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Physikalische GrosseName Magnetisches DipolmomentFormelzeichen m m displaystyle vec m vec mu Grossen undEinheitensystem Einheit DimensionSI A m2 J T I L2Gauss emE cgs erg Gs abA cm2 L5 2 M1 2 T 1esE cgs statA cm2 L3 2 M1 2 T 2Das magnetische Dipolmoment oder magnetische Moment m displaystyle vec m ist in der Physik ein Vektor dessen Mass die Starke eines magnetischen Dipols und dessen Richtung die Orientierung des Dipols angibt Die Definition ist analog der des elektrischen Dipolmoments Auf einen magnetischen Dipol wirkt in einem externen Magnetfeld der Flussdichte B displaystyle vec B ein Drehmoment Anm 1 Anm 2 t m B displaystyle vec tau vec m times vec B vom Betrag t m B sin 8 displaystyle vec tau vec m vec B sin theta im Sinn einer Drehung die den Winkel 8 displaystyle theta zwischen dem Dipol und dem Feld verringert displaystyle times Kreuzprodukt Seine potentielle Energie ist daher abhangig vom Einstellwinkel 8 displaystyle theta zwischen Feldrichtung und magnetischem Moment E pot t d 8 m B cos 8 m B displaystyle E text pot int tau mathrm d theta vec m vec B cos theta vec m cdot vec B Wichtige Beispiele sind die Kompassnadel der Stabmagnet und der Rotor im Elektromotor Inhaltsverzeichnis 1 Masseinheiten 2 Zustandekommen 2 1 Bewegte Ladungen 2 1 1 Elektrischer Strom 2 1 2 Ebene Leiterschleife 2 1 3 Stromdurchflossene lange Spule 2 1 4 Geladenes Teilchen auf einer Kreisbahn 2 1 4 1 Klassisch 2 1 4 2 Quantenmechanisch 2 2 Intrinsisches magnetisches Moment von Teilchen 2 2 1 Elementarteilchen mit Spin 2 2 2 Kombination aus Bahndrehimpuls und Spin 3 Magnetisches Feld eines magnetischen Dipols 4 Kraft und Momentwirkung zwischen magnetischen Dipolen 4 1 Kraftwirkung zwischen zwei Dipolen 4 2 Drehmomentwirkung zwischen zwei Dipolen 5 Literatur 6 Anmerkungen 7 EinzelnachweiseMasseinheiten BearbeitenDie Masseinheit des magnetischen Moments im Internationalen Einheitensystem SI ist 1 N m T 1 J T 1 A m 2 displaystyle 1 frac mathrm Nm mathrm T 1 frac mathrm J mathrm T 1 mathrm A cdot mathrm m 2 nbsp Manchmal wird das Produkt aus m displaystyle vec m nbsp und der magnetischen Feldkonstante m 0 displaystyle mu 0 nbsp verwendet Anm 2 dieses hat die SI Einheit N m2 A T m3 Im Gaussschen cgs System ist die Einheit Erg Gauss erg G fruher als e m u electromagnetic unit bezeichnet Zustandekommen BearbeitenEin magnetisches Moment kann zwei Ursachen haben bewegte elektrische Ladungen elektrischer Strom Eigendrehimpuls Spin elektrisch geladener ElementarteilchenBewegte Ladungen Bearbeiten Elektrischer Strom Bearbeiten Eine raumliche Stromdichteverteilung ȷ r displaystyle vec jmath vec r nbsp hat ein magnetisches Moment m 1 2 d 3 r r ȷ r displaystyle vec m frac 1 2 int mathrm d 3 r left vec r times vec jmath vec r right nbsp Ebene Leiterschleife Bearbeiten nbsp Magnetisches Dipolmoment einer stromumflossenen FlacheFur eine geschlossene Leiterschleife ist das Volumenintegral der Stromdichte gleich dem Wegintegral der Stromstarke entlang der Leiterschleife ȷ r d 3 r I d r displaystyle int vec jmath vec r mathrm d 3 r int I mathrm d vec r nbsp Damit folgt fur das magnetische Dipolmoment einer stromumflossenen ebenen Flache A displaystyle vec A nbsp m I 2 r d r I A I A n A displaystyle vec m frac I 2 int vec r times mathrm d vec r I cdot vec A I cdot A cdot vec n A nbsp Der Normalenvektor auf der Flache n A displaystyle vec