Magnetismus

Magnetismus ist ein physikalisches Phänomen, durch das Gegenstände anziehende oder abstoßende Kräfte auf andere Gegenstände ausüben können. Magnetismus entsteht durch Bewegung von elektrischen Ladungen. Einige bekannte Materialen, die magnetische Eigenschaften zeigen, sind Eisen, einige Stahlsorten und das Mineral Magnetit. Alle Materialien werden von Magnetfeldern beeinflusst, wenngleich der Einfluss manchmal so klein ist, dass er ohne spezielle Messgeräte nicht nachgewiesen werden kann.

Magnetfelder

Magnetische Kräfte werden durch die Bewegung elektrisch geladener Teilchen erzeugt. Die Geschwindigkeit und die Richtung dieser Bewegung bestimmen die Stärke und Richtung der magnetischen Kräfte. Die Entstehung und das Verhalten der Felder, die diesen Kräften zugrunde liegen, werden durch die Maxwellgleichungen beschrieben. Anders als beim elektrischen Feld gibt es beim Magnetfeld keine magnetische Ladung (magnetischer Monopol) als Quellen des Feldes. Das Magnetfeld ist also quellenfrei. Im Gegensatz zu den Feldlinien elektrischer Felder, die an elektrischen Ladungen beginnen und enden können (in der Elektrostatik ist das sogar stets der Fall), sind magnetische Feldlinien also stets geschlossen.

Magnetische Dipole

Wenn sich Ladungsträger auf einer geschlossenen Bahn bewegen, zeigen die Feldlinien des Magnetfeldes im Inneren der Bahn alle in dieselbe Richtunug. Das Ergebnis nennt man magnetischen Dipol. Das Produkt aus Ladungsträgerstrom und von ihm umflossener Fläche nennt man magnetisches Dipolmoment oder kurz magnetisches Moment. Die beiden Pole eines magnetischen Dipols werden auch Nordpol und Südpol genannt. Wenn ein magnetischer Dipol in ein Magnetfeld gebracht wird, strebt er danach, sich zu diesem Feld auszurichten. Dieser Effekt wird zum Beispiel beim magnetischen Kompass ausgenutzt, in dem sich die Kompassnadel, ein magnetischer Dipol, nach dem Erdmagnetfeld ausrichtet.

Magnetismus in Atomen

Der Magnetismus von Atomen wird durch die Elektronen hervorgerufen. Jedes Elektron trägt ein magnetisches Moment aufgrund seines Spins, das so genannte Spinmoment. Zusätzlich kann man die Bahnbewegung eines Elektrons um den Atomkern als Kreisstrom auffassen, durch den ebenfalls ein magnetisches Moment erzeugt wird, das so genannte Bahnmoment. Die Summe der magnetischen Momente der Elektronen einer voll gefüllten (Sub-)Schale ergibt jeweils Null, sodass Atome, die keine teilgefüllten Schalen besitzen kein resultierendes magnetisches Moment aufweisen. Solche Atome nennt man diamagnetisch. Für Atome mit teilgefüllten Schalen ergibt sich entsprechend ein resultierendes magnetisches Gesamtmoment. Stoffe mit dieser Eigenschaft heißen paramagnetisch.

Magnetische Materialien

Obwohl die Atome der meisten chemischen Elemente ein magnetisches Moment besitzen, gibt es nur vergleichsweise wenige magnetische Festkörper. Der Grund dafür ist, dass die Valenzelektronen, die die magnetischen Eigenschaften der Atome bestimmen, nun zur chemischen Bindung beitragen. Hierbei verteilen sich die Elektronen so auf die neuen Bindungszustände, dass sich die Bahnmomente zu Null addieren. Aufgrund der so genannten Austauschwechselwirkung ist es energetisch günstig, wenn sich die Spins der Bindungselektronen parallel ausrichten. Andererseits verbietet das Pauli-Prinzip, dass sich zwei Elektronen mit parallelem Spin im gleichen Zustand aufhalten, sodass einige Elektronen in energetisch ungünstige Zustände ausweichen müssen. Das Ergebnis dieser beiden gegenläufigen Effekte ist, dass sich nur für wenige Stoffe eine parallele Ausrichtung der Elektronenspins der Bindungselektronen als günstig erweist. Da sich die magnetischen Felder bei paralleler Ausrichtung addieren, bei entgegengesetzter Ausrichtung hingegen auslöschen, können nur die Stoffe mit paralleler Ausrichtung permanenten Magnetismus ausbilden. Die bekanntesten Beispiele dafür sind vielleicht die Übergangsmetalle Eisen, Kobalt und Nickel. Solche Stoffe nennt man ferromagnetisch (von lat. ferrum, Eisen).

Praktisches

• Für einen elektrischen Strom, der durch einen Draht fließt, lässt sich die Richtung des Magnetfelds mit Hilfe der "Rechte-Hand-Regel" bestimmen: Wenn die rechte Hand als Anschauungsmodell genommen wird, symbolisiert der Daumen die Richtung des Stromflusses durch den Draht (Richtung des Elektronenflusses) und die übrgen Finger zeigen die Richtung an, in der das Magnetfeld den Draht umgibt.

• Für einen Kreisstrom gilt: wenn die Finger der rechten Hand in Richtung des Elektronenflusses gekrümmt sind, zeigt der Daumen in Richtung des magnetischen Nordpols.