MAGNETISMUS: MAGNETISCHE EIGENSCHAFTEN VON MATERIALIEN, VERWENDUNGEN - KÖRPERLICH - 2025

Der Magnetismus oder die magnetische Energie ist eine kraftassoziierte Naturbewegung, die bei bestimmten Substanzbelastungen elektrische Anziehung oder Abstoßung erzeugen kann. Magnete sind bekannte Magnetismusquellen.

In diesen gibt es Wechselwirkungen, die in das Vorhandensein von Magnetfeldern übersetzt werden, die ihren Einfluss beispielsweise auf kleine Eisen- oder Nickelstücke ausüben.

Die schönen Farben des Nordlichts sind auf kosmische Teilchen zurückzuführen, die Energie abgeben, wenn sie vom Erdmagnetfeld abgelenkt werden. Quelle: Pixabay.

Das Magnetfeld eines Magneten wird sichtbar, wenn er unter ein Papier gelegt wird, auf dem Eisenspäne verteilt sind. Die Ablagen werden sofort entlang der Feldlinien ausgerichtet, wodurch ein zweidimensionales Bild des Feldes entsteht.

Eine andere bekannte Quelle sind Drähte, die elektrischen Strom führen; Im Gegensatz zu Permanentmagneten verschwindet der Magnetismus jedoch, wenn der Strom stoppt.

Immer wenn irgendwo ein Magnetfeld auftritt, musste ein Agent arbeiten. Die in diesen Prozess investierte Energie wird im erzeugten Magnetfeld gespeichert und kann dann als magnetische Energie betrachtet werden.

Die Berechnung, wie viel magnetische Energie im Feld gespeichert ist, hängt vom Feld und der Geometrie des Geräts oder der Region ab, in der es erzeugt wurde.

Induktivitäten oder Spulen sind gute Orte, um dies zu tun. Sie erzeugen magnetische Energie auf die gleiche Weise, wie elektrische Energie zwischen den Platten eines Kondensators gespeichert wird.

Geschichte und Entdeckung

Alte Apps

Die von Plinius erzählten Legenden über das antike Griechenland sprechen vom Hirten Magnes, der vor mehr als 2000 Jahren ein mysteriöses Mineral gefunden hat, das Eisenstücke anziehen kann, aber keine anderen Materialien. Es war Magnetit, ein Eisenoxid mit starken magnetischen Eigenschaften.

Der Grund für die magnetische Anziehung blieb Hunderte von Jahren verborgen. Bestenfalls wurde es übernatürlichen Ereignissen zugeschrieben. Obwohl nicht aus diesem Grund, wurden interessante Anwendungen dafür gefunden, wie zum Beispiel der Kompass.

Der von den Chinesen erfundene Kompass nutzt den Erdmagnetismus, um den Benutzer während der Navigation zu führen.

Erste wissenschaftliche Studien

Die Untersuchung magnetischer Phänomene hatte dank William Gilbert (1544 - 1603) einen großen Fortschritt. Dieser englische Wissenschaftler der elisabethanischen Ära untersuchte das Magnetfeld eines sphärischen Magneten und kam zu dem Schluss, dass die Erde ein eigenes Magnetfeld haben muss.

Durch sein Studium der Magnete stellte er auch fest, dass er keine separaten Magnetpole bekommen konnte. Wenn ein Magnet in zwei Teile geteilt wird, haben die neuen Magnete auch beide Pole.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts erkannten die Wissenschaftler jedoch die Existenz der Beziehung zwischen elektrischem Strom und Magnetismus.

Hans Christian Oersted (1777 - 1851), geboren in Dänemark, hatte 1820 die Idee, einen elektrischen Strom durch einen Leiter zu leiten und die Auswirkungen auf einen Kompass zu beobachten. Der Kompass würde abweichen, und wenn die Strömung aufhörte zu fließen, würde der Kompass wie üblich wieder nach Norden zeigen.

Dieses Phänomen kann überprüft werden, indem der Kompass näher an eines der aus der Autobatterie austretenden Kabel gebracht wird, während der Anlasser betrieben wird.

