Magnetismus und Materie

Magnetismus und Materie

Magnetismus…
…Teilgebiet des Elektromagnetismus  Grundkraft der Physik
…Vermittlung der Kraft über das Magnetfeld

Magnetisierung
Jede Materie erfährt eine Magnetisierung M wenn sie in ein äußeres Magnetfeld eingebracht
wird.
Diese Magnetisierung kommt durch Wechselwirkung des äußeren Magnetfeldes mit den
magnetischen Momenten der Materie zustande.
Jede Materie besitzt ein magnetisches Moment

Das magnetische Moment
Das magnetische Moment eines Atoms setzt sich aus dem Beitrag der Elektronenhülle
(Bahndrehimpuls der Elektronen und Elektronenspin  Spin-Bahn-Koppelung) und dem
Kernmoment (Kernspin) zusammen.
Jedes Atom besitzt ein magnetisches Moment, es kann aber sein, dass die Summe der einzelnen
Beträge Null ist. Zum Beispiel bei Atomen, die nur voll besetzte Orbitale besitzen. Diese haben dann
kein permanentes Hüllenmoment.

Die magnetische Suszeptibilität
Die magnetische Suszeptibilität ist die wichtigste magnetische Kenngröße. Sie ist ein Maß für die
Magnetisierung der Materie. Mittels der magnetischen Suszeptibilität lassen sich die drei Hauptarten
von Magnetismus in Materie unterscheiden: Diamagnetismus, Paramagnetismus und
Ferromagnetismus.

Diamagnetismus
-Keine permanenten magnetischen Momente
-Führt zu Abschwächung des äußeren Magnetfeldes
-Schwacher Effekt
-Beispiele für Diamagnetische Stoffe: Ag, Au, Cu, Wasser,…

Paramagnetismus
-Permanente magnetische Momente
-Leichte Verstärkung des äußeren Magnetfeldes
-Beispiele für paramagnetische Stoffe: LI, Na, K, Aktinide, Seltenerden,…

Ferromagnetismus
-Permanente magnetische Dipolmomente, die miteinander wechselwirken
-die einzelnen permanenten magnetischen Dipole können sich spontan in dieselbe Richtung
ausrichten  summieren sich und es bilden sich Rgionen mit größeren magnetischen
Gesamtmomenten: Weiss‘sche Bezirke diese sind durch Blochwände voneinander getrennt.

