Physik-Abi: Wie würde sich ein Dauermagnet bei 0 Kelvin verhalten?
Hallo allerseits,
ich lese gerade, dass die Grundlage von Dauermagneten in der Bewegung ihrer Elektronen besteht. Verblüffend! Dazu habe ich nun drei Fragen:
(Ich beziehe mich hierauf: http://www.elektronikinfo.de/magnete/magnet.htm)
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In dem Artikel steht, ein einzelnes Wasserstoffatom etwa besitze bereits ein Magnetfeld. Aber wie ist es um dessen Stabilität bestellt? Wäre das nicht quantenmechanisch so zu deuten, dass dieses sich gemäß der Aufenthaltswahrscheinlichkeit scheinbar andauernd ändern bzw. die Messung des Feldes die Parameter des Elektrons beeinflusst (welche genau)? Oder weiter quantenmechanisch: Durch die Aufenthaltswahrscheinlichkeit liegt doch keine klassische Bewegung mehr vor??
Und davon abgeleitet: Wenn sich das Magnetfeld ständig ändert, müsste dann nicht auch eine andauernde Induktion um mehr oder weniger nahegelegene Leiter zu beobachten sein?
Gilt dieser atomeinzelne Magnetismus (?) auch für Heliumatome und andere Stoffe höherer Ordnungszahlen? Oder liege ich hier mit meiner Vermutung richtig, dass etwa bei C die Elektronen ja für gewöhnlich keine gleichartigen Bewegung besitzen und die Magnetfelder teils gegeneinander gerichtet sind?
Meine dritte und spannendste Frage: Bei null Kelvin, so wurde mir zugetragen, stehen die Elektronen des betroffenen Atoms förmlich still. Oder eher stünden, wie ich heute weiterhin im Netz las, da der Temperaturnullpunkt nicht wirklich erreicht werden kann:
Warum nicht? Wegen der beinhalteten Energie der Elektronen und Protonen (gibt es hierfür einen Oberbegriff)? Oder ist dies quantenphysikalisch betrachtet wiederum eine redundante Untersuchung und gar erneut durch die Unschärferelation zu begründen?
Oder anders gefragt, kann ein einzelnes Neutron zum Beispiel absolut gefroren werden?
Doch zurück zu der Theorie: Wenn das Magnetfeld durch die Bewegung der Elektronen entsteht, ist meine Annahme dann korrekt, dass - theoretisch! - ein auf 0 Kelvin abgekühlter Permanentmagnet kein magnetisches Feld mehr besitzen würde? Beziehungsweise ist allgemein überhaupt ein Zusammenhang T → B denkbar?
Über eure Rückmeldungen würde ich mich sehr freuen! :-)
KnorxThieus (♂)
2 Antworten
Es ist der Spin der Elektronen, der für das Magnetfeld zuständig ist, ggf. noch ein magnetisches Moment aufgrund der "Bahndrehimpulse", aber bestimmt keine makroskopische Bewegung, die "einfrieren" kann. Im Gegenteil, weil die Störungen durch thermische Bewegung aufhören, ist ein Permanentmagnet am absoluten Nullpunkt sogar ein wenig stärker als bei höheren Temperaturen.
Als räumlich beschränktes quantenmechanisches System hat ein Elektron in einem Atom eine "Nullpunktsenergie", die unter keinen Umständen unterschritten werden kann, ohne das System zu zerstören. (Diese Zerstörung würde aber ihrerseits Energie kosten.)
1. Das Wasserstoffatom besitzt ein Magnetfeld, in erster Linie aufgrund des Spins seines Elektrons. (Auch das Proton, der Kern, hat einen Spin, aber der trägt wegen seiner großen Masse kaum zum Magnetfeld bei.) Durch die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten liegt auch keine "Bewegung" mehr vor, die ein wechselndes elektrisches Feld begründen könnte.
Bevor man entdeckt hat, dass das Elektron sich hier als quantenmechanisches Teilchen ohne klassischen Ort verhält, war es in der Tat ein Rätsel, wie es stabile Atome geben konnte - nach der klassischen Theorie des Elektromagnetismus müsste ein kreisendes Elektron in der Tat ständig ein Wechselfeld erzeugen und damit Energie abstrahlen, bis es in den Kern gefallen ist.
2. Dieser Magnetismus durch den Elektronenspin gilt für alle elektronenhaltigen Systeme - doch da Elektronen fast immer paarweise auftreten, mit entgegengesetztem Spin, heben sich die magnetischen Momente gegenseitig auf.
Nur bei ungepaarten Elektronen kann ein Netto-Moment übrigbleiben. Das nennt sich Ferromagnetismus (parallel ausgerichtete Spins der ungepaarten Elektronen - Grund: siehe Hundsche Regel), Ferrimagnetismus (die eine Richtung ist weniger stark besetzt als die andere oder die Momente stehen nicht exakt antiparallel zueinander, sondern zeigen z. B. nach NNO und SSO); wenn die ungepaarten Elektronen benachbarter Atome antiparallel zueinander stehen, spricht man von "Antiferromagnetismus".
H₂, He etc. haben nur gepaarte Elektronen, also kein magnetisches Moment nach außen.
3. Dass der absolute Nullpunkt nicht erreicht werden kann, liegt an der Thermodynamik und sonst nichts (Nernst-Theorem, manchmal "dritter Hauptsatz der Thermodynamik" genannt). Wegen der Energiequantelung kann es durchaus sein, dass sich einzelne Atomgruppen am absoluten Nullpunkt der Temperatur befinden.
(Übrigens fällt mir zum "gefrorenen Neutron" ein: man nutzt die sehr viel kleineren magnetischen Momente von Atomkernen, um den Mikrokelvin-Bereich zu erreichen und zu unterschreiten.)
Du hast gefragt, wie sich ein Magnet bei 0 Grad Kelvin verhalten würde. Ob man noch kleinere Temperaturen erzielen kann, ist da erstmal außen vor!
Sorry, merke grad, dass das blöd formuliert war. Es ging nicht darum,wie nahe man praktisch 0 Grad Kelvin kommt, sondern um die theoretische Modellierung.
Hm, ist dieser Artikel nicht schon etwas veraltet? Zumindest habe ich gelesen, dass man heute noch tausendfach kleinere Temperaturen erzielen kann, und meine Fragen beantwortet das nicht wirklich. :(