magnetismi

Magnetoitu neula vedetään teräspalloon.

Magnetismi on fysikaalinen ilmiö, joka muun muassa sen voiman vaikutuksen välillä magneetin magneettisten tai magnetoituvia esineitä ja liikkuva sähkövarausten ilmaistaan. Se voidaan kuvata kentällä ( magneettikenttä ), jonka nämä kohteet synnyttävät toisaalta ja vaikuttavat niihin.

Toisaalta magneettikentät syntyvät jokaisen sähkövarauksen liikkeessä . Tämä on sähkömagneettien ja induktiolain takia myös induktiivisten elektronisten komponenttien perusta . Sen sijaan magneettinen momentti on alkeishiukkasten esiintyy seurauksena niiden spin , joka johtaa kestomagneetit ja muut magneettiset ominaisuudet kiintoaineen, vaan myös nesteitä ja kaasuja.

Magnetismi on sähkömagnetismin haara . Taustalla olevaa perusvoimaa kutsutaan sähkömagneettiseksi vuorovaikutukseksi .

Magneettikentät ja kenttäviivat

Paperin rautaviilat, jotka on kohdistettu alla olevan tangon magneetin kentän mukaan , osoittavat magneettikentän viivojen kulkua. Kirjaimia N ja S käytetään vain selityksiin.
Ihanteellisen sylinterimäisen magneettikentän symmetria-akseli kuvatasossa
Tangon magneetin magneettikenttä

Magnetismin ilmiöiden kuvaamiseksi otettiin käyttöön termi magneettikenttä . Magneettikentät voivat johtua

Magneettikentän viivat kuvaavat magneettikentän tai magneettivuon suuntaa ja suuntausta kentän kaikissa pisteissä . Tämä suunta sen mukaan, miten pohjoisnapa testi magneetti olisi kohdista. Magneettikentän voimakkuus on verrannollinen vääntömomenttiin, jonka tämä testimagneetti kokee, jos se ohjautuu tältä suunnalta tietyllä kulmalla. Kenttäviivojen välinen etäisyys osoittaa magneettikentän voimakkuuden: mitä tiheämmät kenttäviivat, sitä vahvempi kenttä.

Vuonna Toisin kuin sähköstatiikkaan, ei ole maksuja magnetostatiikkaa - totta magneettinen monopoli on ajateltavissa, mutta kaikki kokeellinen tosiasiat puhuvat niiden olemassaolosta. Magneettikenttä ei siis ole lähde . Magneettikentän viivoilla ei siis ole alkua eikä loppua.

Magneettikentän viivojen kulku voidaan tehdä näkyväksi kohdistamalla rautaviilat tai kompassineula ; Kolmiulotteisissa esittelyissä rautaviilat voidaan ripustaa esimerkiksi silikoniöljyyn .

Hall-anturit ovat Hall-efektiin perustuvia elektronisia antureita, jotka voivat mitata magneettikenttien voimaa ja usein myös suuntaa.

Pohjois- ja etelänapa

Muiden voimien puuttuessa maapallon tankomagneetti kohdistaa itsensä siten, että toinen sen päistä osoittaa pohjoiseen, kohti arktista magneettista napaa ja toinen kohti Etelämantereen magneettista napaa. Pohjoiseen päin olevaa päätä kutsutaan magneetin pohjoisnapaksi. Määritelmän mukaan määritettiin, että kenttäviivat poistuvat magneetista magneetin pohjoisnavalla ja menevät sen etelänavaan. Siksi sähkömagneettien tai kestomagneettien kohdalla alueita, joista kenttälinjat muodostuvat, kutsutaan yleensä pohjoisnapaksi ja alueiksi, joihin ne tulevat etelänavanaksi .

Koska magneetin pohjoisnapa vetää puoleensa arktinen magneettinen napa, arktinen magneettinen napa on eteläinen magneettinen napa. Sama pätee päinvastoin magneetin etelänapaan ja Etelämantereen magneettinavaan.

Magneettisen voiman vaikutukset

Magneettinen kenttä kohdistaa ns Lorentzin voima liikkuviin sähkövaraukset . Se on verrannollinen nopeuteen , toimii kohtisuorassa sen kenttäviivat magneettikentän ja kohtisuorassa suunnassa liikkeen maksun. Se on perusta sähkömoottoreille ja generaattoreille sekä liikkuvien varautuneiden hiukkasten taipumiselle (esim. Taipumakäämeillä ). Energiaa ei vaihdeta staattisen magneettikentän kanssa.

Magneettikenttä vaikuttaa myös magneetteihin ja magnetoituviin kappaleisiin ( tiettyjen ei-metallisten kiintoaineiden, ns. Ferriittien ferrimagneettisuus ja metallien, kuten raudan , ferromagneettisuus ). Magnetoitavat materiaalit on valmistettu magneeteista ja venytetyistä näytteistä aina linjassa pitkin kenttää tai niiden kanssa vastakkain, ts. Testimagneetin magneettinen etelänapa on kohdistettu kenttäviivoja pitkin generoivan kentän pohjoisnapaan. Tämä vaikutus on käytetty, esimerkiksi magneettinen kompassi , jossa kompassin neula, magneettisen dipolin, samaan linjaan itselleen maan magneettikentän . Lisäksi epähomogeenisissä kentissä magneettisia kappaleita vedetään kasvavan kentänvoimakkuuden suuntaan, katso kaltevuus , sovellukset ovat sähkömagneetteja ja reluktanssimoottori . Tämä koskee myös magneetteja, jotka voivat kohdistua vapaasti. Sen sijaan vastakkaiseen suuntaan suuntautuneet magneetit hylätään.