Magnetisierung eines ferromagnetischen Stoffes
Wird ein unmagnetisierter ferromagnetischer Stoff mittels eines äußeren Magnetfeldes magnetisiert,
so werden die Ausrichtungen der magnetischen Momente der Weiß'schen Bezirke beeinflusst und
verändert. Die Blochwände verschieben sich und es werden jene Weiß'schen Bezirke dadurch
vergrößert, deren magnetisches Moment am ehesten zum äußeren Magnetfeld parallel verläuft.
Abb. 1 veranschaulicht diese Vorgänge:
Abbildung 1: Prozesse bei der Magnetisierung M eines Ferromagneten durch ein äußeres Magnetfeld
Bo.
a)
Ausgangszustand:
Das äußere Magnetfeld Bo = 0. Die Magnetisierung M = 0. Die magnetischen Momente im Material
heben einander auf.
b)
→ c) Wandverschiebungen:
Wird das äußere Magnetfeld Bo angelegt (von S -links unten nach N -rechts oben) und erhöht, so
kommt es zu Blochwand-Verschiebungen. Man unterscheidet: 90°-reversible und 180°-irreversible
Wandverschiebungen(irreversibel bedeutet hier, dass sich diese Wandverschiebungen ohne ein
externes Magnetfeld, welches in die Gegenrichtung ausgerichtet ist, nicht von selber rückgängig
machen können).
d) Drehprozesse bis zur Sättigung:
Sind alle Weiss'schen Bezirke parallel ausgerichtet, so erfolgt die letzte mögliche Ausrichtung parallel
zum äußeren Magnetfeld durch Drehprozesse der magnetischen Momente. Dann ist die
Sättigungsmagnetisierung Ms erreicht. Das resultierende Magnetfeld kann nun nicht mehr verstärkt
werden.
Die Magnetisierung von ferromagnetischer Materie ist also abhängig von Größe und Ausrichtung des
äußeren Magnetfeldes. Es handelt sich hierbei nicht um einen einfachen Zusammenhang: M(B0) ist
keine mathematische Funktion im engeren Sinn. Es ist vielmehr ein Zyklus, der je nachdem, von wo
aus er durchlaufen wird, einen unterschiedlichen Verlauf nimmt. Dieser Zyklus wird Hysteresekurve
oder Hystereseschleife genannt und man kann an ihr wichtige Kenngrößen ferromagnetischer
Werkstoffe ablesen:
Abbildung 2: Hysteresekurve eines Ferromagneten
Geht man von einem unmagnetisierten Zustand aus und erhöht man das äußere Magnetfeld B0 von
0 in positive B0-Werte, so wird die Materie magnetisiert und man durchläuft die beschriebene
Neukurve. Im Material selbst finden dabei jene Prozesse statt, die anhand von Abb. 1 beschrieben
wurden.
Ist der Sättigungspunkt erreicht und man vermindert nun wieder das äußere Magnetfeld B0 bis auf
B0 = 0, so kehren sich alle reversiblen Prozesse um. Die „irreversiblen" jedoch nicht. Sie sind für einen
verbleibenden Restmagnetismus MR (auch Remanenz genannt) verantwortlich. Die Hystereseschleife
durchläuft dabei die oberste Kurve vom Sättigungspunkt im ersten Quadranten bis zum Schnittpunkt
mit der M-Achse.
Wird nun ein äußeres Magnetfeld in Gegenrichtung angelegt und erhöht, so werden die
„irreversiblen" Prozesse der vorhergegangenen Magnetisierung aufgehoben, sobald das dafür
notwendige B0-Feld aufgebaut ist. Der Betrag des entgegengesetzten Magnetfeldes, der für die
Aufhebung der Remanenz notwendig ist, wird BC oder Koerzitivfeld genannt. Wird nun das äußere
Magnetfeld in negative B0-Richtung weiter verstärkt wiederholen sich die Prozesse der
Magnetisierung wie oben beschrieben bis zum entgegengesetzten Sättigungspunkt.
Ist der Sättigungspunkt erreicht und man vermindert nun wieder das äußere Magnetfeld B0 von −BS
→ 0, so kehren sich alle reversiblen Prozesse um. Es bleibt wieder ein Restmagnetismus −MR. Die
Hystereseschleife durchläuft dabei die unterste Kurve vom negativen Sättigungspunkt im dritten
Quadranten bis zum Schnittpunkt mit der M-Achse.
Wird nun ein äußeres Magnetfeld in ursprünglicher Richtung angelegt und erhöht, so werden die
irreversiblen Prozesse der vorhergegangenen Magnetisierung aufgehoben, sobald das B0-Feld den
positiven BC-Wert erreicht. Wird das äußere Magnetfeld in positive B0-Richtung weiter verstärkt
wiederholen sich die Prozesse der Magnetisierung (wie oben beschrieben) bis zum Sättigungspunkt.
Die Hystereseschleife durchläuft dabei die unterste Kurve vom Schnittpunkt mit der B0-Achse (bei
+BC) im ersten Quadranten bis zum positiven Sättigungspunkt.
Bei einem äußeren Magnetfeld B0, das von einem wechselstrombetriebenen Elektromagneten
erzeugt wird wiederholt sich dieser Zyklus in der Wechselstromfrequenz. Im technischen Gebrauch
findet man so eine Situation z.B. in jedem Transformator.

