Wie werden Magnete gebildet?

Fast jeder kennt einen Basismagneten und was er tut oder kann. Ein kleines Kind, wenn ein paar Spielmomente und der richtige Materialmix gegeben sind, würde das sicher schnell erkennen recognize verschiedene Dinge (die das Kind später als Metalle identifizieren wird) werden zum Magneten gezogen, während andere davon unberührt bleiben dadurch. Und wenn dem Kind mehr als ein Magnet zum Spielen zur Verfügung gestellt wird, werden die Experimente schnell noch interessanter.

Magnetismus ist ein Wort, das eine Reihe bekannter Wechselwirkungen in der physischen Welt umfasst, die für das bloße menschliche Auge nicht sichtbar sind. Die zwei Grundtypen von Magneten sind Ferromagnete, die permanente Magnetfelder um sich herum erzeugen, und Elektromagnete, bei denen es sich um Materialien handelt, in denen zeitweilig Magnetismus induziert werden kann, wenn sie in ein elektrisches Feld gelegt werden, wie es beispielsweise durch eine Spule aus stromdurchflossenem Draht erzeugt wird.

Wenn dich jemand fragt,

Wie so vieles in der Physik – zum Beispiel Schwerkraft, Schall und Licht – war Magnetismus schon immer „da“, aber die Fähigkeit der Menschheit, beschreiben und Vorhersagen darüber auf der Grundlage von Experimenten treffen, und die resultierenden Modelle und Frameworks haben sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt Jahrhunderte. Ein ganzer Zweig der Physik ist um die verwandten Konzepte von Elektrizität und Magnetismus herum entstanden, die normalerweise als Elektromagnetik bezeichnet werden.

Alte Kulturen waren sich bewusst, dass die Magnetit, eine seltene Art des eisen- und sauerstoffhaltigen Minerals Magnetit (chemische Formel: Fe₃Ö₄) könnte Metallstücke anziehen. Im 11. Jahrhundert hatten die Chinesen gelernt, dass ein solcher Stein, der zufällig lang und dünn war, sich in der Luft entlang einer Nord-Süd-Achse ausrichtete und den Weg ebnete für die Kompass.

Europäische Reisende, die den Kompass benutzten, stellten fest, dass die Nordrichtung während der Transatlantikreisen leicht variierte. Dies führte zu der Erkenntnis, dass die Erde selbst im Wesentlichen ein massiver Magnet ist, wobei "magnetischer Norden" und "wahrer Norden" leicht unterschiedlich sind und sich auf der ganzen Welt in unterschiedlichen Mengen unterscheiden. (Dasselbe gilt für den wahren und magnetischen Süden.)

Eine begrenzte Anzahl von Materialien, darunter Eisen, Kobalt, Nickel und Gadolinium, zeigen von sich aus starke magnetische Wirkungen. Alle Magnetfelder resultieren aus sich relativ zueinander bewegenden elektrischen Ladungen. Die Induktion von Magnetismus in einem Elektromagneten durch Platzierung in der Nähe einer Spule aus stromdurchflossenem Draht wurde erwähnt, aber selbst Ferromagnete besitzen Magnetismus nur aufgrund winziger Ströme, die an der atomaren Niveau.

Wenn ein Permanentmagnet in die Nähe eines ferromagnetischen Materials gebracht wird, können die Bestandteile einzelner Atome von Eisen, Kobalt oder was auch immer das Material sein richten sich nach den imaginären Einflusslinien des Magneten aus, die sich von seinem Nord- und Südpol auffächern, den sogenannten magnetischen Feld. Wird die Substanz erhitzt und abgekühlt, kann die Magnetisierung permanent gemacht werden, sie kann aber auch spontan auftreten; diese Magnetisierung kann durch extreme Hitze oder physikalische Störungen umgekehrt werden.

Es existiert kein magnetischer Monopol; das heißt, es gibt keinen "Punktmagneten", wie es bei elektrischen Punktladungen der Fall ist. Stattdessen haben Magnete magnetische Dipole, und ihre magnetischen Feldlinien beginnen am magnetischen Nordpol und fächern sich nach außen auf, bevor sie zum Südpol zurückkehren. Denken Sie daran, diese "Linien" sind nur Werkzeuge, um das Verhalten von Atomen und Teilchen zu beschreiben!

Wie zuvor betont, werden Magnetfelder durch Ströme erzeugt. In Permanentmagneten werden winzige Ströme durch die zwei Bewegungsarten der Elektronen in diesen Magnetatomen erzeugt: Ihre Umlaufbahn um das zentrale Proton des Atoms und ihre Rotation, oder rotieren.