Syy näille havainnoille on, että oletetaan alhaisempi energiatila - voimat ja vääntömomentit toimivat aina siten, että kentän kokonaisenergia pienenee, kun kappaleet seuraavat niitä, jolloin sitova energia vapautuu mekaanisena työnä . Sitä vastoin kehoille tehdään työtä, kun niitä siirretään voimia vastaan. Työ alentaa tai lisää pellon energiaa. Jos kelat on mukana, sähköenergiaa voidaan myös lisätä tai poistaa.

Koot ja yksiköt

Hans Christian Ørsted , Henki luonnossa , 1854

Magneettikentän voimakkuus voidaan ilmaista kahdella eri fyysisellä suuruudella, magneettikentän voimakkuudella (yksikkö: A / m, ts. Ampeeri metriä kohti; CGS-yksikköjärjestelmässä vastaavalle yksikölle on nimi Oersted ) ja magneettikentällä vuon tiheys (ns. "Magneettinen induktio") ( Tesla- yksikkö ). Nämä eroavat tyhjössä vain yhdellä vakiotekijällä, magneettikentävakiona :

.

Aineessa, esim. B. on kestomagneetit, suhde on monimutkaisempi: Tässä tapauksessa on jatkuva yli poikittainen aukko , yli pitkittäinen aukko . Magneettikenttäanturin mittaukset poikittais- ja pituussuuntaisessa rakossa voivat osoittautua merkittävästi erilaisiksi. Koko on aina lähdevapaa, kun taas sama koskee ei (katso alla). Vaikka magneettikentän voimakkuus on edullinen laskettaessa sähkövirroilla tai ferromagneettisella tai ferrimagneettisella materiaalilla, magneettivuon tiheyttä käytetään indusoitujen jännitteiden tai Lorentz-voiman laskemiseen. Nämä kaksi kenttämäärää on kytketty toisiinsa elektrodynamiikan materiaalikaavojen kautta , jotka yksinkertaisimmassa tapauksessa voidaan ilmaista tekijän, magneettisen läpäisevyyden, kautta ; yleisessä tapauksessa, jossa vektoriin viitataan materiaalin magnetisaationa, pätee sen sijaan . Vapaus lähteistä ja vapaus pyörteistä - jälkimmäiset vain sähkövirrojen puuttuessa - ilmaistaan ​​matemaattisesti yhtälöillä tai . Tässä ja ovat divergenssin tai pyörimisen eli kentän lähteen tai pyörteen tiheyden differentiaalioperaattorit .

Esimerkkejä magneettikentistä

Galaktien välisen magneettikentän, joka ilmaistaan ​​Tesla (T) -yksikön magneettivuon tiheydeksi, arvioidaan olevan alle 0,1  nT ( 10-10  T), Linnunradan arvion olevan 30 nT. Maan magneettikentän pinnan vahvuus on 40 µT, mikä vastaa 0,4  Gausia Gaussin yksikköjärjestelmässä . Aurinkopisteiden magneettivuon tiheys on alle 1 mT. Saturaatiomagnetisaatio rauta on noin kaksi Tesla.

Neutronitähtien pinnalla , kuten B. pulsareja , toisaalta, on yleensä vuontiheys 10 8  Tesla, jossa magnetars , erityinen neutronitähtiä, jopa 10 11  Tesla.

Tällä hetkellä heikoin magneettikentän maan päällä, 1 nT (2009) löytyy on erityisesti suojattu kuutio rakennuksessa Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Berliini . Kuution tarkoituksena on mitata heikkoja aivoaaltoja ja sydämen signaaleja ihmisissä.

Tällä National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee (Florida) sillä hetkellä vahvin ajallisesti vakio magneettikenttä maan päällä syntyy 45T. Vielä suuremmat magneettikentät voidaan saavuttaa sähkömagneeteilla lyhyillä pulsseilla. Rikkomattoman magneettirakenteen maailmanennätys on tällä hetkellä (2012) National Al Magnet Field Laboratoryn laboratoriossa Los Alamosissa, Yhdysvalloissa, 100,75 T.

Voimakkaalla lasersäteilyllä voidaan tuottaa jopa 34 kiloteslan vuotiheyksiä - mutta vain noin 10  ps .

Suuria magneettikenttiä, esimerkiksi 2800 T, voidaan muodostaa nykyisillä pulsseilla, jos hyväksytään, että kela tuhoutuu prosessissa (tai tuhoaa itsensä). Vuon tiheyden lisäys voidaan saavuttaa kelaa tai kenttää samanaikaisesti puristamalla räjähtävien panosten avulla; katso myös virtauksen puristusgeneraattori .

Magneettinen energia

Jokainen magneettikenttä sisältää energiaa . Energiatiheys missään vaiheessa magneettikentässä vakuumissa saadaan

.

Se on magneettikentän voimakkuuden määrä, magneettivuon tiheyden määrä annetussa pisteessä ja magneettikentän vakio tai tyhjiön läpäisevyys .

Kelan magneettikentän kokonaisenergia, jonka läpi virta kulkee, on

.

Tässä tarkoittaa , että induktanssi kelan ja että nykyinen vahvuus .

Sähkömagneetti

Sähkömagneettisuuden ymmärretään tarkoittavan magnetismin ja puhtaasti sähköisten ilmiöiden välisiä erilaisia ​​suhteita. Sähkövirtojen synnyttämät magneettikentät voidaan tulkita erityisellä suhteellisuusteorialla varausten välisten sähköstaattisten voimien seurauksena. Selitys perustuu siihen tosiasiaan, että sähkövirta edustaa suhteellisen liikkumista vastakkaisesti varautuneita hiukkasia, joiden varaustiheyteen Lorentzin supistuminen vaikuttaa eri tavalla . Varautuneilla alkeishiukkasilla, joilla on oma kulmamomentti (spin) , on myös magneettinen momentti ja ne ovat siksi muun muassa. vastuussa ferromagnetismista . Tämän tulkitsee relativistinen kvanttimekaniikka .

