Wenn man einen Körper in ein Magnetfeld bringt, wird sich das Feld im Körper verstärken oder verringern. Je nachdem spricht von von Diamagnetismus oder Paramagnetismus – ein entsetzlich langweiliges Teilgebiet der Physik, aber ich glaube ich habe doch einen Weg gefunden es ein wenig interessanter darzustellen.
Im kxcd-Erlebnispark hat Besitzer Mandall Runroe vor kurzem einige Änderungen an den Attraktionen und Fahrgeschäften vornehmen lassen, um den Spaß seiner Besucher noch weiter zu erhöhen. Jetzt will er überprüfen, ob das gewirkt hat.
Gleich am Kettenkarussel trifft er auf sein Hauptproblem: Der kxcd-Erlebnispark richtet sich vor allem an Kinder von Internet-Geeks. Kleine, blasse Geschöpfe, die kaum den Blick von ihrem iPhone aufrichten möchten und vor allem Angst haben, was sich dreht oder bewegt. Und so zwängen sich die Horden ängstlich blickender auf das Kettenkarussel und erwarten sehnsüchtig das Ende der Fahrt. Aber aufgepasst, Runroe wird ihnen das Lachen schon ins Gesicht zaubern, hat er den Fahrer des Karussels doch angewiesen noch einen Zahn zuzulegen. Und schon bald wirbeln die Kinder höher und schneller als je zuvor umher, aber das Schreien und Wehklagen lässt nur einen Schluss zu: Ohje, der Spaßfaktor ist gesunken.
Der Physiker betreibt keinen Erlebnispark, und er braucht auch kein Karussel, denn seine Elektronen drehen sich von selbst (solange wir ein bißchen klassisch bleiben) in ihren Schalen. Ein Elektron trägt eine elektrische Ladung, und bewegte Ladungen erzeugen Magnetismus. Jetzt sind Elektronen wie die Kinder, die nicht schneller fahren wollen: Aber immerhin können sie sich wehren. Denn legt man von außen ein Magnetfeld an, werden sie soweit es geht ihre Bahn ein wenig verändern und dadurch ein Magnetfeld erzeugen, das dem äußeren Feld entgegenwirkt. Jeder Festkörper ist so, es wird immer ein solcher Diamagnetismus vorliegen, der aber vom Paramagnetismus übertrumpft werden kann.
Bei der nächsten Attraktion hat Runroe mehr Geschick bewiesen: Er hatte doch angeregt, die Achterbahnwagen nicht mehr so zu füllen, dass ein Kind neben seinem Vater saß, sondern nur ein Kind alleine im Wagen fuhr. Früher hockten zwei nebeneinander – und am höchsten Punkt packte es das Kind und er riss die Arme hoch und schrie vor Glück in die Kamera. Aber was brachte das schon? Immer wenn man dann hinterher die Bilder am Fotostand betrachtete, saß daneben ein grüngesichtiger Informatiker oder Physiker, dem die Tränen in den Augen standen und der den ganzen Eindruck zunichte machte.
Aber jetzt! Seit nur nur ein Kind pro Wagen mitfährt, kann er viel öfter sehen wie sein ganzer Stolz, die Doppellooping-Achterbahn, ihre Wirkung zeigte. Jetzt kann er am Fotostand lachende Kinder und lachende Eltern sehen, die auch fleißig Erinnerungsfotos kaufen.
Wegen dem Pauli-Prinzip können nie zwei Elektronen im gleichen Zustand liegen, also auf der gleichen Bahn mit den gleichen elektromagnetischen Eigenschaften. Aber im einfachsten Fall können sie sich in der magnetischen Eigenschaft des Spin, der jedem Elektron innewohnt, unterscheiden. Dann passen z.B. in den Grundzustand zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin. Nur – dadurch gleicht sich der Gesamtausdruck genau aus, und das gesamte Atom als solches hat kein magnetisches Moment. Lässt man aber einen Platz auf der äußersten Schale frei, ergibt sich in der Summe ein magnetisches Moment des Atom – und das wird sich im äußeren Magnetfeld in die Richtung des Magnetfeldes drehen und dadurch das Magnetfeld verstärken. Das nennt man Paramagnetismus, und er tritt eben nur bei manchen Elementen auf, wenn die Schalen passend unbesetzt sind. Er überdeckt durch seine Stärke in diesem Fall den Diamagnetismus.
Plötzlich Stromausfall – Runroe bleibt das Herz vor Schreck einen Moment stecken. Aber weit gefehlt, statt Massenpanik hört er von überall Lachen. Die Kinder, die am höchsten Punkt der Achterbahn steckengeblieben sind, jauchzen und winken. Aus der Geisterbahn klingt Lachen und Ächzen – die Besucher erschrecken sich einfach gegenseitig und haben den größten Spaß.
Bleibt noch die Frage: Was ist Ferromagnetismus? Dieser ist es, der in den bekannten Magneten vorkommt, also z.B. Eisen. Dieser ist eine Art Super-Paramagnetismus, denn die Moment richten sich nicht nur einfach so aus, sondern bleiben auch so stehen nachdem man das äußere Magnetfeld entfernt hat. Daher behält ein Eisenstück seinen Magnetismus noch, nachdem man ihn mit einem Stabmagnet angezogen hat.
Wenn wir etwas physikalischer hineinsehen, dann gibt es sogenannte Weiß’sche Bezirke im Ferromagnet. Auch ohne Magnetfeld sind in einem dieser Bereiche alle Spins gleich ausgerichtet, einfach weil spezielle Bedingungen vorliegen die das energetisch günstig machen. Aber von außen sind im Mittel die Bereiche ungeordnet, das heißt die Richtungen sind zwar pro Bereich gleich, aber unterscheiden sich unter den Bezirken so, dass z.B. das Eisen nicht per se ein Magnet ist. Erst wenn man es in ein Magnetfeld einbringt, richten sich alle Bezirke gleich aus, und auch wenn man das äußere Feld wegnimmt, bleiben die Bezirke noch eine Weile ausgerichtet.
Permanentmagnete lassen sich nur äußerst ungerne wieder zurückdrehen. Hier gibt es bestimmte Legierungen, die besonders dafür geeignet sind – Ferrite z.B., Eisen weniger. Ja, es gibt sogar natürliche Magneten wie den Magnetit, hier reicht das Erdmagnetfeld zur Ausrichtung.
Zum Mitnehmen:
Es gibt zwei entgegengesetzte Arten von Magnetismus. Der Diamagnetismus stammt aus dem Drang der Elektronen, jedem äußeren Magnetfeld ein eigenes entgegenzusetzen. Der Paramagnetismus kommt nur vor, wenn ein Atom unbesetzte Schalen aufweist, dann aber richten sich die Atome im Magnetfeld aus und verstärken es. Ferromagnete sind starke Paramagnete, die die Ausrichtung auch nach Entfernen des äußeren Feldes beibehalten können.
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