Zum Zeitpunkt des Schließens des Stromkreises sollte die Nadel eine beobachtbare Auslenkung erfahren, da die Batterien der Autos Ströme liefern können, die hoch genug sind, so dass der Kompass abweicht.

Auf diese Weise wurde klar, dass sich bewegende Ladungen zu Magnetismus führen.

Moderne Untersuchungen

Einige Jahre nach den Oersted-Experimenten markierte der britische Forscher Michael Faraday (1791 - 1867) einen weiteren Meilenstein, indem er entdeckte, dass unterschiedliche Magnetfelder wiederum zu elektrischen Strömen führen.

Beide Phänomene, elektrisch und magnetisch, sind eng miteinander verbunden, wobei jedes zum anderen führt. Sie wurden von Faradays Schüler James Clerk Maxwell (1831 - 1879) in den Gleichungen zusammengeführt, die seinen Namen tragen.

Diese Gleichungen enthalten und fassen die elektromagnetische Theorie zusammen und gelten auch innerhalb der relativistischen Physik.

Magnetische Eigenschaften von Materialien

Warum weisen einige Materialien magnetische Eigenschaften auf oder erhalten leicht Magnetismus? Wir wissen, dass das Magnetfeld auf sich bewegende Ladungen zurückzuführen ist. Daher müssen im Magneten unsichtbare elektrische Ströme vorhanden sein, die zu Magnetismus führen.

Alle Materie enthält Elektronen, die den Atomkern umkreisen. Das Elektron kann mit der Erde verglichen werden, die eine Translationsbewegung um die Sonne und auch eine Rotationsbewegung um ihre eigene Achse hat.

Die klassische Physik schreibt dem Elektron ähnliche Bewegungen zu, obwohl die Analogie nicht ganz genau ist. Der Punkt ist jedoch, dass beide Eigenschaften des Elektrons dazu führen, dass es sich wie eine winzige Schleife verhält, die ein Magnetfeld erzeugt.

Es ist der Spin des Elektrons, der am meisten zum Magnetfeld des Atoms beiträgt. In Atomen mit vielen Elektronen sind sie paarweise und mit entgegengesetzten Spins gruppiert. Somit heben sich ihre Magnetfelder gegenseitig auf. Dies ist bei den meisten Materialien der Fall.

Es gibt jedoch einige Mineralien und Verbindungen, in denen sich ein ungepaartes Elektron befindet. Auf diese Weise ist das Nettomagnetfeld nicht Null. Dies erzeugt ein magnetisches Moment, einen Vektor, dessen Größe das Produkt des Stroms und der Fläche der Schaltung ist.

Benachbarte magnetische Momente interagieren miteinander und bilden Bereiche, die als magnetische Domänen bezeichnet werden und in denen viele Spins in die gleiche Richtung ausgerichtet sind. Das resultierende Magnetfeld ist sehr stark.

Ferromagnetismus, Paramagnetismus und Diamagnetismus

Materialien, die diese Qualität besitzen, werden als ferromagnetisch bezeichnet. Es sind einige: Eisen, Nickel, Kobalt, Gadolinium und einige Legierungen derselben.

Den übrigen Elementen des Periodensystems fehlen diese sehr ausgeprägten magnetischen Effekte. Sie fallen in die Kategorie paramagnetisch oder diamagnetisch.

Tatsächlich ist Diamagnetismus eine Eigenschaft aller Materialien, die in Gegenwart eines externen Magnetfelds eine leichte Abstoßung erfahren. Wismut ist das Element mit dem stärksten Akzentmagnetismus.

Andererseits besteht der Paramagnetismus aus einer weniger intensiven magnetischen Reaktion als der Ferromagnetismus, ist aber gleichermaßen attraktiv. Paramagnetische Substanzen sind beispielsweise Aluminium, Luft und einige Eisenoxide wie Goethit.

Verwendung magnetischer Energie

Magnetismus ist Teil der fundamentalen Kräfte der Natur. Da auch Menschen Teil davon sind, sind sie an die Existenz magnetischer Phänomene sowie an den Rest des Lebens auf dem Planeten angepasst. Beispielsweise nutzen einige Tiere das Erdmagnetfeld, um sich geografisch zu orientieren.