Jopa magneettikentän vaikutuksella liikkuvaan varautuneeseen hiukkaseen on olemassa vaikutus, joka voidaan selittää vain kvanttimekaniikalla (katso Aharonov-Bohmin vaikutus ). Alueellisesti rajoitettu magneettikenttä vaikuttaa varautuneen hiukkasen dynamiikkaan, vaikka se liikkuu vain alueella, jolla on katoava magneettikenttä.

Latauskantajien liikkeet aiheuttavat muutoksia ympäristönsä sähköstaattisissa ja magneettikentissä. Koska nämä muutokset vaikuttavat toisiinsa ja leviävät avaruudessa, puhutaan sähkömagneettisista aalloista . Valo (joko näkyvä tai näkymätön) ja radio ovat tunnetuimpia tämän ilmiön muotoja, mutta tätä sähkömagnetismin muotoa käytetään myös metallien käsittelyssä ( induktiouunit ) ja jopa johtimattomien aineiden ( mikroaaltouunit ) lämmittämiseen .

Katso sähkömagneettisuuden perusteellinen esittely ja luokitus artikkelista Sähkömagneettinen vuorovaikutus .

Suuntasäännöt

Oikeuksiin peukalon sääntöä tai korkkiruuvi sääntö [ I : (tavanomainen tai teollisuus-) virran suunnan; B : magneettikentän suunta]

Siirrettyjen varausten määrä ja merkki sekä niiden nopeuden määrä ja suunta määräävät magneettisten voimien ja magneettikenttien voimakkuuden ja suunnan, joihin ne perustuvat, joiden tarkka mittaus tänään muun muassa. on mahdollista Hall-koettimilla .

Virran suunnan ja magneettisten voimien tai alla olevien magneettikenttien suunnan suhteen suhteen liikkeessä on useita eri nimisiä sääntöjä ja muistiapua, jotka eroavat aluksi sen mukaan, ovatko ne "tavanomaisista" vai " oletetaan virran tekninen "suunta (toisin kuin elektronivirta) tai elektronivirtauksen suunta (puhekielessä myös" fyysinen "virtaussuunta). Jos kyseessä on entinen, puhutaan oikean- tai oikeanpuoleisista säännöistä, muuten vasemman- tai vasemmanpuoleisista säännöistä, joista ensimmäinen on perinteisesti hallitseva.

Seuraava ero on se, käytetäänkö kyseisessä säännössä peukalosta erillään etu- ja keskisormia, jotka on sirotettu suorassa kulmassa edelliseen nähden , vai kuvitellaanko kaikkien sormien paitsi peukalon olevan kiinni nyrkissä .

Kun taas ensin mainittu pannaan tosiasiallisesti tai vasem- käytetyt säännöt - tunnetaan myös kolmen sormen sääntö , UVW sääntö tai IBF tai FBI sääntö - suuntaan Lorentzin voima liikkuvaan varauksen kantaja on (määritelty) esittävät ulkoinen magneettikenttä, mainittujen sääntöjen toiseksi - vasemmalle tai oikealle nyrkki sääntö, sääntö suojarakennuksen, kansanomaisesti kutsutaan myös ruuvi sääntö tai korkkiruuvi sääntö - palvelee ensisijaisesti osoittamaan suuntaan magneettikentän että liikkuva varauksenkuljettajien kautta liikkeen itsensä syntyy, olipa se vapaasti lentävä tai suorassa tai renkaan muotoisessa sähköjohtimessa, esim B. kela.

Esimerkkejä: oikea- käden sääntö tai (oikeakätinen) UVW sääntö

  1. Näyttää harallaan peukalo oikeanpuoleisen on tavanomainen tai virran suunta on virrallinen ( U aKäytä) johtimen ja viistosti suorassa kulmassa peukalo sormi suuntaan ulkoisen magneettikentän ( V määritys), oikealle kulma, joka on jaettu molempiin keskisormiin johtimen (ja hänen itsensä) latauskantajien suuntaan Lorentzin vaikuttava voima ( W MPACT).
  2. Ja päinvastoin: Jos sähköjohdin (mekaanisella sekoituksella U AUSE) kohti oikean käden roiskunutta peukaloa ulkoisessa magneettikentässä ( V- määritys) toisi sen suunnan, joka on sirotettu suorassa kulmassa peukalon etusormeen nähden, johtimessa virtavirta ( W MPACT) indusoituun tekniseen suuntaan , johon peukalo osoittaa ja osoittaa etusormelle pystysuoraan viilun keskisormen.

Esimerkkejä: oikea- nyrkki sääntö tai korkkiruuvi sääntö

  1. Jos virtaa johtavasta johtimesta tartutaan oikealla kädellä siten, että roiskunut peukalo osoittaa tavanomaisen tai teknisen virran suuntaan , kaarevat sormet osoittavat syntyvän magneettikentän suuntaan.
  2. Pyöreälle virralle (esim. Kelan virta) sovelletaan seuraavaa: Jos kelaa pidetään oikeassa kädessä niin, että sormet ovat kaarevat teknisen virran suuntaan , roiskunut peukalo osoittaa magneettisuuntaan Pohjoisnapa.

