Was ist Magnetismus? Fakten über Magnetfelder und Magnetkraft
Magnetismus ist eine Naturkraft, die durch die Bewegung elektrischer Ladungen entsteht. Manchmal sind diese Bewegungen mikroskopisch und befinden sich in einem Material, das als Magnete bekannt ist. Magnete oder die durch Bewegung elektrischer Ladungen erzeugten Magnetfelder können andere Magnete anziehen oder abstoßen und die Bewegung anderer geladener Teilchen verändern.
Laut der Georgia State University übt ein Magnetfeld eine Kraft auf Teilchen aus, die als Lorentz-Kraft bekannt ist HyperPhysics-Website. Die Kraft, die auf ein elektrisch geladenes Teilchen in einem Magnetfeld wirkt, hängt von der Größe der Ladung, der Geschwindigkeit des Teilchens und der Stärke des Magnetfelds ab. Die Lorentzkraft hat die besondere Eigenschaft, dass sie Teilchen dazu bringt, sich rechtwinklig zu ihrer ursprünglichen Bewegung zu bewegen.
Einige Materialien wie Eisen sind als Permanentmagnete bekannt, was bedeutet, dass sie ein permanentes Magnetfeld aufrechterhalten können. Dies sind die häufigsten Formen von Magneten, denen man im Alltag begegnet. Anderen Materialien, wie Eisen, Kobalt und Nickel, kann ein temporäres Magnetfeld gegeben werden, indem sie in ein größeres, starkes Feld gebracht werden, aber schließlich verlieren diese Materialien ihren Magnetismus.
Wie Magnetismus funktioniert
Magnetfelder werden laut HyperPhysics durch die Bewegung elektrischer Ladungen erzeugt. Elektronen haben alle eine grundlegende quantenmechanische Eigenschaft des Drehimpulses, bekannt als „Spin“. Innerhalb von Atomen neigen die meisten Elektronen dazu, Paare zu bilden, bei denen eines von ihnen „spin up“ und das andere „spin down“ ist, oder mit anderen Worten, ihre Drehimpulse zeigen in entgegengesetzte Richtungen. In diesem Fall zeigen die von diesen Spins erzeugten Magnetfelder in entgegengesetzte Richtungen, sodass sie sich gegenseitig aufheben. Einige Atome enthalten jedoch ein oder mehrere ungepaarte Elektronen, und diese ungepaarten Elektronen erzeugen ein winziges Magnetfeld. Die Richtung ihres Spins bestimmt die Richtung des Magnetfelds, nach der Ressourcenzentrum für zerstörungsfreie Prüfungen (NDT).. Wenn eine beträchtliche Mehrheit der ungepaarten Elektronen mit ihren Spins in die gleiche Richtung ausgerichtet ist, verbinden sie sich zu einem Magnetfeld, das stark genug ist, um auf makroskopischer Ebene beobachtet zu werden.
Magnetfeldquellen sind dipolar, das heißt, sie haben einen Nord- und einen Südpol. Gegensätzliche Pole (N und S) ziehen sich an, und gleiche Pole (N und N oder S und S) stoßen sich ab, so Joseph Becker von Staatliche Universität von San José. Dadurch entsteht ein ringförmiges oder ringförmiges Feld, da sich die Richtung des Feldes vom Nordpol nach außen ausbreitet und durch den Südpol eintritt.
Die Erde selbst ist ein riesiger Magnet. Der Planet bezieht sein Magnetfeld aus dem zirkulierenden elektrischen Strom innerhalb des geschmolzenen Metallkerns NASA. Ein Kompass zeigt nach Norden, weil die darin enthaltene kleine Magnetnadel so aufgehängt ist, dass sie sich in ihrem Gehäuse frei drehen kann, um sich auf das Magnetfeld der Erde auszurichten. Paradoxerweise ist das, was wir den magnetischen Nordpol nennen, eigentlich ein magnetischer Südpol, weil er die magnetischen Nordpole der Kompassnadeln anzieht.
Geschichte des Magnetismus
Wenn die Ausrichtung ungepaarter Elektronen ohne das Anlegen eines externen Magnetfelds oder elektrischen Stroms bestehen bleibt, entsteht ein Permanentmagnet. Permanentmagnete sind das Ergebnis von Ferromagnetismus. Die Vorsilbe „Ferro“ bezieht sich auf Eisen, weil Permanentmagnetismus zuerst in einer Form von natürlichem Eisenerz namens Magnetit, Fe3O4, beobachtet wurde. Magnetitstücke können verstreut auf oder nahe der Erdoberfläche gefunden werden, und gelegentlich wird eines magnetisiert. Diese natürlich vorkommenden Magnete werden Magnetsteine genannt. Während Wissenschaftler nicht genau wissen, wie sich Magnetsteine bilden, „glauben die meisten Wissenschaftler, dass Magnetit Magnetit ist, der vom Blitz getroffen wurde“, so die Universität von Arizona.
