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Wie entsteht Magnetismus?

Allgemeines:

Wenn wir einen Magneten an bestimmte Metalle halten, wird dieses von dem Magneten angezogen. Magneten "üben" also eine Kraft auf das Metall aus.
Viele stellen sich hauptsächlich unter Magnetismus die anziehende Wirkung von Magneten auf Eisen vor. Wie kann man aber sich das Phänomen Magnetismus vorstellen (Niveau auf Sekundarstufe 2)?

In diesem einführenden Kapitel soll nur kurz das Thema "wie entsteht Magnetismus" eingegangen werden. Da viele aus dem Alltag nur die anziehende Wirkung von Magneten kennen, soll bereits in dieser kurzen Einführung erwähnt werden, dass es verschiedene Arten von Magnetismus gibt, diese sind:
  • Diamagnetismus
  • Paramagnetismus
  • Ferromagnetismus
  • Ferrimagnetismus
  • Antiferromagnetismus

Wie entsteht Magnetismus?:

Wird ein Stoff einem äußeren Magnetfeld (z.B. durch einen Magneten) ausgesetzt, so kommt es zu einer Magnetisierung des Stoffes. Die Stärke dieser Magnetisierung beruht auf dem atomaren Aufbau des Stoffes und führt zu Formen des Magnetismus wie Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus, wobei Ferromagnetismus die Form von Magnetismus ist, die wir aus dem Alltag kennen.

Hans Christian Oerstedt entdeckte im 19. Jahrhundert, dass ein stromdurchflossener Draht von einem Magnetfeld umgeben ist. Die Richtung der Feldlinien ist dabei von der Stromrichtung (durch den Draht) abhängig. Dies führte zur Erkenntnis dass Magnetfelder ausschließlich durch Ladungstransport (von Ladungen) erzeugt werden. Daher stehen Magnetfelder und elektrische Ströme in einem ursächlichen Zusammenhang.


Elektrizität und Magnetismus im Vergleich

Von der Elektrizitätslehre kennen wir den Aufbau eines geschlossenen Stromkreises, so gibt es in diesem Stromkreis einen Plus- und einen Minuspol. Damit könnten wir uns die Kräfte erklären, die hier wirken, zwischen beiden entgegengesetzt geladenen Polen baut sich eine Kraft auf (siehe hierzu Kapitel "elektrische Felder"). Magnetismus kann hierzu analog betrachtet werden, so hat jeder (Dauer)magnet auch zwei Pole, einen Nord- und einen Südpol, die sich gegenseitig anziehen. Dadurch baut sich zwischen beiden Polen eine Kraft auf ("magnetische Felder").

Übertragen wir nun unser Wissen der Elektrizitätslehre, so verstehen wir, dass ein Magnet (elektrisch) geladen sein muss. Gegenstände, die sich abstoßen, haben beide die Ladung, sie sind beide entweder negativ oder positiv geladen. Nur Gegenstände die unterschiedlichen Ladungen haben, ziehen sich an.

Magnetismus wird bedingt durch den atomaren Aufbau (Elektronenkonfiguration) des Stoffes

Wie kann es aber nun sein, dass ein Stoff  Ladungen aufweist?
Um diese Frage zu beantworten, sehen wir uns den Aufbau der Stoffe genauer an. Dazu benötigen (bzw. würden wir benötigen) wir das Wissen um das Orbitalmodell und die Elektronenkonfiguration. Soweit wollen wir in der Einführung aber nicht gehen.

Diamagnetismus
Aus dem Chemieunterricht wissen wir, dass Atome die Edelgaskonfiguration bevorzugen, d.h. 8 Elektronen auf der äußersten Schale des Atoms. Diese Elektronen befinden sich in den Orbitalen s, px, py, pz (jeweils 2 Elektronen in einem Orbital). Diese Atome weisen einen sehr stabilen Zustand auf. Stoffe, die eine solche Elektronenkonfiguration aufweisen, in denen alle Elektronenschalen voll besetzt sind,  nennt man diamagnetische Stoffe. Diese Art von Magnetismus ist im Alltag kaum zu erkennen, dass dieser Magnetismus relativ schwach ist. Valenzelektronen wirken wie ein kleiner Magnet, sind in einem Orbital zwei Elektronen vorhanden, so hebt sich der magnetische Effekt der einzelnen Elektronen auf. Diamagnetische Materialien sind Stoffe, die aus einem Magnetfeld heraus wandern.

Paramagnetismus
Es gibt aber Verbindungen, in denen nicht alle Atome der Verbindung über 8 Valenzelektronen verfügen. Dies liegt beispielsweise bei Stickstoffoxiden, organischen Radikalen oder Oxide von Nebengruppenelementen ist. In solchen Verbindungen ist die Gesamtzahl der Elektronen im Molekül ungerade, so dass ein einzelnes Elektronen in einem Orbital ist.

Valenzelektronen wirken wie ein kleiner Magnet, sind in einem Orbital zwei Elektronen vorhanden, so hebt sich der magnetische Effekt der einzelnen Elektronen auf, ist nur ein Elektron vorhanden, so verstärkt sich ein von außen angelegtes Magnetfeld.  Das ungepaarte Elektronen richtet sich dabei nach den Feldlinien des äußeren Magnetfeldes aus und verstärkt es.

Wie Diamagnetismus ist der Effekt von Paramagnetismus kaum bemerkbar (nur in stärkeren Magnetfeldern bemerkbar), obwohl Paramagnetismus etwas stärker ist, als Diamagnetismus.


Ferromagnetismus
Ferromagnetismus ist die Form von Magnetismus, die wir aus dem Alltag kennen, so wird beispielsweise Eisen von einem Magneten angezogen.
Unter den Elementen bzw. Metallen in Reinform weisen Eisen, Kobalt und Nickel bei Raumtemperatur ferromagnetische Eigenschaften auf.

Erklären kann man den Ferromagnetismus ähnlich wie bei Paramagnetismus. Metalle besitzen im Metallgitter im Gegensatz zu Molekülen freie Elektronen, die mit einem äußeren Magnetfeld in Wechselwirkung treten können, genauso wie Verbindungen mit einer ungeraden Anzahl an Elektronen.
Im Gegensatz zu paramagnetischen Stoffen ist in ferromagnetischen Stoffen die Magnetisierung dem äußeren Magnetfeld gleichgerichtet und  aufgrund der Wechselwirkung der Elektronenspins besonders stark. Ein wesentlicher Unterschied zu paramagnetischen Stoffen ist auch, dass die Magnetisierung von ferromagnetischen Stoffe noch längere Zeit (teilweise) erhalten bleibt, auch wenn das äußere Magnetfeld entfernt wird.

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