Ilmiön selitys

Magnetismiin (samanlainen kuin suprajohtavuus ) liittyy erityisiä kvanttimekaanisia vaikutuksia, joita ei ole helppo edustaa.

Menestyksekäs malli kehitettiin jo vuonna 1927 Heitler-Lontoon teorian avulla vetymolekyylien muodostumisesta, vaikka tällä teorialla ei alun perin ollut mitään tekemistä "magnetismin" kanssa. Tämän teorian mukaan syntyy σ- molekyylipyörät , ts. H. Kaksi atomivety toimintoja u i (...) muodostavat kiertoradan σ molekyylipainon tilassa:

Viimeinen tuote on seurausta ensimmäisestä, koska kvanttimekaaninen periaate on identtisten hiukkasten erottamattomuus . Se tarkoittaa: ensimmäinen elektroni  r 1 voi sijaita ei ainoastaan ensimmäisessä atomin ydintä , mutta yhtä hyvin atomivetyä kiertoradan toisen atomin ydintä, kun taas toinen elektroni on ensimmäinen atomin ydintä. Tämä johtaa " vaihto-vuorovaikutukseen ", jolla on perustava rooli magnetismin luomisessa ja joka on vahvempi tekijöillä 100-1000 kuin elektrodynamiikan kuvaamat fenomenologiset termit.

Tapauksessa, että spin-funktion  χ ( s 1 , s 2 ), joka on vastuussa magnetismi, täydentävän käyttäytyminen  sitten soveltaa, koska Pauli periaatteen

d. Tämä tarkoittaa, että u i: n ei tarvitse vain  korvata  α: lla ja  β: lla (ensimmäinen tarkoittaa " spin up ", jälkimmäinen " spin down "), vaan myös + by - ja z. B.  r 1 kahdella erillisellä arvolla  s 1 , nimittäin ± ½. Seuraava pätee:

ja
.

Joten, d. H. miinusmerkin ollessa sisään (1b) tulos on singletin pyörimisfunktio. Tämä tarkoittaa: pyörii ovat rinnakkain ; kiinteille aineille tämä tarkoittaa antiferromagnetismia ja diatomimolekyyleille diamagnetismia .

Taipumus molekyylien kiinnittymistä , mukaan edellä mainitun sijainti-toiminto, joka automaattisesti johtaa jo mainittu Singulettsymmetrie spin tilassa johtuen Pauli periaatetta; kun taas kahden elektronin Coulomb-hylkääminen johtaisi singletin sijaintitoimintaan ja täydentävästi tripletin spin-toimintoon, ts. toisin sanoen "pyöräytykset olisivat nyt rinnakkaisia ".

Jälkimmäinen vaikutus vallitsee raudan , koboltin ja nikkelin kanssa ; nämä metallit ovat ferromagneettisia . Diatomisten molekyylien tapauksessa se on hallitseva myös hapen tapauksessa , joka, toisin kuin muut diatomiset molekyylit, ei ole diamagneettinen vaan paramagneettinen . Ensinnäkin mainittu vaikutus on kuitenkin hallitseva muiden metallien kuten natriumin , kaliumin , magnesiumin tai strontiumin kanssa , jotka eivät ole magneettisia , tai mangaanin kanssa , joka on antiferromagneettista .

Heisenbergin perusmagneettimalli syntyi Heitler-Lontoon mallista yleistymisen kautta (Heisenberg 1928).

Ilmiön selitys perustuu viime kädessä kvanttimekaniikan kaikkiin hienovaraisuuksiin, mukaan lukien sen matemaattinen rakenne , erityisesti siellä kuvattuun spiniin ja Paulin periaatteeseen, kun taas elektrodynamiikka kuvaa pikemminkin fenomenologiaa.

Aineen magneetti

Alkeishiukkasten magneettinen momentti

Kaikilla periaatteessa varautuneilla alkeishiukkasilla on ominainen magneettinen momentti . Se liittyy niiden spin kautta gyromagneettinen suhdetta .

Joidenkin fermionien magneettinen momentti
Alkeishiukkaset kuvaus
elektroni
Muon
protoni
neutroni

Atomien magneettinen hetki

Atomin magneettinen momentti koostuu elektronikuoren (kuorimomentti) ja yleensä paljon heikomman ytimen osuudesta (ydinmomentti).

Orbital hetki, joka liittyy rataimpulssimomentin of elektronien ja spin hetki määräytyy jonka elektronin spin osaltaan kuori hetki. Kaksinkertaisesti miehitetyn atomirataalisen elektronien magneettisten momenttien summa on nolla, joten atomeilla, joilla ei ole puoliksi varattuja orbitaaleja, ei ole pysyvää kuorimomenttia.

Ydinmomentti on hyvin pieni, mutta sitä ei voida vain havaita ( Zeeman-ilmiö , Stern-Gerlach-kokeilu ), vaan sitä voidaan käyttää myös käytännössä (esim. NMR-spektroskopia ( Nuclear Magnetic Resonance ), MR Tomography ).

Kiintoaineiden magnetismi

Kiintoaineiden magneettisuus on yhteistyöilmiö . Makroskooppisen magnetoinnin koostuu panosta yksittäisten rakennuspalikoita ( atomia , ionit , lähes vapaat elektronit ), jotka muodostavat kiinteän aineen . Monilla materiaaleilla yksittäisillä rakennuspalikoilla on jo magneettinen momentti. Jopa niistä materiaaleista, joiden rakennuspalikat kantavat tällaisia ​​magneettimomentteja, vain harvat osoittavat makroskooppisen magnetoinnin. Yleensä eri momentit summaavat yhteen muodostaen kokonaismomentin nollan. Makroskooppinen magnetointi on tulos vain, jos näin ei tapahdu, ts. Jos heidän osuutensa eivät peruuta toisiaan.