In den meisten Materialien sind die kleinen magnetische Momente die durch die Bewegung der einzelnen Elektronen eines Atoms entstehen, heben sich gegenseitig auf. Wenn dies nicht der Fall ist, wirkt das Atom selbst wie ein winziger Magnet. In ferromagnetischen Materialien heben sich die magnetischen Momente nicht nur nicht auf, sondern richten sich auch im in die gleiche Richtung und so verschieben, dass sie in die gleiche Richtung wie die Linien eines angelegten externen Magneten ausgerichtet sind Feld.

Einige Materialien haben Atome, die sich so verhalten, dass sie durch ein angelegtes Magnetfeld unterschiedlich stark magnetisiert werden können. (Denken Sie daran, dass Sie nicht immer einen Magneten benötigen, damit ein Magnetfeld vorhanden ist; ein ausreichender elektrischer Strom reicht aus.) Wie Sie sehen werden, wollen einige dieser Materialien keinen dauerhaften Teil des Magnetismus, während andere sich wehmütiger verhalten.

Eine Liste magnetischer Materialien, die nur die Namen von Metallen enthält, die Magnetismus aufweisen, wäre bei weitem nicht so nützlich wie eine Liste magnetischer Materialien, geordnet nach dem Verhalten ihrer Magnetfelder und wie die Dinge im mikroskopischen Bereich funktionieren Niveau. Ein solches Klassifikationssystem existiert, und es unterteilt das magnetische Verhalten in fünf Typen.

• Diamagnetismus: Die meisten Materialien weisen diese Eigenschaft auf, bei der sich die magnetischen Momente von Atomen, die sich in einem externen Magnetfeld befinden, in eine Richtung entgegengesetzt zum angelegten Feld ausrichten. Dementsprechend wirkt das resultierende Magnetfeld dem angelegten Feld entgegen. Dieses "reaktive" Feld ist jedoch sehr schwach. Da Materialien mit dieser Eigenschaft nicht im sinnvollen Sinne magnetisch sind, ist die Stärke des Magnetismus nicht temperaturabhängig.
  
• Paramagnetismus: Materialien mit dieser Eigenschaft, wie beispielsweise Aluminium, haben einzelne Atome mit positiven Nettodipolmomenten. Die Dipolmomente benachbarter Atome heben sich jedoch normalerweise gegenseitig auf, sodass das Material als Ganzes unmagnetisiert bleibt. Wenn ein Magnetfeld angelegt wird, anstatt dem Feld direkt entgegenzuwirken, werden die magnetischen Dipole von die Atome richten sich unvollständig auf das angelegte Feld aus, was zu einer schwach magnetisierten Material.
  
• Ferromagnetismus: Materialien wie Eisen, Nickel und Magnetit (Magnetstein) haben diese starke Eigenschaft. Wie bereits erwähnt, richten sich die Dipolmomente benachbarter Atome auch ohne Magnetfeld aus. Ihre Wechselwirkungen können zu einem Magnetfeld mit einer Stärke von bis zu 1.000 führen tesla, oder T (die SI-Einheit der magnetischen Feldstärke; keine Kraft, sondern so etwas). Im Vergleich dazu ist das Magnetfeld der Erde selbst 100 Millionen Mal schwächer!
  
• Ferrimagnetismus: Beachten Sie den Unterschied eines einzelnen Vokals zur vorherigen Materialklasse. Diese Materialien sind normalerweise Oxide, und ihre einzigartigen magnetischen Wechselwirkungen rühren von der Tatsache her, dass die Atome in diesen Oxiden in einer Kristallgitterstruktur angeordnet sind. Das Verhalten von ferrimagnetischen Materialien ist dem von ferromagnetischen Materialien sehr ähnlich, aber die Anordnung der Magnetelemente im Weltraum sind unterschiedlich, was zu unterschiedlichen Temperaturempfindlichkeiten und anderen führt Unterscheidungen.
  
• Antiferromagnetismus: Diese Materialklasse zeichnet sich durch eine besondere Temperaturempfindlichkeit aus. Oberhalb einer bestimmten Temperatur, genannt Nadeltemperatur oder T_Nein, verhält sich das Material ähnlich wie ein paramagnetisches Material. Ein Beispiel für ein solches Material ist Hämatit. Diese Materialien sind auch Kristalle, aber wie der Name schon sagt, sind die Gitter so organisiert the dass sich die magnetischen Dipolwechselwirkungen vollständig aufheben, wenn kein externes Magnetfeld vorhanden ist vorhanden.