Magnetismus

Magnete und magnetische Erscheinungen kennen die Menschen schon seit Jahrtausenden. Doch warum ziehen sogenannte Dauermagnete manche Metalle an und manche nicht? Was hat der Magnetismus mit Lichterscheinungen wie Polarlichtern zu tun? Wie funktioniert ein Kompass mit seiner Magnetnadel? Haben nur Metalle magnetische Eigenschaften und wodurch werden diese verursacht?

Arten des Magnetismus
Auch wenn wir im Alltag nur die anziehende oder abstoßende Wirkung von Dauermagneten oder Elektromagneten kennen, so haben letztlich alle Stoffe magnetische Eigenschaften. Die damit verbundenen Kräfte sind nur viel schwächer als die der bekannten Dauermagneten (Bild 1).

Wie für alle stoffliche Eigenschaften liegen die Ursachen für die magnetischen Eigenschaften in der Struktur der Stoffe und damit letztlich im Aufbau der Atome und deren Elektronenkonfiguration.
Chemische Verbindungen bestehen aus Elementen, wobei die Atome in der Regel so verbunden sind, dass eine stabile Elektronenanordnung der Atome entsteht. So werden beispielsweise bindende Elektronenpaare gebildet, damit möglichst alle Atome eine stabile Achterschale aufweisen. Derartige Stoffe (Molekülverbindungen, Salze oder Edelgase) in denen alle Elektronenschalen voll besetzt sind nennt man diamagnetische Stoffe. Bringt man diese Stoffe in ein äußeres Magnetfeld, dann kann man mit sehr empfindlichen Messgeräten feststellen, dass Diamagneten das äußere Feld um einen ganz geringen Betrag abschwächen. Im Alltag bemerken wir diese Erscheinung nicht.

Die meisten Elemente verfügen jedoch nicht über vollständig besetzte Elektronenschalen. Nichtmetalle wie die Halogene bilden daher Moleküle mit einer geraden Anzahl von Elektronen und sind ebenfalls diamagnetisch. Metalle besitzen jedoch freie Elektronen, die mit einem äußeren Magnetfeld in Wechselwirkung treten können.
Auch in manchen Verbindungen können nicht alle Atome eine Achterschale ausbilden, z. B. wenn die Gesamtzahl der Elektronen im Molekül ungerade ist. Beispiele sind die Stickstoffoxide, Oxide von Nebengruppenelementen, Komplexverbindungen und organische Radikale (Bild 2).

Diese paramagnetischen Stoffe mit ungepaarten Elektronen verstärken ein von außen angelegtes Magnetfeld. Die Ursache liegt hauptsächlich darin, dass jedes einzelne Elektron selbst wie ein mikroskopisch kleiner Magnet wirkt. Bei Elektronenpaaren hebt sich der magnetische Effekt der einzelnen Elektronen auf, weil die magnetischen Momente der beiden Elektronen im Paar entgegengesetzt gerichtet sind. Die ungepaarten Elektronen richten sich nach den Feldlinien des äußeren Magnetfeldes aus und verstärken es.
Der Paramagnetismus ist zwar stärker als der Diamagnetismus aber im Alltag ebenfalls von geringer Bedeutung, da er sich nur in stärkeren Magnetfeldern bemerkbar macht. Interessant ist diese Eigenschaft aber für Chemiker und Physiker, die die Struktur von unbekannten Verbindungen erforschen wollen. Wenn magnetische Messungen ergeben, dass Stoffe paramagnetisch sind, dann besitzen diese immer ungepaarte Elektronen und sind fast immer reaktiver als ähnliche Stoffe mit vollständig besetzten Elektronenschalen.

Zu den paramagnetischen Stoffen gehört überraschenderweise auch molekularer Sauerstoff. Nach der einfachen Vorstellung, dass die beiden Sauerstoffatome durch zwei Elektronenpaare in einer Doppelbindung im Molekül miteinander verbunden sind, sollte man Diamagnetismus erwarten. Der Paramagnetismus des Sauerstoffmoleküls kann aber mittels der MO-Bindungstheorie erklärt werden.