Kiinteissä aineissa voi esiintyä viittä magneettityyppiä. Magneettisen ja sähkökentän nimeäminen tapahtuu vastaavasti käyttämällä asianmukaista etuliitettä:

magnetismi Selitys kuva
Diamagnetismi Jos aine viedään magneettikenttään, se aiheuttaa virran atomien elektronikuorissa, jonka magneettikenttä on Lenzin säännön mukaan vastakkainen ulkoiseen. Diamagnetismi johtaa aineen magneettikentän heikkenemiseen. Materiaaleissa, joiden atomeilla, ioneilla tai molekyyleillä ei ole parittomia elektroneja, diamagnetismi on ainoa magnetismin muoto.
Paramagnetismi Jos materiaalin atomilla, ioneilla tai molekyyleillä on magneettinen momentti, ne kohdistuvat yhdensuuntaisesti ulkoisen magneettikentän kanssa. Tämä aiheuttaa materiaalin magneettikentän vahvistumisen. Ihanteellisen paramagneetin tapauksessa yksittäiset magneettimomentit eristetään toisistaan. Siksi ulkoisen magneettikentän poistamisen jälkeen sisäinen magneettikenttä romahtaa hiukkasten lämpöliikkeen vuoksi. Vastaavasti paramagnetismi vähenee lämpötilan noustessa. Paramagnetismi kentän kanssa ja ilman kenttää. Svg
Ferromagneetti Ferromagnetismissa yksittäisten hiukkasten magneettimomentit eivät ole toisistaan ​​riippumattomia, vaan kohdistuvat spontaanisti rinnakkain. Magneettisten momenttien kytkentä ei ulotu koko materiaaliin, vaan rajoittuu pieniin alueisiin, Weissin alueisiin. Tyypilliset pituusasteet ovat kymmenestä nanometristä muutamaan mikrometriin. Weiss-alueiden kohdistus jakautuu tilastollisesti siten, että koko keho ei näytä olevan magneettinen. Piirit voidaan kohdistaa samalla tavalla ulkoisella magneettikentällä. Tämä korjaus säilyy myös ulkoisen kentän poistamisen jälkeen, jolloin saadaan pysyvä magnetointi. Magnetisaatio voidaan tuhota kuumentamalla ferromagneettisen Curie-lämpötilan yläpuolelle . Ferromagneettinen tilauskuvitus.svg
Ferrimagneetti Myös ferrimagnetismissa yksittäisten hiukkasten magneettimomentit eivät ole toisistaan ​​riippumattomia. Mutta magneettikeskuksia on kahdenlaisia. Samankaltaisten keskusten pyörimismomentit ovat kohdakkain yhdensuuntaiset ja eri keskusten pyörimishetket rinnakkain. Tämä johtaa magneettisten momenttien osittaiseen sukupuuttoon. Loput käyttäytymisestä muistuttavat ferromagneetteja. Ferrimagneettinen tilauskuvitus.svg
Antiferromagnetismi Jopa antiferromagnetismin yhteydessä yksittäisten hiukkasten magneettimomentit eivät ole toisistaan ​​riippumattomia, vaan ne kohdistuvat itsestään spontaanisti rinnakkain. Siksi ihanteellinen antiferromagneetti ei osoita magneettista käyttäytymistä ulkopuolelle. Lämpötilan noustessa lämpöliike häiritsee järjestelyä, niin että antiferromagneetti käyttäytyy yhä useammin kuin ferrimagneetti. Kun antifromagneetti lämmitetään Néelin lämpötilan yläpuolelle , se käyttäytyy vain paramagneettisesti (vertaa Curie-lämpötilaa ferromagneeteille). Antiferromagneettinen materiaali. Png

Lisäksi on olemassa magneettisuuden muotoja, joille on tunnusomaista viiden tyyppisen magneettisuuden ei-magneettinen tai epälineaarinen käyttäytyminen:

Metamagnetismi
Metamagneettisilla materiaaleilla (esim. Rauta (II) kloridilla ) on häviävän pieniä magnetointeja, joilla on hyvin pienet ulkoiset magneettikentät (antiferromagneettiset). Kentän voimakkuuden kasvaessa magnetoituminen kasvaa suhteettoman voimakkaasti ja tasaisesti ja lähestyy kyllästysarvoa. Tätä käyttäytymistä voidaan kuvata siten, että kide käyttäytyy antiferromagneettisesti pienillä kentillä ja ferromagneettisesti voimakkailla kentillä.

"Amagnetismi"

Kanssa Amagnetismus, ei-magneettinen, ei-magneettinen tai ei-magneettinen tarkoitetaan "ei ferromagneettinen" yleensä, esimerkiksi ominaisuus austeniittinen teräs, toisin kuin tavanomaisessa terästä . Ei ole aineita, joihin magneettikentällä ei ole mitään vaikutusta. Erittäin korkeiden magneettikentän voimakkuuksien tapauksessa jopa "amagneettisilla" materiaaleilla voi olla vetovoimaa tai vähemmässä määrin hylkimisvaikutuksia, vaikkakin paljon heikompia kuin ferromagneettisilla materiaaleilla. Termiä amagneettinen ei käytetä yhtenäisesti.

