Warum hat ein Magnet einen Nord- und einen Südpol?
Das Durchschneiden eines Magnetstabs in zwei Hälften reißt seine Pole nicht ab. Es entstehen nur zwei Magnete mit jeweils einem Nordpol, der vom Südpol des anderen Magneten angezogen wird und umgekehrt.
Es ist diese grundlegende Anziehungseigenschaft, die Magnete für so viele Zwecke nützlich macht, von der Aufbewahrung einer Partyeinladung am Kühlschrank bis hin zur medizinischen Bildgebung.
Aber wie entstehen diese Pole? Warum hat ein Magnet einen Nord- und einen Südpol?
Magnete seien „eines der tiefsten Geheimnisse der Physik“, sagte er. Greg Böbinger (Öffnet in einem neuen Tab)Direktor des National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida. während Seit Tausenden von Jahren verwenden Menschen Magnete (Öffnet in einem neuen Tab)Wissenschaftler lernen immer noch neue Dinge über ihre Arbeitsweise.
Die grundlegende Antwort darauf, warum Magnete Pole haben, liegt im Verhalten der Elektronen. Alle Materie, einschließlich Magnete, besteht aus Atomen. in jedem MaisDer Atomkern ist von einem oder mehreren negativ geladenen Elektronen umgeben. Jedes dieser Elektronen erzeugt ein eigenes kleines Magnetfeld, das Wissenschaftler als „Spin“ bezeichnen. Zeigen genügend dieser kleinen Magnetfelder in die gleiche Richtung, wird das Material selbst paramagnetisch.
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Der „Spin“ eines Elektrons ist so etwas wie ein abstraktes Konzept, sagte Boebinger gegenüber WordsSideKick.com. Technisch gesehen hat noch nie jemand einen Elektronenspin gesehen – er ist zu klein, um ihn unter einem Mikroskop zu sehen. Aber Physiker wissen, dass Elektronen ein Magnetfeld haben, weil sie es gemessen haben. Und dieses Feld kann unter anderem erzeugt werden, wenn sich das Elektron dreht. Kehren Sie die Drehrichtung um, und das Magnetfeld kehrt sich um.
wenn möglich, Die Elektronen paaren sich, so dass ihr Spin aufgehoben wird (Öffnet in einem neuen Tab), was den Nettomagnetismus eines Atoms zu Null macht. Aber bei manchen Elementen, wie Eisen, kann das nicht passieren. Die Anzahl der Elektronen und die Art und Weise, wie sie um den Kern herum angeordnet sind, bedeutet, dass jedes Eisenatom ein ungepaartes Elektron hat, das ein kleines Magnetfeld erzeugt.
In einem nichtmagnetischen Material zeigen diese einzelnen Magnetfelder in verschiedene zufällige Richtungen. In diesem Fall heben sie sich meist gegenseitig auf, sodass das Material in der Regel nicht magnetisch ist. Aber unter den richtigen Bedingungen können sich kleine subatomare Magnetfelder in die gleiche Richtung ausrichten. Man könnte sich dies als den Unterschied zwischen einer Menschenmenge vorstellen, die herumläuft, und allen, die sich organisieren und in die gleiche Richtung blicken. Die Kombination dieser sehr kleinen Magnetfelder erzeugt ein größeres Magnetfeld – dadurch wird das Material zum Magneten.
Viele im Alltag verwendete Magnete, wie beispielsweise Kühlschrankmagnete, werden als Permanentmagnete bezeichnet. In diesen Materialien wurden die Magnetfelder vieler Atome im Material durch eine äußere Kraft dauerhaft ausgerichtet – beispielsweise indem sie in ein stärkeres Magnetfeld gebracht wurden.
Oft wird dieses stärkere Magnetfeld durch Elektrizität erzeugt. Elektrizität und Magnetismus sind grundlegend verwandt, da Magnetfelder durch die Bewegung elektrischer Ladungen erzeugt werden. Deshalb enthält das sich drehende Elektron ein Magnetfeld. Aber Wissenschaftler können Elektrizität auch nutzen, um sehr starke Magnete herzustellen Paul Veracin (Öffnet in einem neuen Tab), ein leitender Wissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien. Wenn genügend Strom durch eine Drahtspule geleitet wird, entsteht ein sehr starkes Magnetfeld, das so lange anhält, wie der Strom fließt. Diese Elektromagnete werden häufig in der Physikforschung verwendet, sagte Veracin gegenüber Live Science. Es wird auch in medizinischen Instrumenten wie Magnetresonanztomographen (MRT) verwendet.
Die Erde hat auch ihr eigenes Magnetfeld – das ist es, was die Kompassnadel zum Arbeiten bringt. Wissenschaftler haben den Nordpol eines Magneten als die Spitze definiert, die zum Nordpol der Erde zeigt, wenn sich der Magnet frei dreht. Aber technisch, erklärte Böbinger, bedeutet dies, dass der magnetische Nordpol der Erde eigentlich ein magnetischer Südpol ist, da sich entgegengesetzte Pole anziehen.
Physikalisch gesehen fließen magnetische Feldlinien vom Nordpol eines Magneten nach außen zu seinem Südpol und bilden eine geschlossene Schleife.
Physiker haben auch andere Anordnungen für Magnetpole gefunden, Einschließlich des Quads (Öffnet in einem neuen Tab), wo eine Gruppe von magnetischen Nord- und Südpolen in einem Quadrat angeordnet sind. Ein Ziel bleibt schwer fassbar, sagte Veracin: Niemand hat bisher ein magnetisches Monopol gefunden.
Elektronen und Protonen sind unipolar: Sie haben jeweils eine einzige elektrische Ladung, positiv oder negativ. Aber Elektronen (und auch andere Teilchen) haben magnetische Pole. Da es sich um Elementarteilchen handelt, können sie nicht weiter zerlegt werden. Dieser Unterschied zwischen dem elektrischen und magnetischen Verhalten von Teilchen hat viele Physiker fasziniert, und für einige ist es der heilige Gral, ein Teilchen mit einem einzigen Magnetpol zu finden. Seine Entdeckung würde die Gesetze der Physik, wie wir sie derzeit verstehen, außer Kraft setzen.
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