Ein weiterer Grund, warum wir den Paramagnetismus im Alltag kaum wahrnehmen ist die Tatsache, dass die thermische Bewegung der Atome, Ionen und Moleküle einer gemeinsamen Ausrichtung der Elektronen in eine Richtung entgegenwirkt. Nur bei einigen wenigen Stoffen treten die Elektronen der Atome bei Raumtemperatur in Wechselwirkungen miteinander und ordnen sich von selbst parallel zueinander an. Durch diese parallele Anordnung vieler Elektronen in sogenannten Weissschen Bezirken von ungefähr 0,1 mm Durchmesser addieren sich die magnetischen Momente der einzelnen Elektronen. Legt man jetzt ein starkes äußeres Magnetfeld an, richten sich alle Weissschen Bezirke in dessen Richtung aus und verstärken es beträchtlich. Diese Anordnung bleibt teilweise erhalten, wenn das äußere Feld abgeschaltet wird und der Stoff bleibt dauerhaft magnetisch (Bild 3).

Da dauermagnetische Eigenschaften schon in der Antike bei verunreinigtem Eisen und Eisenverbindungen (, Magneteisenerz oder Magnetit) beobachtet wurden, bezeichnet man diese Erscheinung als Ferromagnetismus. Auch Nickel, Cobalt und einige Metall-Legierungen weisen bei Raumtemperatur ferromagnetische Eigenschaften auf und können magnetisiert werden. Oberhalb einer bestimmten Temperatur wird die thermische Bewegung der Atome jedoch zu stark und die Ferromagneten werden zu Paramagneten. Umgekehrt können viele Paramagneten unterhalb einer kritischen Temperatur zu Ferromagneten werden. Diese Temperatur heißt zu Ehren des französischen Physikers PIERRE CURIE die CURIE-Temperatur (Bild 4).

Der Ferromagnetismus setzt viel stärkere Kräfte frei als der Paramagnetismus und wird daher meist im Zusammenspiel mit Elektromagneten vielfach in der Praxis genutzt. Als Dauermagneten sind jedoch nicht alle Ferromagneten geeignet, weil sich die parallele Anordnung der Weissschen Bezirke beispielsweise bei reinem Eisen sehr schnell wieder verliert. Diesen Effekt kennt jeder, der einen Eisennangel schon einmal magnetisiert hat: Trennt man den Nagel vom Magneten, dann bleibt der Nagel nur wenige Sekunden magnetisch.

Bessere Dauermagneten sind speziell behandelte Gemische aus Eisen-, Barium- und Strontiumoxiden (Ferritmagnete) und die Legierung AlNiCo, die aus den Metallen Aluminium, Nickel und Cobalt besteht. Besonders stark sind Dauermagneten aus Legierungen, die Lanthanoide (z. B. Samarium oder Neodymium) oder Actinoide enthalten.

Anwendungen von Magneten
Die bekannteste Anwendung von Dauermagneten ist wohl die Kompassnadel. Die Kompassnadel besteht aus einer ferromagnetischen Legierung, die sich nach dem Magnetfeld der Erde ausrichtet. Dieses Magnetfeld resultiert daher, dass die Erde im Innern einen festen Kern aus Eisen enthält, der durch seine Rotation ein Magnetfeld erzeugt.

Um 1820 fanden Physiker heraus, dass Kompassnadeln auch durch stromdurchflossene elektrische Leitungen beeinflusst werden. Auch hier erzeugen bewegte Elektronen ein magnetisches Feld. Auf der Basis dieser Entdeckung entwickelte man Elektromagneten, die im einfachen Fall aus einem Eisenkern bestehen, um den der stromdurchflossene Leiter, z. B. ein Kupferdraht gewickelt wird. Die Funktion des ferromagnetischen Kerns besteht in erster Linie darin, dass durch den Stromfluss erzeugte Feld noch zu verstärken.

Derartige Elektromagneten werden für viele Zwecke verwendet. Mit ihrer Hilfe erfolgt die Stromerzeugung in Kraftwerken (Generatorprinzip), aber auch in Elektromotoren wird die Energie mithilfe von Magneten in mechanische Arbeit umgewandelt. Antennen, Lautsprecher, Klingeln, Fernseher, Personalcomputer und viele andere Gegenstände des täglichen Bedarfs würden ohne Elektromagneten bzw. ohne ferromagnetische Materialien nicht funktionieren (Bild 5).

Auch bei der NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklärung organischer Verbindungen, bei der Magnetresonanztomografie in der medizinischen Diagnostik und beim Speichern von Daten auf der Festplatte geht es ohne Magnetismus nicht.