Kiintoaineen magneettisuuden mittausmenetelmät

Erilaisia ​​makroskooppisia sekä atomi-mikroskooppisia menetelmiä käytetään tutkimaan erityyppisiä magneetteja ja niiden lämpötilariippuvuutta. Yksi herkimmistä makroskooppisista menetelmistä perustuu Josephson-ilmiöön ja sitä käytetään SQUID: ssä , joka materiaalitutkimuksessa yhdistetään yleensä säänneltyyn kryostaattiin . Hall on myös makroskooppinen menetelmää ja käytetään myös monia yksinkertaisia teknisiä sovelluksia, esim. B. auton moottorissa .

On atomitasolla, atomiytimet käytetään käyttäen hyperfine vuorovaikutus koon mittaamiseksi magneettikentän kanssa atomien ytimet kidehilassa paikassa kunkin ytimen. Tunnettuja menetelmiä ovat Mössbauer-spektroskopia , häiriintynyt gamma-gamma-kulmakorrelaatio ja NMR .

Magnetismi biologiassa

Koska jokainen hermotoiminta koostuu myös sähkövirroista, hermokudoksemme ja erityisesti aivomme tuottavat jatkuvasti magneettikenttiä, jotka voidaan vastaanottaa herkillä ilmaisimilla.

Vaihtelevat magneettikentät voivat laukaista sähkövirrat kudoksessa induktion kautta ja siten vaikuttaa (heikosti) hermostoon. Motorisen aivokuoren voidaan stimuloidaan avulla transkraniaalista magneettista stimulointia (TMS) on niin, että tahattomat lihaskouristukset esiintyä. Myös lihasten hermoja voidaan stimuloida tällä tavalla.

Niin kutsuttuja magnetofosfeeneja (optisia aistihavaintoja) esiintyy vastaavasti voimakkaissa kentissä (esimerkiksi magneettiresonanssitomografissa ) . Lisäksi on jo pitkään tiedetty, että vuorottelevat magneettikentät voivat vaikuttaa hormonien ( esim. Melatoniinin ) eritykseen . Pitkäaikaisia ​​seurauksia ihmisille ei kuitenkaan voitu havaita.

Monilla linnuilla, merikilpikonnilla ja kauaskantoisilla kaloilla on magneettinen aisti ja ne voivat orientoitua maan magneettikentän avulla .

Lääkäri Franz Anton Mesmer kehitti teorian, jonka Ranskan tiedeakatemia testasi ja hylkäsi vuonna 1784 , jonka mukaan nestettä, jota Mesmer kutsui nimellä magnetism animalis, voitaisiin välittää ihmiseltä toiselle, hypnoosissa ja tietyissä parantumisprosesseissa ( Mesmerin poistojen) pitäisi olla rooli. Tuolloin suositun eläinmagneettisuuden lisäksi lääkäri ja magnetisaattori Louis Joseph Jules Charpignon Orléansissa käsitteli myös magnetismia yleisemmässä mielessä noin vuonna 1845.

Katso myös: Magnetotaksis , Magnetospirillum gryphiswaldense , Magnetospirillum magnetotacticum , Magnetosom

Vaarat ihmisille

Magneettikentän varoitus

Suorien magneettikenttien vaikutuksia ihmisiin ei tunneta. Magneettikuvantamisen pulssikentät ovat myös yleensä vaarattomia. Toisaalta vahvoilla kentillä on vaaroja seuraavissa tapauksissa:

  • Voimavaikutus myös kehossa tai kehossa olevien ferromagneettisten tai ferromagneettisten osien kautta
  • Lentävät ferromagneettiset tai ferromagneettiset osat.

Tästä syystä magneettikenttälaboratorioissa ja magneettikuvaus tomografeissa sovelletaan turvallisuussääntöjä, jotka varmistavat, ettei ferromagneettisia osia pääse läheisyyteen. Seuraavat vahingot ovat edelleen merkityksellisiä:

  • Myös sydämentahdistimien häiriöt tai viat
  • Ei-"magneettisten" kellojen ja muiden mekaanisten laitteiden häiriöt.

Yleiset vaarat

Pulssikentät voivat vaikuttaa tai tuhota kaikki elektroniset ja sähkölaitteet sähkömagneettisen induktion avulla , katso myös sähkömagneettinen pulssi .

Epäsäännöllisyydet hiukkasvirtauksessa auringosta ( aurinkotuuli ) johtavat ns. Magneettisiin myrskyihin maan päällä, jotka induktion kautta voivat vaarantaa puhelin- ja lankaverkkoja, kaapelijärjestelmiä ja myös metalliputkia.

Magneettikentät voivat poistaa tallenteita magneettivälineiltä, ​​kuten ääninauhalta , videonauhalta tai kiintolevyltä .

Jos magneettikenttä romahtaa äkillisesti tapahtuman seurauksena - linjan keskeytys tavanomaisissa sähkömagneeteissa tai sammutuminen suprajohtavissa magneeteissa - induktio voi aiheuttaa erittäin korkeita sähköjännitepulsseja. Jos tämä johtaa sähkövirtaan, vuorostaan ​​syntyvät magneettikentät voivat esimerkiksi Vedä esineet väkisin magneettiin. Siksi kokeiluasetukset magneetin välittömässä läheisyydessä eivät saa sisältää suljettuja johtimen silmukoita - esimerkiksi minkäänlaisissa telineissä; tämä saavutetaan asettamalla eristävät välikappaleet.

Kaksi renkaan muotoista kestomagneettia päässä magnetroni of mikroaaltouunin vetävät toisiaan niin voimakkaasti, että voit tuskallisen nipistää ja vahingoittaa hieno taita ihon välillä.

Magnetismi jokapäiväisessä kielessä ja jokapäiväisessä elämässä

Väärinkäsityksiä syntyy usein sekoittamalla termit "magneettinen" ( ferromagneettisessa mielessä ), "magnetoitu" ja "magnetoituva".

