Warum ist Eisen magnetisch und andere Metalle nicht?
Ich bitte, eventuelle Antworten so zu formulieren, dass ich sie als Laie verstehen kann.
Marcus
Warum ist Eisen magnetisch und andere Metalle nicht?
Ich bitte, eventuelle Antworten so zu formulieren, dass ich
sie als Laie verstehen kann.
Hi, es gibt auch noch andere Metalle, die „magnetisch“ sind, etwa Kobalt. Man nennt diese Metalle „ferro-magnetisch“, was Du vermutlich als magnetisch bezeichnest.
Das Phänomen des Ferromagnetsimus bezeichnet die Eigenschaft von Stoffen, ihre magnetischen Momente makroskopisch auszurichten. Atome haben immer ein magnetisches Moment (sind also kleine Magneten). Bei den Ferromagneten richten sich all die magnetischen Momente der Atome in eine Richtung aus. Dies geschieht durch eine quantenmechanische, nicht unbedingt leicht zu verstehende Wechselwirkung zwischen den Atomen. Bei den meisten Atomsorten klappt das nicht, aber bei einigen schon, was am Aufbau der Orbitale (eine Art Elektronenbahnen) und der Wechselwirkung der Orbitale verschiedener Atome untereinander liegt.
Gruss, Moriarty
Hi, es gibt auch noch andere Metalle, die „magnetisch“ sind,
etwa Kobalt. Man nennt diese Metalle „ferro-magnetisch“, was
Du vermutlich als magnetisch bezeichnest.
Das Phänomen des Ferromagnetsimus bezeichnet die Eigenschaft
von Stoffen, ihre magnetischen Momente makroskopisch
auszurichten. Atome haben immer ein magnetisches Moment (sind
also kleine Magneten).
Erstmal vielen Dank fuer Deine Antwort und noch ein paar Nachfragen: Sind die Atome deshalb Elementermagnete weil die Elektronen als elektrische Ladungen um den Kern kreisen und somit ein Magnetfeld induzieren?
Bei den Ferromagneten richten sich all
die magnetischen Momente der Atome in eine Richtung aus. Dies
geschieht durch eine quantenmechanische, nicht unbedingt
leicht zu verstehende Wechselwirkung zwischen den Atomen.
Dann richten sich also bei ferromagnetischen Stoffen die Elektronenbahnen aus wenn von aussen ein Magnetfeld wirkt, richtig?
Bei den meisten Atomsorten klappt das nicht, aber bei einigen
schon, was am Aufbau der Orbitale (eine Art Elektronenbahnen)
und der Wechselwirkung der Orbitale verschiedener Atome
untereinander liegt.
Was unterscheidet denn die Orbitale ferromagnetischer Elemente von den anderen?
Marcus
Erstmal vielen Dank fuer Deine Antwort und noch ein paar
Nachfragen: Sind die Atome deshalb Elementermagnete weil die
Elektronen als elektrische Ladungen um den Kern kreisen und
somit ein Magnetfeld induzieren?
Ja, grob gesprochen schon, aber auch die Kerne selbst haben ein magnetisches Moment (was bei Kernspintomographie ausgenutzt wird) auf Grund des „Spins“ der Kerne.
Fuer den Ferromagnetismus spielt die gemeinsame Ausrichtung der Elektronenspins eine Rolle (und weniger die Bewegung der Elektronen um den Kern). Das Phaenomen kann nur im Festkoerper auftreten. Es ist komplizierte Quantenphysik und haengt damit zusammen, das bei Eisen, Nickel, Kobalt etc. innere Orbitale noch unbesetzt sind, weiter aussen liegende aber schon. Im Festkoerper teilen sich mehrere Atome einzelne Elektronen, sowas wie Orbitale gibts dann nicht mehr unbedingt, und bei manchen Materialien ist es energetisch am guenstigsten, die Spins der Elektronen aufgrund der quantenmechanischen Austauschwechselwirkung parallel auszurichten.
Dann richten sich also bei ferromagnetischen Stoffen die
Elektronenbahnen aus wenn von aussen ein Magnetfeld wirkt,
richtig?
Bei Eisen gibt es kleine „Koerner“, in denen die magnetischen Momente schon immer alle parallel stehen. Das sind die „Weiss’schen Bezirke“. Diese „Mini-Magneten“ sind aber alle zufaellig orientiert. In einem aeusseren Magnetfeld kann man diese orientieren und das Eisen magnetisieren. Bei Stahl, wo durch die Kristallstruktur die orientierten Bezirke orientiert bleiben,haben wir dann einen Permanentmagneten, bei Weicheisen bleibt es nicht so, da klappen die alle wieder in zufaellige Richtungen zurueck und das Eisen ist wieder unmagnetisch. Gute Dauermagneten zu bauen ist komplizierte Materialwissenschaft.
