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Magnetịsmus

 

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 1) die Lehre vom Magnetfeld und dem Verhalten der Stoffe und Körper in ihm. Das auffälligste Merkmal des Magnetismus sind Kräfte und Drehmomente, die Magnete oder ferromagnetische Stoffe (besonders Eisen) erfahren, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht werden. Am längsten bekannt ist die Ausrichtung einer horizontal frei drehbar gelagerten Magnetnadel (Kompass) im Erdmagnetfeld (Erdmagnetismus). Quantitativ beschrieben wird der Magnetismus durch die Angabe der Magnetfelder (magnetische Feldstärke, magnetische Flussdichte) außerhalb magnetischer Körper und/oder durch die Angabe der Magnetisierung in ihrem Inneren. Qualitativ kann das magnetische Feld durch Feldlinien veranschaulicht werden, deren Dichte dem Betrag der Feldgrößen proportional und deren Richtung gleich der der Feldgrößen ist.

 

Ursache aller magnetischer Erscheinungen sind bewegte elektrische Ladungen beziehungsweise bewegte elektrische Felder; dabei handelt es sich beim Elektromagnetismus um makroskopische elektrische Ströme, während der Magnetismus der stofflichen Materie (Antiferromagnetismus, Diamagnetismus, Ferrimagnetismus, Ferromagnetismus, Paramagnetismus) durch bewegte elektrische Ladungen in den Elektronenhüllen der Atome sowie durch die mit den Eigendrehimpulsen (Spins) der atomaren Bausteine verknüpften magnetischen Momente verursacht wird.

 

Die Wirkungen zwischen elektrischen und magnetischen Erscheinungen sind wechselseitig und werden in vollem Umfang durch die maxwellschen Gleichungen der Elektrodynamik beschrieben: Jeder elektrische Strom, d. h. jede bewegte elektrische Ladung beziehungsweise jede als Verschiebungsstrom bezeichnete zeitliche Änderung eines elektrischen Feldes, erzeugt ein Magnetfeld (Durchflutungsgesetz, Durchflutung); jede zeitliche Änderung eines magnetischen Feldes erzeugt ein elektrisches Feld (Induktionsgesetz). Das bedeutet auch, dass sich zeitlich veränderliche elektrische und magnetische Felder gemeinsam als elektromagnetische Wellen im Raum ausbreiten und damit Licht eine Erscheinungsform des Elektromagnetismus ist.

 

Auf bewegte elektrische Ladungen wirkt senkrecht zur Magnetfeldrichtung und zur Bewegungsrichtung die Lorentz-Kraft. Auf magnetische Momente wirken in homogenen Magnetfeldern Drehmomente, in inhomogenen Magnetfeldern treten zusätzliche Kräfte auf.

 

Der Magnetismus und seine Phänomene sind in den verschiedensten technischen und wissenschaftlichen Bereichen von grundlegender Bedeutung, z. B. zur Stromerzeugung mit elektrischen Generatoren, für elektrische Antriebe (Motoren) und Transformatoren, den Einsatz von Dauermagneten oder als Magnetspeicher in der Datenverarbeitung. Darüber hinaus findet der Magnetismus vielfältige Anwendung in der Forschung, so in der Spektroskopie (z. B. beim Zeeman-Effekt), speziell bei verschieden Verfahren der Hochfrequenzspektroskopie, bei der Neutronenbeugung, in der Plasmaphysik und ihren Anwendungen (z. B. Astrophysik und Kernfusion) sowie in Beschleunigern zur Fokussierung und Führung von Strahlen elektrisch geladener Teilchen und in Magnetfallen.

 

Der häufig behauptete Einfluss des Magnetfeldes der Erde sowie in ihrer Stärke vergleichbarer Magnetfelder auf Lebewesen konnte in manchen Fällen wahrscheinlich gemacht und in anderen nachgewiesen werden (Magnetfeldorientierung). Eine als Biomagnetismus bezeichnete Erscheinung ist die Erzeugung schwacher magnetischer Felder durch biologische Aktivitäten (Transport elektrischer Ladungen), z. B. des Herzens oder des Gehirns.

 

Geschichte:

 

Der Magnetismus ist eines der am längsten bekannten physikalischen Phänomene. Nach manchen Berichten war der Magnetkompass in China bereits im 26. Jahrhundert v. Chr. in Gebrauch, nach anderen allerdings wurde er erst im 13. Jahrhundert n. Chr. dorthin gebracht; seine früheste mitteleuropäische Erwähnung findet sich bei Alexander Nequam (* 1157, ✝ 1217). In griechischen Schriften wird das Mineral Magnetit bereits etwa 800 v. Chr. erwähnt, Thales von Milet war bekannt, dass es Eisen anzieht, und G. Plinius der Ältere wusste, dass man mit ihm Eisen magnetisieren kann. Der Name Magnetit wird von Lukrez auf die thessalische Stadt Magnesia zurückgeführt, wo die Griechen dieses Mineral erstmals gefunden haben sollen, von Plinius dagegen auf einen Hirten namens Magnes, der auf dem Berg Ida durch seine eisernen Schuhnägel und die eiserne Spitze seines Stabes festgehalten worden sein soll.