Puhekielessä magnetismi ymmärretään melkein yksinomaan ferromagneettisuudeksi, koska tämä on yleistä ja tuttua jokapäiväisessä elämässä: magneettien pitäminen metallilevyllä, kompassin toiminta jne. Muut magnetismin tyypit (diamagnetismi, paramagnetismi jne.) .) ovat toisaalta arjen ympäristössä huomaamattomia. "Magneettisella" tarkoitetaan yleensä "ferromagneettista". Suurin osa ihmisistä yhdistää magnetismin perustellusti hyvin voimakkaasti rauta- ja teräsmateriaaleihin. Vähemmän tunnettua on, että nikkeli ja koboltti ovat myös ferromagneettisia.

Väärinkäsitykset magnetoituvuudesta ovat yleisiä, ja niitä löytyy myös joistakin kirjoista ja muista lähteistä. Esimerkiksi yksinkertaisesta teräksestä valmistettu esine on ferromagneettinen ja siten magnetoituva, mutta vain magneettisesti "pehmeä", mikä tarkoittaa, että se menettää magnetoitumisensa uudelleen hyvin nopeasti. Väliaikaista kompassineulaa ei voida tehdä mistään teräslangasta harjaamalla se kestomagneetilla, magneettisesti pehmeä teräslanka ei sovi. Jos kosketat magneettisesti pehmeää teräslangaa kestomagneetilla, se vetää puoleensa, mutta ei magnetoi pysyvästi. Magneettisesti "kova" teräsneula sitä vastoin voidaan magnetisoida pysyvästi, mikä tarkoittaa, että se menettää magneettisuutensa vain pitkän ajanjakson ajan ja voisi siksi toimia välitönä kompassina.

Voit helposti tarkistaa, onko esine "magneettinen" (ferromagneettisessa mielessä) koskettamalla sitä kestomagneetilla. Jos tunnet voiman, esine on ferromagneettinen. Se, onko esine "magnetoitu" - toisin sanoen itsestään kestomagneetti -, voidaan tarkistaa erittäin kevyellä magnetoimattomasta teräksestä (esim. Niitti tai paperiliitin): Jos niitti jumittuu esineeseen, se onko hän magnetoitunut.

Esimerkiksi työkalujen magnetointi voi olla toivottavaa käytännössä (esim. Jotkut ruuvimeisselit magnetisoidaan tarkoituksellisesti pienten rautaruuvien käsittelyn yksinkertaistamiseksi). Magnetisaatio voi kuitenkin olla ei-toivottua, koska se aiheuttaa jatkuvasti pieniä rautaviiloja tai vastaavia. kiinni laitteeseen.

Apple-kannettavissa on joskus magneettisesti kytkevä virtalähde. Tämä MagSafe- liitäntä vapautuu useimmissa tapauksissa, jos kaapelia vedetään vahingossa ja se voi siten estää laitteen putoamisen pöydältä lattialle. Litteässä pistokkeessa on ferromagneettinen runko, jota magneetti houkuttelee pistorasian hieman syvennetyllä alueella. Jos laite laitetaan reppuun ilman kantta, jota käytetään myös käsityökalujen kuljettamiseen, pistorasia voi houkutella rauta- ja ruostehiukkasia ja tukkeutua niihin. Nämä hiukkaset voidaan vetää ulos vahvalla teipillä.

suojaus

Ferromagneettisen materiaalin vaikutus magneettikentän viivojen kulkuun. Suojaus luo käytännössä kenttätöntä tilaa renkaan sisään.

Sähköteknisten laitteiden, tilojen ja huoneiden suojausta käytetään pitämään sähkö- ja / tai magneettikentät poissa niistä tai päinvastoin suojelemaan ympäristöä laitokselta tulevilta kentiltä. Magneettisia suojuksia käytetään esim. B. käytetään CRT näytöt ja oskilloskooppeihin kanssa katodisädeputket , koska magneettisen häiriön lähteet voivat aiheuttaa häiriöitä. Kestomagneetit kaiuttimet televisiovastaanottimien kanssa kuvaputket usein magneettisuojattuja.

Pehmeitä magneettisia materiaaleja käytetään staattisten magneettikenttien ja matalataajuisten magneettikenttien, so. H. ferromagneettiset materiaalit, joilla on suuri läpäisevyys ja pieni remanenssi. Magneettisella suojauksella on myös sähköinen suojaus, jos se on riittävän johtava. Suurtaajuiset, sähkömagneettiset vuorottelukentät ( sähkömagneettiset aallot ) voidaan täysin suojata vain sähköä johtavilla, pyöreillä suljetuilla, riittävän paksuilla kirjekuorilla. Rakot tai aukot vähentävät suojauksen vaimennusta ja tekevät mahdottomaksi, jos niiden suurin mitta saavuttaa tai ylittää suojattavan aallonpituuden suuruusluokan.