Quantenphysik im Festkoerper gehoert zu den schwierigsten physikalischen Disziplinen ueberhaupt.
Gruss Moriarty
2 „Gefällt mir“
Sind die Atome deshalb Elementermagnete weil die
Elektronen als elektrische Ladungen um den Kern kreisen und
somit ein Magnetfeld induzieren?
Ja, grob gesprochen schon, aber auch die Kerne selbst haben
ein magnetisches Moment (was bei Kernspintomographie
ausgenutzt wird) auf Grund des „Spins“ der Kerne.
Fuer den Ferromagnetismus spielt die gemeinsame Ausrichtung
der Elektronenspins eine Rolle (und weniger die Bewegung der
Elektronen um den Kern).
Hallo Moriarty,
also gelernt hatte ich ja mal, dass sich eine elektrische Ladung bewegen muss (wemgegenueber eigentlich?) um ein Magnetfeld zu induzieren. Der Spin ist doch aber nur der Eigendrehimpuls des Elektrons, also eine Elementarladung, die um ihre eigene Achse rotiert. Da diese Ladung ihrem Namen nach elementar- also nicht teilbar- ist, kann man doch auch nicht sagen, dass sich ein Teil dieser Ladung auf der einen Seite- und der andere Teil auf der anderen Seite des Elektrons befindet, damit durch Bewegungen dieser Teilladungen etwas induziert wird. Sogesehen verstehe ich jetzt nicht, woher das magnetische Moment der Atome kommt.
Ansonsten fand ich Deine Antwort sehr hilfreich; vielen Dank
Marcus
Hi,
Hallo Moriarty,
also gelernt hatte ich ja mal, dass sich eine elektrische
Ladung bewegen muss (wemgegenueber eigentlich?) um ein
Magnetfeld zu induzieren. Der Spin ist doch aber nur der
Eigendrehimpuls des Elektrons, also eine Elementarladung, die
um ihre eigene Achse rotiert. Da diese Ladung ihrem Namen nach
Also, der Spin ist nur im übertragenen Sinne der Eigendrehimpuls des Elektrons. Diese Vorstellung ist nur eine Hilfe, um sich die komplexe Natur des Spins anschaulich vorstellen zu können. Aber dieser Vergleich ist nur begrenzt tauglich. Außerdem bewegt sich das Elektron ja im Eisen nicht nur um ein Atom, sondern das Elektronengas ist über das gesamte Metallstück „verschmiert“. Die Elektronen bewegen sich also räumlich schon.
elementar- also nicht teilbar- ist, kann man doch auch nicht
sagen, dass sich ein Teil dieser Ladung auf der einen Seite-
und der andere Teil auf der anderen Seite des Elektrons
befindet, damit durch Bewegungen dieser Teilladungen etwas
induziert wird. Sogesehen verstehe ich jetzt nicht, woher das
magnetische Moment der Atome kommt.Ansonsten fand ich Deine Antwort sehr hilfreich; vielen Dank
Marcus
1 „Gefällt mir“
Hallo Moriarty,
also gelernt hatte ich ja mal, dass sich eine elektrische
Ladung bewegen muss (wemgegenueber eigentlich?) um ein
Magnetfeld zu induzieren.
Raffiniert, die elektrische Ladung muss sich relativ zu dem bewegen, der das Magnetfeld sehen will (denn es ist ein relativistischer Effekt).
Der Spin ist doch aber nur der
Eigendrehimpuls des Elektrons, also eine Elementarladung, die
um ihre eigene Achse rotiert. Da diese Ladung ihrem Namen nach
elementar- also nicht teilbar- ist, kann man doch auch nicht
sagen, dass sich ein Teil dieser Ladung auf der einen Seite-
und der andere Teil auf der anderen Seite des Elektrons
befindet, damit durch Bewegungen dieser Teilladungen etwas
induziert wird. Sogesehen verstehe ich jetzt nicht, woher das
magnetische Moment der Atome kommt.
Au mann, das geht sofort in die relativistische Quantenmechanik. Der Spin geht aus der Loesung der Dirac-Gleichung hervor und ist ein relativistischer Effekt. Eigentlich sind Elektronen punktfoermig … Hier beruehrt man sofort Dinge, die keineswegs verstanden sind ! Von niemandem.
Wie dem auch sei, Elektronen sind punktfoermige Stabmagneten 
, die sich auch noch wie Wellen verhalten und dann im Kristallgitter des Eisens stehende Wellen ausbilden. Wenn vielgestaltigen, aus der Wechselwirkung der vielen Teilchen resultierenden Formen geeignet ausgerichtet sind (Atomform, Potentiale), dann kann es passieren, dass die Elektronen sich formieren und gemeinsam in eine Richtung zeigen, salopp gesprochen. Aber glaube mir, das ist ist echt harter Stoff.
Interessant ist nur, wie schnell Physiker keine Antowrten mehr haben …
Schoenen Gruss,
Moriarty