3. Das Märchen von den Elementarmagneten EM
Der Schulstoff:
In Ferromagneten sitzen Elementarmagnete EM, die sich durch magnetische Kräfte ausrichten und deshalb äußere Magnetfelder hervorrufen können.
Beim Magnetisieren ordnet man die EM. Schütteln oder Erwärmen bringt sie in Unordnung, der äußere Magnetismus geht verloren.
So wird es auch bei Leifiphysik erklärt:
Die Ausrichtung der EM untereinander geschieht in sog. weissschen Bezirken, deren Größe und Ausrichtung man durch äußere Felder verändern kann.
Das Extrafutter
So weit, so falsch...
Die Kräfte zwischen den EM sind so klein, dass es zu keiner Ausrichtung kommen kann. Der einfache Magnetismus eines Stabmagneten lässt sich klassisch nicht erklären, er ist ein rein quantenmechanisches Phänomen:
Das Pauli-Prinzip verbietet einen engen Kontakt unter gleichen Quanten.
Die EM bestehen aber aus Elektronen in den Eisenatomen, die keinen Partner haben, also gleich ausgerichtete Spins besitzen.
Deswegen müssen die Atome einen größeren Abstand einnehmen, das senkt die potenzielle Energie und es bilden sich stabile Bereiche gleichgerichteter EM aus.
Man nennt das Austauschwechselwirkung.
Für dieses Phänomen gibt es keine klassische Veranschaulichung.
Letztendlich kann man den inneren Druck eines Neutronensternes darauf zurückführen, er hält der riesigen Eigenschwerkraft der Stenmasse sogar die Waage. Das ist kein Gasdruck, sondern eben dieses quantenmechanische Phänomen. Bei Neutronensternen spricht man vom Entartungsdruck.
Nur die starke Kraftwirkung der quantenmechanischen Austauschwechselwirkung kann die EM in den weisschen Bezirken ausrichten. Diese Bezirke lassen sich dann beim Magnetisieren ausrichten.
Es ist faszinierend, dass ein Kühlschrankmagnet zur Erklärung seiner Wirkung die Quantenmechanik erfordert....
Die Quantenmechanik gestattet es auch, die Ursache der EM genauer anzugeben.
Jeder elektrische Strom besitzt ein Magnetfeld, also auch die sich irgendwie um die Atomkerne herum bewegenden Elektronen.
Aber diese Bahnmagnetfelder spielen beim Ferromagnetismus nur eine sehr untergeordnete Rolle.
Es ist die Eigendrehung des Elektrons, also sein Spin, der ein Magnetfeld hervorruft.
Und auch hier müssen wir wieder mit anschaulichen Erklärungen passen:
Niemand kann sagen, was Spin wirklich bedeutet. Elektronen kann man sich als punktförmig denken. Wie kann eine punktförmige Ladung sich drehen? Und wieso ist das dann ein elektrischer Strom, der ein Magnetfeld hervorruft?
Die EM stecken im Spin der Elektronen...(Boston University)
Niemand kann es sagen.
Wir wissen nur eins: Der Spin ungepaarter Elektronen in den Eisenatomen bildet das Magnetfeld der EM.
Mit dem Modell der EM kann man schon in der Grundschule das Verhalten beim Magnetisieren verständlich machen. Es ist aber falsch, und ich glaube, dass das oft auch die Lehrenden nicht wissen.
Wir wollen nun im nächsten Post etwas genauer den Zusammenhang zwischen Spin und Magnetfeld beschreiben. Dann endlich stoßen wir auf den berühmten g-Faktor, dessen Messung bei Myonen das SM der ETP zum Wanken gebracht hat...