Die Menschen lernten bald, dass sie eine Eisennadel magnetisieren konnten, indem sie sie mit einem Magneten streichelten, wodurch ein Großteil der ungepaarten Elektronen in der Nadel in eine Richtung ausgerichtet wurde. Gemäß NASA, um 1000 n. Chr. entdeckten die Chinesen, dass ein in einer Wasserschale schwimmender Magnet sich immer in Nord-Süd-Richtung ausrichtete. Danach wurde der Magnetkompass zu einer enormen Navigationshilfe, besonders tagsüber und in Nächten, wenn die Sterne von Wolken verdeckt wurden.
Neben Eisen können auch andere Metalle ferromagnetische Eigenschaften haben. Dazu gehören Nickel, Kobalt und einige Seltenerdmetalle wie Samarium oder Neodym, aus denen superstarke Permanentmagnete hergestellt werden.
Andere Formen des Magnetismus
Magnetismus nimmt viele andere Formen an, aber mit Ausnahme von Ferromagnetismus sind sie normalerweise zu schwach, um beobachtet zu werden, außer durch empfindliche Laborinstrumente oder bei sehr niedrigen Temperaturen. Anton Brugnams zuerst entdeckt Diamagnetismus 1778 bei der Suche nach eisenhaltigen Materialien mit Permanentmagneten. Laut Gerald Küstler, einem viel publizierten unabhängigen deutschen Forscher und Erfinder, in seinem Aufsatz: „Diamagnetische Levitation – Historische Meilensteine“ Brugnams, der im Romanian Journal of Technical Sciences veröffentlicht wurde, bemerkte: „Nur das dunkle und fast violett gefärbte Wismut zeigte in der Studie ein besonderes Phänomen; denn als ich ein Stück davon auf ein rundes Blatt Papier legte, das auf Wasser schwamm, war es so von beiden Polen des Magneten abgestoßen.“
Diamagnetismus wird durch die Orbitalbewegung von Elektronen in Atomen verursacht, die winzige Stromschleifen erzeugen, die schwache Magnetfelder erzeugen. nach HyperPhysics. Wenn ein externes Magnetfeld an ein Material angelegt wird, neigen diese Stromschleifen dazu, sich so auszurichten, dass sie dem angelegten Feld entgegenwirken. Dadurch werden alle Materialien von einem Permanentmagneten abgestoßen; Die resultierende Kraft ist jedoch normalerweise zu schwach, um wahrnehmbar zu sein. Es gibt jedoch einige bemerkenswerte Ausnahmen.
Pyrolytischer Kohlenstoff, eine graphitähnliche Substanz, zeigt einen noch stärkeren Diamagnetismus als Wismut, wenn auch nur entlang einer Achse, und kann tatsächlich über einem superstarken Seltenerdmagneten schweben. Bestimmte supraleitende Materialien zeigen unterhalb ihrer kritischen Temperatur (der Temperatur, bei der sie supraleitend werden) einen noch stärkeren Diamagnetismus, sodass Seltenerdmagnete über ihnen schweben können. (Theoretisch kann man aufgrund ihrer gegenseitigen Abstoßung über dem anderen schweben.)
Paramagnetismus tritt auf, wenn ein Material vorübergehend magnetisch wird, wenn es einem Magnetfeld ausgesetzt wird, und in seinen nichtmagnetischen Zustand zurückkehrt, sobald das äußere Feld entfernt wird. Wenn ein Magnetfeld angelegt wird, richten sich einige der ungepaarten Elektronenspins mit dem Feld aus und überwältigen die entgegengesetzte Kraft, die durch Diamagnetismus erzeugt wird. Der Effekt sei jedoch nur bei sehr niedrigen Temperaturen bemerkbar, sagte Daniel Marsh, Professor für Physik an der Missouri Southern State University.
Andere, komplexere Formen sind der Antiferromagnetismus, bei dem sich die Magnetfelder von Atomen oder Molekülen nebeneinander ausrichten; und Spin-Glas-Verhalten, das sowohl ferromagnetische als auch antiferromagnetische Wechselwirkungen beinhaltet. Zusätzlich, Ferrimagnetismus kann als eine Kombination aus Ferromagnetismus und gedacht werden Antiferromagnetismus aufgrund vieler Ähnlichkeiten zwischen ihnen, aber es hat immer noch seine eigene Einzigartigkeit, so die University of California, Davis.
