Ist Aluminium magnetisch? Was verursacht Magnetismus?


Bestimmte Materialien sind magnetisch, weil sie ungepaarte Elektronen in ihren Valenzenergieschalen enthalten. Diese ungepaarten Elektronen sind für die Erzeugung eines Magnetfelds verantwortlich. Ferromagnetische Materialien sind am anfälligsten für Magnetisierung, gefolgt von paramagnetischen Materialien. Diamagnetische Materialien sind am wenigsten anfällig für Magnetisierung. Aluminium ist unter normalen Umständen nicht magnetisch, kann aber bei sehr niedrigen Temperaturen einen schwachen Magnetismus aufweisen.

Von all den großartigen Wundern, die man in der Natur findet, sind Magnete wirklich eines der schillerndsten. Magnetismus, das zugrunde liegende Phänomen, bildet zusammen mit Elektrizität eine der vier Grundkräfte, die für alle Phänomene in unserem Universum verantwortlich sind.

Das erste, was einem normalerweise in den Sinn kommt, wenn man an Magnete denkt, ist ein Kompass. Seine zitternde Nadel in Gegenwart eines Magnetfelds faszinierte Albert Einstein, dessen Vater ihm als Jugendlicher eine geschenkt hatte. Es wird angenommen, dass dieses einzelne Ereignis seine Einführung in die mysteriösen oder obskuren Wege der Natur ist.

Dieses einzelne Ereignis kann auf das zurückgeführt werden, was seine Neugier weckte und ihn dazu zwang, sein ganzes Leben der Enthüllung der zugrunde liegenden Mechanismen einer Vielzahl von Phänomenen zu widmen, vom willkürlichen Taumeln unendlich kleiner Atome bis zur Erforschung der Kräfte, die die Bewegung des Himmels steuern.

Kompass

(Bildnachweis: sergign / Shutterstock)

Ein weiteres einfaches Objekt, das mit dieser Idee in Resonanz steht, ist Eisen. Dieses Metall würde man gerne mit einem Magneten assoziieren. Wenn wir das Verhalten von Eisen durch eine Schublade beobachten, können wir schlussfolgern, dass seine magnetischen Eigenschaften ein zufälliges Geschenk sind, das von seiner hochleitenden Natur herrührt.

Aluminium ist jedoch nicht weit entfernt, wenn es um die Leitung geht. Warum also schleudert sich Aluminium nicht wie Eisen auf einen Magneten zu? Bedeutet dies, dass Aluminium nicht magnetisch ist? Was macht Eisen eigentlich magnetisch?

Zuerst müssen wir verstehen, warum bestimmte Elemente dazu neigen, mit Magneten zu flirten, während andere dies nicht tun. Dafür müssen wir tiefer graben… viel tiefer.


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Ist Aluminium magnetisch?

Aluminium ist unter normalen Umständen nicht magnetisch. Der Mangel an Magnetismus von Aluminium kann auf seine Kristallstruktur zurückgeführt werden. Aluminium, Magnesium und Lithium sind bemerkenswerte Beispiele für paramagnetische Materialien.

Wenn es um die Stärke ihres Feldes geht, wird eine Aluminiumplatte möglicherweise nicht von einem Kühlschrankmagneten angezogen, aber man kann ihre magnetischen Farbtöne beobachten, wenn hochwertige Magnete auf dicke Aluminiumrohre geschleudert werden.

Der schwebende Magnet regt die Dipole des vorbeiströmenden Aluminiums an und stößt die erzeugten Magnetfelder ab. Dadurch verlangsamt sich der Magnet in seinem Fall!

Pauli-Ausschlussprinzip: Dipole und Magnetismus

Die Maxwell-Gleichungen sagen uns, dass ein elektrisches Feld einem magnetischen Feld Form gibt und umgekehrt. Es ist jedoch unbedingt zu beachten, dass es sich um eine unterschiedlich elektrisches oder magnetisches Feld, das das andere hervorruft – an beschleunigt elektrische Ladung oder ein sich bewegender Magnet in Gegenwart eines Leiters.

Es wird beobachtet, dass Elektronen nicht still in Energiehüllen liegen, sondern drehen auf ihrer Achse. Diese Drehung, diese Bewegung, die formal als die eines Elektrons bekannt ist drehen, erzeugt ein Magnetfeld. Außerdem sind Magnetfeldlinien keine konzentrischen Kreise, wie die Kräuselung eines Steins, der in einen Teich fällt.

Ihre Richtung verläuft im Gegensatz zu den Feldlinien eines elektrischen Felds nicht geradeaus und bewegt sich weiter von ihrer Quelle weg. Sie beginnen an ihrem Kopf und enden an ihren Füßen, um eine etwas bohnenartige Form zu bilden. Diese Art von Geometrie erweckt den Eindruck von zwei Stangen auf Arbeit; ein Magnet ist also a Dipol. Andererseits werden elektrische Ladungen, die in kräuselnden elektrischen Feldern strahlen, als bezeichnet Monopole.