 

Ausführlichere frühe Beschreibungen des Magnetismus und der Magnete stammen von P. Peregrinus (1269) und v. a. von W. Gilbert (»De magnete. ..«, 1600), eine im heutigen Sinn wissenschaftliche Untersuchung beginnt jedoch erst mit dem von C. A. Coulomb aufgestellten und nach ihm benannten Gesetz über die Kraft zwischen zwei Magnetpolen (ab 1785) und der Beschreibung der Magnetostatik in Feldbegriffen (»Fluida«) durch D. Poisson (um 1820). H. C. Ørsted entdeckte 1820 die magnetische Wirkung elektrischer Ströme. Im selben Jahr stellte A. M. Ampère quantitative Gesetze über die Kraft zwischen Strom führenden Leitern auf, und J. B. Biot und S. Savart formulierten das nach ihnen benannte Gesetz zur Berechnung magnetischer Felder Strom führender Drähte (Biot-Savart-Gesetz). W. Weber führte die von Ampère entwickelte Vorstellung von molekularen Kreisströmen als Ursache des Magnetismus weiter durch den Gedanken, dass im unmagnetischen Zustand diese Elementarmagnete völlig ungeordnet sind und dass sie durch ein äußeres Magnetfeld ausgerichtet werden. M. Faraday führte den Begriff der elektrischen und magnetischen Felder ein, entdeckte 1831 die elektromagnetische Induktion und fand mit der Drehung der Polarisationsebene von Licht beim Durchgang durch Materie, die sich in einem Magnetfeld befindet, den ersten Zusammenhang zwischen Magnetismus und Licht (Faraday-Effekt). J. C. Maxwell fasste die Theorie der bis dahin bekannten elektromagnetischen Erscheinungen in dem nach ihm benannten Gleichungssystem zusammen (»Treatise on electricity and magnetism«, 1873). Mit der Entdeckung der elektromagnetischen Wellen durch H. Hertz (1886) fand diese Theorie ihre experimentelle Bestätigung. 1905 zeigte A. Einstein im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie, dass Magnetfelder grundsätzlich eine untrennbare Begleiterscheinung bewegter elektrischer Ladungen beziehungsweise bewegter elektrischer Felder sind. Die Beschreibung der magnetischen Eigenschaften der stofflichen Materie beginnt mit P. Curie, der erstmals zwischen Para- und Diamagnetismus unterschied (1895), die Temperaturabhängigkeit des Paramagnetismus zeigte und feststellte, dass eine ferromagnetische Substanz oberhalb einer bestimmten Temperatur (Curie-Temperatur) sich wie eine paramagnetische verhält, mit P. Langevin, der 1905 eine erste atomare Theorie des Paramagnetismus und des Diamagnetismus formulierte, und mit P. E. Weiss, der mit dem Postulat der Wechselwirkung der Elementarmagnete und deren paralleler Ausrichtung innerhalb von Bereichen, die groß gegen die atomaren Abmessungen sind (Weiss-Bezirke), die Grundlage der Theorie des Ferromagnetismus schuf. W. Meissner und R. Ochsenfeld wiesen 1933 mit dem nach ihnen benannten Effekt der vollständigen Verdrängung der magnetischen Flussdichte aus einem Supraleiter den engen Zusammenhang zwischen Magnetismus und Supraleitfähigkeit nach. Die Rückführung des Festkörpermagnetismus auf wechselwirkende magnetische Dipolmomente wurde 1915 mit dem Einstein-de-Haas-Effekt und dem Nachweis der Richtungsquantisierung durch den Stern-Gerlach-Versuch (O. Stern und W. Gerlach, 1922) begonnen und von der nächsten Physikergeneration weitergeführt, darunter P. A. M. Dirac, der 1928 das mit dem Elektronenspin verbundene magnetische Moment berechnete, W. Heisenberg, der im selben Jahr den Ferromagnetismus auf eine elektrostatische Austauschwechselwirkung zwischen Elektronenspins zurückführte und so die Natur der Weiss-Bezirke erklären konnte, F. Bloch, der die Struktur der Wände zwischen den Weiss-Bezirken beschrieb (1930), deren Energie in Verbindung mit der der Austauschwechselwirkung für die Größe der Weiss-Bezirke verantwortlich ist, und J. H. van Vleck, der 1932 eine Quantentheorie des Diamagnetismus und des Paramagnetismus lieferte. L. E. F. Néel schließlich entwickelte die Theorie des Antiferromagnetismus (1932) und des Ferrimagnetismus (1947).

 

Literatur:

 

D. Wagner: Einf. in die Theorie des M. 1966);

 G. Heber: Einf. in die Theorie des M. (1983);

 

Lb. der Experimentalphysik, begr. v. L. Bergmann u. a., Bd. 2: H. Gobrecht: Elektrizität u. Magnetismus (⁷1987);

 E. M. Purcell: Elektrizität u. M. (a. d. Engl., ⁴1989);

 C. Kittel: Einf. in die Festkörperphysik (a. d. Amerikan., ¹⁰1993, Nachdr. 1996).

 

 2) Parapsychologie: Mesmerismus.

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Erdmagnetismus: Struktur und Entstehung