Tatsächlich wird angenommen, dass Vögel ihre langen Wanderungen durchführen, da ihr Gehirn eine Art organischen Kompass besitzt, der es ihnen ermöglicht, das Erdmagnetfeld wahrzunehmen und zu nutzen.

Während den Menschen ein solcher Kompass fehlt, können sie die Umwelt auf viel mehr Arten verändern als der Rest des Tierreichs. So haben Mitglieder unserer Spezies den Magnetismus von dem Moment an zu ihrem Vorteil genutzt, als der erste griechische Hirte den Lodestone entdeckte.

Einige Anwendungen magnetischer Energie

Seitdem gibt es viele Anwendungen des Magnetismus. Hier sind ein paar:

- Der oben genannte Kompass, der das Erdmagnetfeld nutzt, um sich geografisch zu orientieren.

- Alte Bildschirme für Fernseher, Computer und Oszilloskope, basierend auf der Kathodenstrahlröhre, die Spulen verwenden, die Magnetfelder erzeugen. Diese sind dafür verantwortlich, den Elektronenstrahl so abzulenken, dass er auf bestimmte Stellen auf dem Bildschirm trifft und so das Bild erzeugt.

- Massenspektrometer zur Untersuchung verschiedener Arten von Molekülen und mit vielen Anwendungen in der Biochemie, Kriminologie, Anthropologie, Geschichte und anderen Disziplinen. Sie nutzen elektrische und magnetische Felder, um geladene Teilchen in Flugbahnen abzulenken, die von ihrer Geschwindigkeit abhängen.

- Magnetohydrodynamischer Antrieb, bei dem eine Magnetkraft einen Meerwasserstrahl (einen guten Leiter) rückwärts treibt, so dass nach Newtons drittem Gesetz ein Fahrzeug oder Boot einen Vorwärtsimpuls erhält.

- Magnetresonanztomographie, eine nicht-invasive Methode, um Bilder des Inneren des menschlichen Körpers zu erhalten. Grundsätzlich verwendet es ein sehr intensives Magnetfeld und analysiert die Reaktion der in den Geweben vorhandenen Wasserstoffkerne (Protonen), die die oben erwähnte Eigenschaft des Spins aufweisen.

Diese Anwendungen sind bereits etabliert, aber in Zukunft wird angenommen, dass Magnetismus auch Krankheiten wie Brustkrebs durch hyperthermische Techniken bekämpfen kann, die magnetisch induzierte Wärme erzeugen.

Die Idee ist, flüssigen Magnetit direkt in den Tumor zu injizieren. Dank der Wärme, die durch die magnetisch induzierten Ströme erzeugt wird, würden die Eisenpartikel heiß genug werden, um die bösartigen Zellen zu zerstören.

Vorteile und Nachteile

Wenn Sie über die Verwendung einer bestimmten Art von Energie nachdenken, müssen diese in eine bestimmte Art von Bewegung umgewandelt werden, z. B. eine Turbine, einen Aufzug oder ein Fahrzeug. oder dass es in elektrische Energie umgewandelt wird, die ein Gerät einschaltet: Telefone, Fernseher, einen Geldautomaten und dergleichen.

Energie ist eine Größe mit mehreren Erscheinungsformen, die auf viele Arten modifiziert werden können. Kann die Energie eines kleinen Magneten so verstärkt werden, dass er sich kontinuierlich um mehr als ein paar Münzen bewegt?

Um nutzbar zu sein, muss die Energie eine große Reichweite haben und aus einer sehr reichlichen Quelle stammen.

Primäre und sekundäre Energien

Solche Energien kommen in der Natur vor, aus denen die anderen Arten hergestellt werden. Sie sind als Primärenergien bekannt:

- Solarenergie.

- Atomenergie.

- Geothermische Energie.

- Windkraft.

- Biomassenenergie.

- Energie aus fossilen Brennstoffen und Mineralien.

Daraus werden Sekundärenergien wie Strom und Wärme erzeugt. Wo ist hier die magnetische Energie?