Elektromagnetismus
Die Begründung des Elektromagnetismus (Oersted):
Ursprünglich wurden elektrische und magnetische Erscheinungen als unabhängig voneinander
angesehen. Der Physiker Hans Christian Oersted entdeckte im Jahr 1820 etwas erstaunliches, dass zu
weitreichenden Erkenntnissen führte. Durch das berühmte Oersted´sche Experiment kann mit Hilfe
einer Magnetnadel gezeigt werden, dass ein stromdurchflossener Leiter sich mit einem
magnetischen Feldwirbel umgibt.
Erklärung des Versuchs: Die Feldlinien des Magnetfeldes liegen wie Kreise um den Leiter. Die
Richtung der Feldlinien wird von der Stromrichtung bestimmt und zwar nach der Schraubenregel
oder nach der rechten Hand Regel. Wird die Stromrichtung geändert, richtet sich das Magnetfeld neu
aus. Zeigt der Daumen der rechten Hand in die technische Stromrichtung also von + zu - Pol, so
geben die anderen gekrümmten Finger der rechten Hand die Magnetfeldrichtung an. In der
Abbildung 1 sieht man den Oersted Versuch ohne Stromfluss im Leiter.
Abb. 1: Oersted Versuch
Diese folgenreiche Entdeckung war der Ausgangspunkt für die Vereinheitlichungen der Beschreibung
elektrischer und magnetischer Erscheinungen und Grundlage für die Entwicklung einer einheitlichen
Elektrodynamik. Im Anschluss an das Oersted´sche Experiment wurde auch gezeigt, dass das
Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule weitgehend mit dem Magnetfeld eines stabförmigen
Permanentmagneten übereinstimmt. Diese Ergebnisse weisen auf einen generellen Zusammenhang
magnetischer Felder mit elektrischen Strömen hin.
Bewegte Ladungen (Strom) sind die Ursache des Elektromagnetismus bzw. bewirken ein
elektromagnetisches Feld.
Die Kräfte zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern:
Andre-Marie Ampere griff dieses Thema weiter auf und vermutete dass, wenn ein
stromdurchflossener Leiter eine Kraft auf einen Magneten ausübe, zwei stromdurchflossene Drähte
auch magnetisch wechselwirken sollten. In einer Reihe von mehreren Versuchen zeigte er, dass diese
Wechselwirkung einfach und fundamental war. Er kam zu dem Entschluss, dass sich parallele
(gerade) stromdurchflossene Leiter anziehen und dass sich anti-parallele (gerade)
stromdurchflossene Leiter abstoßen. Die Kraft ist invers proportional zum quadrierten Abstand der
Drähte.
In der Abbildung 2 ist der Fall mit den parallelen geraden stromdurchflossenen Leitern dargestellt.
Grün ist die Lorentz-Kraft auf den Leiter im Magnetfeld des jeweils anderen Leiters eingezeichnet.
Diese Kraft steht senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungsträger und zur magnetischen
Flussdichte.
Abb. 2: Zwei parallele gerade stromdurchflossene Leiter