Katso myös

nettilinkit

Wikisanakirja: Magnetismi  - selitykset merkityksille, sanan alkuperälle, synonyymeille, käännöksille
Commons : Magnetismi  - kokoelma kuvia, videoita ja äänitiedostoja
  • Magnetismi erittäin yksityiskohtaisesti Welt der Physikissä

Huomautukset

  1. Tarkkaan ottaen vapaus lähteistä koskee aina magneettivuon tiheyttä , mutta ei magneettikentän voimakkuutta , katso alla.
  2. Matemaattisesti ilmaistuna: Magneettikentät ovat aina pyörrekenttiä , kun taas sähköstaattiset kentät ovat aina gradienttikenttiä (kukin vektorikenttä voidaan jakaa gradienttiosaksi (pyörteettömäksi osaksi) ja pyörreosaksi (lähteettömäksi osaksi)).
  3. ^ PJ Morrison: Magneettikentän linjat, Hamiltonin dynamiikka ja Nontwist Systems. Physics of Plasmas, osa 7 nro 6, kesäkuu 2000, s. 2279-2289 . Artikkeli osoittaa, että kolmiulotteisissa järjestelyissä, joissa ei ole erityistä symmetriaa, suljettuja kenttäviivoja esiintyy jopa suhteellisen harvoin. Tämä viittaa myös seuraavaan paradoksiin: Harkitaan joustavasta materiaalista valmistettua tankomagneettia, johon joku on sitonut yksinkertaisen silmukan ennen magnetointia. Sen kenttäviivat kulkevat sisällä S-napasta N-napaan solmua pitkin ja sulkeutuvat magneetin ulkopuolelle vapaassa tilassa. Nyt magneetti on hitaasti irrotettu. Sen kenttäviivat ovat aina kiinni. Koska solmu ei voi kadota suljetussa silmukassa topologisista syistä, pitkänomaisen tangon magneettia ympäröivien kenttäviivojen pitäisi nyt sisältää solmu, mikä ei ole mahdollista. Paradoksi voidaan ratkaista luopumalla ajatuksesta suljetuista kenttäviivoista.
  4. Magneettikentän mittaus ihmisen sydämessä pienillä antureilla huoneenlämmössä (PTB: n lehdistötiedote 11. joulukuuta 2009).
  5. Magneettikentän tutkijat tähtäävät sadan Teslan tavoitteeseen ( Memento 28. syyskuuta 2012 Internet-arkistossa ), Los Alamosin kansallisen laboratorion lehdistötiedote 22. maaliskuuta 2012.
  6. TU Dresden -esitys (PDF-tiedosto, 8,2 Mt, käyty 30. kesäkuuta 2011)
  7. I Pauli-periaatteen mukaan komplementaarisuus koostuu siitä, että piimaa-molekyylien kanssa symmetrinen sijaintifunktio (merkki +) on kerrottava antisymmetrisellä spin-funktiolla (merkki -) ja päinvastoin.
  8. Katso magnetismiteoria z. BU Krey, A. Owen, Teoreettinen fysiikka - tiivis katsaus , Springer, Berliini 2007.
  9. CODATA-suositellut arvot. National Institute of Standards and Technology, käyty 21. heinäkuuta 2019 . Elektronin magneettinen momentti.
  10. CODATA-suositellut arvot. National Institute of Standards and Technology, käyty 21. heinäkuuta 2019 . Muonin magneettinen momentti.
  11. CODATA-suositellut arvot. National Institute of Standards and Technology, käyty 21. heinäkuuta 2019 . Protonin magneettinen momentti.
  12. CODATA-suositellut arvot. National Institute of Standards and Technology, käyty 21. heinäkuuta 2019 . Neutronin magneettinen momentti.
  13. ^ AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Epäorgaanisen kemian oppikirja . 101. painos. Walter de Gruyter, Berliini 1995, ISBN 3-11-012641-9 , s. 1300-1310.
  14. ^ Gerhard Fasching: Materiaalit sähkötekniikkaan . 3. painos. Springer, Wien 1994, s.384.
  15. Brahim Selmaoui, Yvan Touitou: Sinimuotoiset 50-HZ: n magneettikentät heikentävät rotan käpylän NAT-aktiivisuutta ja seerumin melatoniinia. Altistuksen keston ja voimakkuuden rooli . Julkaisussa: Life Sciences . nauha 57 , ei. 14 , 1995, ISSN  0024-3205 , s. 1351-1358 , doi : 10.1016 / 0024-3205 (95) 02092-W .
  16. Wood, AW, Armstrong, SM, Sait, Ml., Devine, L., Martin, MJ: Muutokset ihmisen plasman melatoniiniprofiileissa vasteena 50 Hz: n magneettikentän altistumiselle . Julkaisussa: Journal of Pineal Research . nauha 25 , ei. 2 , 1998, ISSN  0742-3098 , s. 116-127 , doi : 10.1111 / j.1600-079X.1998.tb00548.x .
  17. Yvan Touitou, Yasmina Djeridane, Jacques Lambrozo, Françoise Camus, Brahim Selmaoui: 50 Hz: n magneettikentän altistumisen pitkäaikaiset (jopa 20 vuotta) vaikutukset immuunijärjestelmään ja hematologisiin parametreihin terveillä miehillä . Julkaisussa: Kliininen biokemia . nauha 46 , ei. 1-2 , 2013, ISSN  0009-9120 , s. 59-63 , doi : 10.1016 / j.clinbiochem.2012.09.003 .
  18. Touitou, Yvan ja Lambrozo, Jacques ja Camus, Françoise ja Charbuy, Henriette: Magneettikentät ja melatoniinihypoteesi: tutkimus työntekijöistä, jotka ovat jatkuvasti alttiina 50 Hz: n magneettikentille . Julkaisussa: American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology . nauha 284 , ei. 6 , 2003, s. R1529-R1535 , doi : 10.1152 / ajpregu.00280.2002 .
  19. Louis Jules Charpignon: fysiologia, lääketiede ja metaphysique you magnetisme. Bryssel 1851.
  20. Sabine Kleine: Eläinten magnetismin ja hypnoosin välinen yhteys. Julkaisussa: Würzburgin sairaushistoriaraportit. Osa 13, 1995, s. 299 - 330; tässä: s. 314 f.