Elektrizität und Magnetismus
Wenn ein leitender Draht in einem Magnetfeld bewegt wird, induziert das Feld einen Strom im Draht. Umgekehrt wird ein Magnetfeld durch eine elektrische Ladung in Bewegung erzeugt, z. B. wenn ein Draht einen Strom führt. Alle elektrischen Leitungen in Ihrem Haushalt erzeugen also winzige Magnetfelder. Diese Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus wird beschrieben durch Faradaysches Induktionsgesetz, die die Grundlage für Elektromagnete, Elektromotoren und Generatoren bildet. Eine Ladung, die sich wie durch einen geraden Draht in einer geraden Linie bewegt, erzeugt ein Magnetfeld, das sich spiralförmig um den Draht windet. Wenn dieser Draht zu einer Schleife geformt wird, wird das Feld zu einer Ringform oder einem Torus.
Gleichstrom kann auch ein konstantes Feld in einer Richtung erzeugen, das mit dem Strom ein- und ausgeschaltet werden kann. Dieses Feld kann dann einen beweglichen Eisenhebel auslenken und ein hörbares Klicken verursachen. Dies ist die Grundlage für den Telegrafen, der in den 1830er Jahren erfunden wurde Samuel FB Morsedie eine Fernkommunikation über Kabel mit einem Binärcode ermöglichte, der auf langen und kurzen Impulsen basiert, gemäß dem Kongressbibliothek. Erfahrene Bediener sendeten die Impulse, indem sie den Strom mit einem federbelasteten Momentkontaktschalter oder Schlüssel schnell ein- und ausschalteten. Ein anderer Bediener auf der Empfängerseite würde dann die hörbaren Klicks wieder in Buchstaben und Wörter übersetzen.
Eine Spule um einen Magneten kann auch dazu gebracht werden, sich in einem Muster unterschiedlicher Frequenz und Amplitude zu bewegen, um einen Strom in einer Spule zu induzieren. Dies ist die Grundlage für eine Reihe von Geräten, insbesondere für die Mikrofon. Schall bewirkt, dass sich eine Membran mit den unterschiedlichen Druckwellen ein- und ausbewegt. Wenn die Membran mit einer beweglichen Magnetspule um einen Magnetkern verbunden ist, erzeugt sie einen variierenden Strom, der analog zu den einfallenden Schallwellen ist. Dieses elektrische Signal kann dann beliebig verstärkt, aufgezeichnet oder übertragen werden. Winzige, superstarke Magnete aus seltenen Erden werden verwendet, um miniaturisierte Mikrofone für Mobiltelefone herzustellen, sagte Marsh gegenüber WordsSideKick.com.
Wenn dieses modulierte elektrische Signal an eine Spule angelegt wird, erzeugt es ein oszillierendes Magnetfeld, das bewirkt, dass sich die Spule in demselben Muster über einen Magnetkern hinein und heraus bewegt. Die Spule wird dann an einem beweglichen Lautsprecherkegel befestigt, damit sie hörbare Schallwellen in der Luft reproduzieren kann. Die erste praktische Anwendung für das Mikrofon und den Lautsprecher war das Telefon, das 1876 von Alexander Graham Bell patentiert wurde Smithsonian Institution. Obwohl diese Technologie verbessert und verfeinert wurde, ist sie immer noch die Grundlage für die Aufzeichnung und Wiedergabe von Ton.
Die Anwendungen von Elektromagneten sind nahezu zahllos. Das Faradaysche Induktionsgesetz bildet die Grundlage für viele Aspekte unserer modernen Gesellschaft, darunter nicht nur Elektromotoren und Generatoren, sondern auch Elektromagnete aller Größen. Das gleiche Prinzip, das von a verwendet wird riesiger Kran zum Anheben von Schrottautos auf einem Schrottplatz wird auch verwendet, um mikroskopisch kleine Magnetpartikel auf einer Computerfestplatte auszurichten, um Binärdaten zu speichern, und jeden Tag werden neue Anwendungen entwickelt.
Die Mitarbeiterin Tanya Lewis hat zu diesem Bericht beigetragen.
Zusätzliche Ressourcen
Literaturverzeichnis
NASA, „Magnetosphäre der Erde“, https://www.nasa.gov/magnetosphere
„Magnetismus.“ Wissenschaft entdecken. Gale Research, 1996. Reproduziert in der Discovering Collection. Farmington Hills, Michigan: Gale Group. Dezember 2000. http://galenet.galegroup.com/servlet/DC/
Griffiths, David J. (1998). Einführung in die Elektrodynamik (3. Aufl.). Lehrlingshalle. ISBN 978-0-13-805326-0. OCLC 40251748.