrichten, sind andere Gruppen wahrscheinlich in eine andere Richtung ausgerichtet. Dadurch bleibt im Großen kein Magnetismus übrig, da sich verschiedene Domänen gegenseitig aufheben, genau wie die einzelnen Elektronen in anderen Materialien.
Legt man jedoch ein externes Magnetfeld an – beispielsweise indem man einen Stabmagneten in die Nähe des Materials bringt – beginnen sich die Domänen auszurichten. Wann alle der Domänen ausgerichtet sind, das gesamte Materialstück effektiv eine einzelne Domäne enthält und entwickelt zwei Pole, die allgemein als Nord und Süd bezeichnet werden (obwohl auch positiv und negativ sein können) benutzt).
Bei ferromagnetischen Materialien bleibt diese Ausrichtung auch bei Wegnahme des äußeren Feldes bestehen, bei anderen Materialarten (paramagnetische Materialien), die magnetischen Eigenschaften gehen verloren, wenn das äußere Feld entfernt.
Was sind die Eigenschaften eines Magneten?
Die bestimmenden Eigenschaften von Magneten sind, dass sie einige Materialien und die entgegengesetzten Pole anderer Magnete anziehen und sich wie die Pole anderer Magnete abstoßen. Wenn Sie also zwei Permanent-Stabmagnete haben, erzeugt das Zusammendrücken von zwei Nord- (oder Süd-) Polen eine abstoßende Kraft, die stärker wird, je näher die beiden Enden zusammengebracht werden. Bringt man zwei entgegengesetzte Pole (einen Nord- und einen Südpol) zusammen, so entsteht eine Anziehungskraft zwischen ihnen. Je näher man sie zusammenbringt, desto stärker ist diese Kraft.
Ferromagnetische Materialien – wie Eisen, Nickel und Kobalt – oder diese enthaltende Legierungen (wie Stahl) werden von Permanentmagneten angezogen, auch wenn sie kein eigenes Magnetfeld erzeugen. Sie sind nur angezogen zu den Magneten, und sie werden nicht abgestoßen, es sei denn, sie beginnen, ein eigenes Magnetfeld zu erzeugen. Andere Materialien wie Aluminium, Holz und Keramik werden von Magneten nicht angezogen.
Wie funktioniert ein Elektromagnet?
Ein Permanentmagnet und ein Elektromagnet sind ziemlich unterschiedlich. Elektromagnete beinhalten auf offensichtlichere Weise Elektrizität und werden im Wesentlichen durch die Bewegung von Elektronen durch einen Draht oder einen elektrischen Leiter erzeugt. Wie bei der Bildung magnetischer Domänen erzeugt die Bewegung von Elektronen durch einen Draht ein Magnetfeld. Die Form des Feldes hängt von der Richtung ab, in die sich die Elektronen bewegen – wenn Sie die Daumen der rechten Hand in Stromrichtung, die Finger krümmen sich in Richtung des Feld.
Um einen einfachen Elektromagneten herzustellen, wird ein elektrischer Draht um einen zentralen Kern gewickelt, der normalerweise aus Eisen besteht. Wenn Strom durch den Draht fließt und sich kreisförmig um den Kern bewegt, wird ein Magnetfeld erzeugt, das entlang der Mittelachse der Spule verläuft. Dieses Feld ist unabhängig davon vorhanden, ob Sie einen Kern haben oder nicht, aber bei einem Eisenkern richtet das Feld die Domänen im ferromagnetischen Material aus und wird dadurch stärker.
Wenn der Stromfluss unterbrochen wird, hören die geladenen Elektronen auf, sich um die Drahtspule zu bewegen, und das Magnetfeld verschwindet.
Was sind die Eigenschaften eines Elektromagneten?
Elektromagnete und Magnete haben die gleichen Schlüsseleigenschaften. Der Unterschied zwischen einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten liegt im Wesentlichen darin, wie das Feld erzeugt wird, nicht in den Eigenschaften des Felds danach. Elektromagnete haben also immer noch zwei Pole, ziehen immer noch ferromagnetische Materialien an und haben immer noch Pole, die ähnliche Pole abstoßen und ungleiche Pole anziehen. Der Unterschied besteht darin, dass die bewegte Ladung in Permanentmagneten durch die Bewegung von Elektronen in erzeugt wird Atome, während es in Elektromagneten durch die Bewegung von Elektronen als Teil einer elektrischen Strom.
Vorteile von Elektromagneten
Elektromagnete haben jedoch viele Vorteile. Da das Magnetfeld durch den Strom erzeugt wird, können seine Eigenschaften durch Änderung des Stroms verändert werden. Beispielsweise erhöht eine Erhöhung des Stroms die Stärke des Magnetfelds. Ebenso kann ein Wechselstrom (Wechselstrom) verwendet werden, um ein sich ständig änderndes Magnetfeld zu erzeugen, das verwendet werden kann, um einen Strom in einem anderen Leiter zu induzieren.
Für Anwendungen wie Magnetkräne auf Metallschrottplätzen besteht der große Vorteil von Elektromagneten darin, dass das Feld problemlos abgeschaltet werden kann. Wenn Sie ein Stück Altmetall mit einem großen Permanentmagneten aufheben, wäre es eine ziemliche Herausforderung, es vom Magneten zu entfernen! Mit einem Elektromagneten müssen Sie nur den Stromfluss unterbrechen und der Schrott fällt herunter.
Magnete und Maxwells Gesetze
Die Gesetze des Elektromagnetismus werden durch die Maxwellschen Gesetze beschrieben. Diese sind in der Sprache der Vektorrechnung geschrieben und erfordern eine ziemlich komplizierte Mathematik. Die Grundlagen der Regeln des Magnetismus können jedoch verstanden werden, ohne in die komplizierte Mathematik einzutauchen.
Das erste Gesetz bezüglich des Magnetismus wird als „kein Monopolgesetz“ bezeichnet. Dies besagt im Grunde, dass alle Magnete zwei Pole haben und es niemals einen Magneten mit einem einzigen Pol geben wird. Mit anderen Worten, Sie können keinen Nordpol eines Magneten ohne einen Südpol haben und umgekehrt.
Das zweite Gesetz zum Magnetismus heißt Faradaysches Gesetz. Dies beschreibt den Vorgang der Induktion, bei dem ein sich änderndes Magnetfeld (erzeugt von einem Elektromagneten mit a variierender Strom oder durch einen sich bewegenden Permanentmagneten) induziert eine Spannung (und elektrischen Strom) in einem nahen Dirigent.
Das letzte Gesetz bezüglich des Magnetismus wird Ampere-Maxwell-Gesetz genannt und beschreibt, wie ein sich änderndes elektrisches Feld ein magnetisches Feld erzeugt. Die Feldstärke hängt mit dem durch das Gebiet fließenden Strom und der Änderungsrate des elektrischen Felds (das durch elektrische Ladungsträger wie Protonen und Elektronen erzeugt wird) zusammen. Dies ist das Gesetz, das Sie in einfacheren Fällen verwenden, um ein Magnetfeld zu berechnen, z. B. für eine Drahtspule oder einen langen geraden Draht.