Das Erdmagnetfeld:
Die Stärke des Erdmagnetfeldes hat im letzten Jahrhundert um ca. 6% abgenommen. Betrug es vor
einigen Tausend Jahren noch die Stärke von 200 µT (Mikro-Tesla), so bietet es heute im Mittel gerade
noch knappe 50 µT auf. Vor 200 Jahren waren es ungefähr 100 µT.
Eine Besonderheit ist, dass der jeweilige geographische Pol konträr zum magnetischen Pol ist, was
eine Folge der immer wiederkehrenden Umpolung des Magnetfeldes ist.
So ist momentan der geographische Nordpol ein magnetischer Südpol und umgekehrt.
Ebenso liegen die geographischen Pole und magnetischen Pole nicht direkt beieinander. Daher weist
der Nordpol einer Kompassnadel nicht exakt in den geografischen Norden. Dieser Winkel zwischen
der Achse der Kompassnadel und der geografischen Nordrichtung wird als Deklinationswinkel oder
Missweisung bezeichnet und beträgt in nördlichen Gebieten 11,5°. Diese Winkeländerung wird durch
die ständige Wanderung der Magnetpole verursacht.
Außerdem ist in der Nähe der magnetischen Pole die Flussdichte, also die Stärke des Magnetfeldes,
höher als im Bereich des Äquators.
Aus dem Feldlinienbild des Dipolfeldes kann man auch ersehen, dass die magnetischen Feldlinien
nicht parallel zur Erdoberfläche verlaufen. Den Winkel zwischen einer zur Erdoberfläche parallelen
Ebene und der Feldlinie bezeichnet man als Inklinationswinkel. Er beträgt in Deutschland ca. 60°
gegen die Horizontale und am Nord- und Südpol etwa 90°.
Inzwischen wissen wir, dass das Magnetfeld der Erde auch ein wichtiger Schlüssel zum Verständnis
des Erdinneren ist. Die magnetischen Feldlinien der Erde sind in Abbildung 3 dargestellt.
Abb.3: Das Erdmagnetfeld
Die Umpolung des Erdmagnetfeldes:
Ein besonderes geophysikalisches Phänomen ist die unwillkürliche Umpolung des Erdmagnetfeldes,
also das völlige vertauschen von Nord- und Südpol. Der Hauptanteil des Erdmagnetfeldes verändert
sich dabei nur sehr langsam (Säkularvariation). Im Laufe der Erdgeschichte fand die Umpolung häufig
statt (ca. alle 0,25 - 0,5 Millionen Jahre) und wird dies voraussichtlich weiter tun. Die
Richtungsänderung verlief dabei meist in einem Zeitraum von 1000 – 10.000 Jahren.
Die Entdeckung der Umpolung geht auf das Ocean Drilling Program zurück, bei dem man parallel zu
den mittelozeanischen Rücken, an denen flüssiges Gesteinsmaterial austritt, mehr oder weniger
breite Streifen entgegengesetzter magnetischer Polarität gefunden hat. Die in den Streifen
konservierten magnetischen Minerale haben sich vor ihrer Erstarrung nach dem jeweils
herrschenden Magnetfeld ausgerichtet und zeigen heute dessen wechselnde Polarität an. Derartige
Umpolungen kündigen sich durch kleinere Änderungen der Magnetfeldeigenschaften an und liegen
somit Störungen im Geodynamo (erzeugt das innere Magnetfeld ausgehend von der Strömung im
äußeren Erdkern) zugrunde. Vor allem dynamische Vorgänge auf der Sonne führen zu großer
magnetischer Unruhe, den so genannten magnetischen Stürmen, die in hohen Breiten als Polarlichter
in Erscheinung treten.
Beobachtungen aus den vergangenen 150 Jahren zeigen, dass die Stärke des Magnetfeldes während
dieser Zeit der Umpolung kontinuierlich abgenommen hat. Satellitenmessungen weisen ebenfalls auf
eine Abschwächung des Erdmagnetfeldes hin, die im Nordatlantik bei etwa 1% pro Jahr liegt. Viele
Wissenschafter sind der Meinung, dass dies ein Anzeichen auf eine Umpolung des Magnetfelds ist.
Weitere Anzeichen sind beispielsweise Stellen in der Kern-Mantel-Zone, wo die Richtung des
Magnetflusses umgekehrt ist als für die jeweilige Hemisphäre üblich. Die größte dieser Regionen
erstreckt sich südlich unter der Südspitze Afrikas nach Westen bis unter die Südspitze Südamerikas
(Südatlantikanomalie). Weitere Flussrichtungswechsel zeichnen sich unter der Ostküste
Nordamerikas und unter der Arktis ab. Diese Bereiche vergrößern sich messbar und bewegen sich
immer weiter polwärts. Mit diesem Phänomen lässt sich die Schwächung und anschließende
Umkehrung des Dipolfeldes erklären. Die Flussumkehr entsteht, wenn sich auf der Kern-MantelGrenze durch Turbulenzen die Konvektionsströme und damit auch die magnetischen Feldlinien, die
im Kern normalerweise horizontal verlaufen, zu vertikalen Schlaufen verbiegen. Tritt eine solche
Schlaufe in einem Punkt aus dem Kern aus und in einem anderen wieder in ihn ein, so erhält man
zwei räumlich nah beieinander liegende Orte mit unterschiedlicher Richtung des magnetischen
Flusses. Diese Anomalien können das Gesamtfeld schwächen, wenn die Region mit dem
umgekehrten Fluss näher am geographischen Pol liegt als die Region mit normalem Fluss, weil das
Dipolfeld besonders empfindlich auf Veränderungen im Polbereich reagiert. Bis zur vollständigen
Polumkehr werden also diese Anomalien immer weiter wachsen.
Folglich führt die beobachtete Abnahme der magnetischen Feldstärke dazu, dass sich die Strahlung
aus dem Weltraum in der näheren Umgebung der Erde erhöht, da sie dem Sonnenwind etwas stärker
ausgesetzt ist. So erleiden bereits heute z. B. hoch fliegende Satelliten in Regionen niedriger
Magnetfeldstärke 90% ihrer Schädigung durch Teilchenstrahlung hoher Energie. Ebenso würde sich
das Krebsrisiko beim Menschen aufgrund des instabilen Magnetfeldes bzw. den erhöhten
Strahlungen drastisch erhöhen. Theorien für eine erneute Umpolung des Magnetfeldes
unterscheiden sich dabei extrem voneinander und zeigen, dass auch das Phänomen der Umpolung
noch nicht völlig erforscht ist. So gehen manche Theorien davon aus, dass eine Umpolung schon
längst fällig wäre oder in den nächsten 700 bis 1000 Jahren oder sogar erst 7000 Jahren stattfinden
würde.
Die Entstehung des Erdmagnetfeldes:
Die Ursachen, die die Entstehung des Erdmagnetfeldes bewirken sind noch nicht ganz geklärt.
Das Magnetfeld der Erde ist auf drei Quellen zurückzuführen:



Das Hauptfeld mit Quelle im äußeren Erdkern (>90%)
Den Krustenmagnetismus: Gesteinsmagnetismus beruht auf magnetischen Mineralien, vor
allem Magnetit (Fe3O4) und äußert sich in lokalen Anomalien.
Ionosphärische und magnetosphärische Stromsysteme: Der Sonnenwind induziert Ströme
in der Ionosphäre und der Magnetosphäre und dies bewirkt die Erzeugung von sich schnell
ändernden Magnetfeldern, also eines äußeren Magnetfeldes. Dieses Magnetfeld
überlagert sich mit dem inneren Magnetfeld der Erde.
Nach der bekanntesten und wahrscheinlichsten Theorie wird das Magnetfeld vom äußeren Erdkern
aus erzeugt. Ausschlaggebend für den Erdmagnetismus ist der aus flüssigem Magma bestehende
äußere Kern der Erdkugel, der ca. 95% des natürlichen Magnetfeldes erzeugt. Dieser Kern aus
heißem Metall beginnt in einer Tiefe von 2900 Kilometern, befindet sich infolge von Auftriebskräften
und der Erddrehung in ständiger Bewegung und besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit.
Durch Temperaturunterschiede zwischen dem heißen Erdkern und der kühleren, ihn umgebenden
Kruste (Erdmantel), entstehen so genannte Konvektionsströmungen.
Da sich der äußere Kern der Erde schneller als ihr Mantel um die Erdkruste dreht (die so genannte
Superrotation), entsteht wie bei einem Generator dauernd elektrischer Strom, der das Magnetfeld
der Erde aufbaut. Gemäß dem dynamoelektrischen Prinzip wird durch die Bewegung der elektrisch
leitfähigen Schmelze in einem schwachen Ausgangsmagnetfeld ein elektrischer Strom induziert, der
seinerseits ein Magnetfeld aufbaut. Es führt zu einer verstärkten Induktion und erzeugt das
Magnetfeld der Erde. Man spricht daher auch vom Geodynamo.
Das Erdmagnetfeld wird also aus der kinetischen Energie des Erdkerns erzeugt. Die Konvektion der
Ströme der Schmelze kann auch als Rotationsbewegung angesehen werden, die das Bestreben hat,
die ursprüngliche Richtung der Rotationsachse, ähnlich einem Foucaultschen Pendel, beizubehalten.
Dieses ist eine alternative Beschreibung für die Ablenkung durch die Corioliskraft (entsteht durch die
Drehbewegung der Erde). Daher liegen die magnetischen Pole etwa in der Nähe der geographischen
Pole.
Möglicherweise tragen aber auch die von Mond und Sonne ausgehenden Gezeitenkräfte zur
Entstehung des Erdmagnetfeldes bei. Durch sie wird die Erde in ihrer Rotation allmählich
abgebremst. Die Gezeitenkräfte wirken dabei auf den Erdmantel stärker als auf den Erdkern, denn
der größere Radius des Erdmantels führt zu einem größeren Unterschied der Anziehung durch den
Mond, da die dem Mond zu- und abgewandten Bereiche des Erdmantels weiter voneinander entfernt
sind als die entsprechenden Bereiche des Erdkerns.
In der Konsequenz bedeutet die stärkere Abbremsung des Erdmantels, dass der Erdkern ein wenig
schneller rotiert als der Erdmantel, was nicht zuletzt durch die Wirkung des äußeren flüssigen
Erdkerns als reibungsarmes Medium ermöglicht wird. Durch die schnellere Rotation des Erdkerns
gegenüber dem Erdmantel wird ein elektrischer Strom induziert, der das Erdmagnetfeld hervorruft.
Das Magnetfeld der Erde bietet, zusammen mit der Atmosphäre, einen effektiven Schutz vor
schädlicher Strahlung aus dem Weltall, die aus elektrisch geladenen Teilchen besteht.
Quellenangabe:
http://www.phynet.de/e-lehre/elektromagnetismus
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0302153.htm
http://www.phy6.org/earthmag/Doersted.htm
http://www.irs.uni-stuttgart.de/skript/satsys/M1c_magnetfeld.pdf
http://www.bodensee-sternwarte.de/grundlagen/das-magnetfeld-der-erde.html
http://www.weltderphysik.de/gebiet/planeten/erde/erdmagnetfeld/
http://www.leifiphysik.de/web_ph07_g8/umwelt_technik/05erdfeld/erdfeld.htm
http://www.wissenswertes.at/index.php?id=erde-magnetfeld
http://schulzeug.at/physik/866-das-erdmagnetfeld