Ein sich drehendes Elektron, das ein Magnetfeld erzeugt, kann also als Inszenierung eines magnetischen Dipols wahrgenommen werden. Ein weiteres Prinzip, das den Magnetismus regelt, ist Paulis Ausschlussprinzip. Nach dem Prinzip kann ein bestimmtes Energieniveau nur zwei Elektronen beherbergen, sofern sie sich auch in entgegengesetzte Richtungen drehen.

Diese beiden entscheidenden Faktoren bestimmen die magnetische Potenz eines Elements. Materialien können je nach Anfälligkeit für Magnetisierung in drei Typen eingeteilt werden.

Diamagnetismus

Diamagnetismus entsteht, wenn zwei Elektronen, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, die magnetischen Fähigkeiten des anderen negieren und ein Null-Netto-Magnetfeld erzeugen. Diese Materialien haben Energieniveaus, die mit gepaarten Elektronen gefüllt sind.

Diamagnetische Materialien stoßen äußere Magnetfelder ab. Wenn man ein diamagnetisches Material beobachten würde, das in einem Magnetfeld ertrinkt, würde es aussehen, als würde Wasser um einen Felsen strömen. In einem externen Magnetfeld richten sich seine Dipole in die entgegengesetzte Richtung dieses angelegten Felds aus und heben die Effekte auf. Diese Materialien haben keinerlei Interesse daran, an einem Permanentmagneten zu haften.

Diamagnetismus ist eine Eigenschaft, die allen Materialien gemeinsam ist, einschließlich Eisen. Dies ist als diamagnetischer Effekt bekannt. Bei einem magnetischen Material, wie beispielsweise Eisen, ist sein Beitrag jedoch vernachlässigbar. Einige bemerkenswerte diamagnetische Materialien sind Wismut, Quecksilber, Wasser und Gold.

Ferromagnetismus

Ferromagnetische Materialien sind Elemente, die ungepaarte Elektronen in ihren Valenzenergieschalen enthalten. Da kein anderes Elektron sein Magnetfeld aufheben kann, trägt das Vorhandensein dieses einzelnen Elektrons in Billionen von Atomen immens zur gesamten Magnetfeldstärke des Materials bei.

Hinzu kommt, dass ein ferromagnetisches Material so zusammengesetzt ist, dass sich seine Dipole genau parallel zu ihren Landsleuten oder direkt in Richtung eines angelegten Magnetfeldes ausrichten. Die Dipole liegen in der Größenordnung von 10 ^ 12 oder 10 ^ 15 und sind in verschiedene Regionen komprimiert, die zusammen als bezeichnet werden magnetische Domänen. Die magnetische Komponente, die von jedem Dipol beigetragen wird, addiert sich dann, um ein äußerst hartnäckiges Magnetfeld zu erzeugen.

Ferromagnetismus

Ferromagnetische Materialien sind am anfälligsten dafür, nachzugeben und von einem physikalischen Magneten angezogen zu werden. Tatsächlich verhält sich das Material für einen vorübergehenden Zeitraum wie ein Magnet, selbst wenn das externe Feld entfernt wird. Die prominentesten Beispiele sind Eisen, Kobalt und Nickel.

Paramagnetismus und Curietemperatur

Schließlich sind paramagnetische Substanzen Materialien, die eine Zusammensetzung besitzen, die ferromagnetischen Materialien ziemlich ähnlich ist. Sie enthalten ungepaarte Elektronen in ihren teilweise gefüllten Energieorbitalen, aber der Hauptunterschied besteht darin, dass nicht alle ihre Dipole in Richtung des angelegten Magnetfelds ausgerichtet sind.

Die falsch ausgerichteten Dipole behindern die Magnetfelder, die von den ausgerichteten erzeugt werden. Diese Besonderheit führt dazu, dass paramagnetische Materialien externe Magnetfelder bevorzugen, jedoch nur bis zu einem gewissen Grad. Einfach ausgedrückt verhalten sie sich wie ein sehr schwacher Magnet. Diese Materialien neigen dazu, von Permanentmagneten schwach angezogen zu werden und kehren sofort in den Diamagnetismus zurück, wenn das externe Feld entfernt wird.

Die Diskrepanz bezüglich der Ausrichtung von Dipolen wird durch den Sieg der randomisierten thermischen Energie über die neu aufgetretene magnetische Energie verursacht. Wir wissen das, weil paramagnetische Substanzen bei niedrigeren Temperaturen dazu neigen, starke Magnete nachzuahmen.

Diese Beziehung zwischen der Temperatur und den magnetischen Eigenschaften eines paramagnetischen Materials wird durch das Curie-Gesetz bestimmt. Bei einer sehr hohen Temperatur, bekannt als Curie-Temperatur, wird jeder Fleck der magnetischen Kraft eines Materials vernichtet. Dieses Verhalten wird auch bei ferromagnetischen Materialien beobachtet.

Vorgeschlagene Literatur

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