Elektrizität und Magnetismus sind keine zwei getrennten Phänomene. Tatsächlich sind beide zusammen als elektromagnetische Phänomene bekannt. Solange einer von ihnen existiert, wird der andere existieren.

Wo elektrische Energie vorhanden ist, gibt es in irgendeiner Form magnetische Energie. Dies ist jedoch eine sekundäre Energie, die die vorherige Umwandlung einiger der primären Energien erfordert.

Eigenschaften von Primär- und Sekundärenergien

Die Vor- oder Nachteile der Verwendung von Energie werden nach vielen Kriterien festgelegt. Dazu gehört, wie einfach und kostengünstig die Herstellung ist und wie stark der Prozess die Umwelt und die Menschen negativ beeinflussen kann.

Es ist wichtig zu beachten, dass sich Energien viele Male umwandeln, bevor sie genutzt werden können.

Wie viele Transformationen müssen stattgefunden haben, um den Magneten herzustellen, der die Einkaufsliste an die Kühlschranktür klebt? Wie viele, um ein Elektroauto zu bauen? Sicher genug.

Und wie sauber ist die magnetische oder elektromagnetische Energie? Es gibt Menschen, die glauben, dass die ständige Exposition gegenüber elektromagnetischen Feldern menschlichen Ursprungs Gesundheits- und Umweltprobleme verursacht.

Derzeit gibt es zahlreiche Forschungslinien, die sich mit der Untersuchung des Einflusses dieser Bereiche auf Gesundheit und Umwelt befassen. Laut renommierten internationalen Organisationen gibt es jedoch bisher keine schlüssigen Beweise dafür, dass sie schädlich sind.

Beispiele für magnetische Energie

Eine Vorrichtung, die zur Aufnahme magnetischer Energie dient, ist als Induktor bekannt. Es ist eine Spule, die durch Wickeln von Kupferdraht mit einer ausreichenden Anzahl von Windungen gebildet wird, und es ist in vielen Schaltkreisen nützlich, den Strom zu begrenzen und zu verhindern, dass er sich abrupt ändert.

Kupferspule. Quelle: Pixabay.

Durch Zirkulieren eines Stroms durch die Windungen einer Spule wird ein Magnetfeld in ihr erzeugt.

Wenn sich der Strom ändert, ändern sich auch die Magnetfeldlinien. Diese Änderungen induzieren einen Strom in den Windungen, die ihnen entgegengesetzt sind, gemäß dem Faraday-Lenz-Induktionsgesetz.

Wenn der Strom plötzlich zunimmt oder abnimmt, ist die Spule ihm entgegengesetzt, daher kann er Schutzwirkungen auf die Schaltung haben.

Die magnetische Energie einer Spule

Magnetische Energie wird in dem Magnetfeld gespeichert, das in dem durch die Windungen der Spule begrenzten Volumen erzeugt wird, das als U _{B bezeichnet wird} und von folgenden Faktoren abhängt:

- Die Intensität des Magnetfeldes B.

- Die Querschnittsfläche der Spule A.

- Die Länge der Spule l.

- Die Durchlässigkeit des Vakuums μ _o.

Es wird wie folgt berechnet:

Diese Gleichung gilt in jedem Raumbereich, in dem ein Magnetfeld vorhanden ist. Wenn das Volumen V dieses Bereichs, seine Permeabilität und die Intensität des Feldes bekannt sind, ist es möglich zu berechnen, wie viel magnetische Energie es besitzt.

Übung gelöst

Das Magnetfeld in einer luftgefüllten Spule mit einem Durchmesser von 2,0 cm und einer Länge von 26 cm beträgt 0,70 T. Wie viel Energie wird in diesem Feld gespeichert?

Lösung

Die numerischen Werte werden in der vorherigen Gleichung ersetzt, wobei darauf geachtet wird, die Werte in Einheiten des internationalen Systems umzurechnen.

1. Giancoli, D. 2006. Physik: Prinzipien mit Anwendungen. Sechste Ausgabe. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Physik 12. Pearson. 135-146.