n A nbsp ist dabei so orientiert dass er bei gegen den Uhrzeigersinn fliessendem Strom nach oben zeigt Vereinfacht geschrieben gilt m I A displaystyle vec m I cdot A nbsp Stromdurchflossene lange Spule Bearbeiten Im Falle einer stromdurchflossenen Spule mit n displaystyle n nbsp Windungen wird das magnetische Moment um diesen Faktor verstarkt m n I A displaystyle vec m n cdot I cdot vec A nbsp Das magnetische Moment stromdurchflossener Ringleiter und Spulen ist die Grundlage fur Elektromotoren Siehe auch magnetischer Verkettungsfluss Geladenes Teilchen auf einer Kreisbahn Bearbeiten Klassisch Bearbeiten Wenn ein Teilchen mit der Masse M displaystyle M nbsp und der Ladung Q displaystyle Q nbsp sich auf einer Kreisbahn mit Radius r displaystyle r nbsp und Umlaufperiode T displaystyle T nbsp bewegt entspricht dies einem Kreisstrom I Q T displaystyle I Q T nbsp um eine Flache A p r 2 displaystyle A pi r 2 nbsp Das resultierende magnetische Moment m I A Q T p r 2 displaystyle vec m I cdot A frac Q T cdot pi r 2 nbsp ist mit dem Bahndrehimpuls L 2 p T M r 2 displaystyle L frac 2 pi T Mr 2 nbsp verknupft uber m g L displaystyle vec m gamma cdot vec L quad nbsp mit g Q 2 M displaystyle quad gamma frac Q 2M nbsp Den konstanten Faktor g Q 2 M displaystyle gamma tfrac Q 2M nbsp bezeichnet man als gyromagnetisches Verhaltnis Quantenmechanisch Bearbeiten Die obige klassische Formel gilt auch in der Quantenmechanik mit der Massgabe dass der Drehimpuls der Quantisierung unterliegt Der Betrag des Drehimpulses aufgrund der raumlichen Bewegung Bahndrehimpuls kann nur einen der Werte ℓ ℓ 1 ℏ textstyle sqrt ell ell 1 hbar nbsp mit der reduzierten Planck Konstante ℏ displaystyle hbar nbsp und der ganzzahligen Quantenzahl ℓ 0 1 2 displaystyle ell 0 1 2 ldots nbsp annehmen Zu jedem Energiezustand eines Molekuls Atoms Atomkerns oder Hadrons gehort eine wohlbestimmte Bahndrehimpulsquantenzahl Zudem ist die Komponente des Drehimpulses langs einer beliebig festgelegten Achse z B langs der Richtung des Magnetfelds immer gleich m ℏ displaystyle m hbar nbsp mit der ganzzahligen magnetischen Quantenzahl m ℓ 0 ℓ displaystyle m ell ldots 0 ldots ell nbsp Richtungsquantelung Anm 3 Entsprechend nimmt das magnetische Bahnmoment bei angelegtem Magnetfeld langs der Feldrichtung z displaystyle z nbsp nur diskrete Werte an m z m m B displaystyle vec mu z m cdot mu mathrm B quad nbsp mit der Konstante m B e ℏ 2 m e displaystyle quad mu mathrm B frac e hbar 2m mathrm e nbsp Bohrsches Magneton Intrinsisches magnetisches Moment von Teilchen Bearbeiten Elementarteilchen mit Spin Bearbeiten Elektronen und andere Teilchen haben eine unveranderliche Eigenschaft namens Spin s displaystyle vec s nbsp die einem klassisch mechanischen Eigendrehimpuls entspricht und halb oder ganzzahlige Werte s ℏ displaystyle s cdot hbar nbsp annehmen kann Anm 3 Die Spinquantenzahl des Elektrons betragt s 1 2 displaystyle s tfrac 1 2 nbsp Das zugehorige magnetische Moment m g s displaystyle vec m gamma vec s nbsp hat aber nicht den Wert 1 2 m B displaystyle tfrac 1 2 mu mathrm B nbsp wie man erwarten sollte sondern den doppelten Wert m B displaystyle mu mathrm B nbsp Diese Diskrepanz ist nur quantentheoretisch erklarbar Generell bezeichnet man die Abweichung zwischen realem und klassisch erwartetem magnetischen Moment als Lande Faktor g Fur das Elektron und alle fundamentalen Spin Teilchen ist g 2 displaystyle g 2 nbsp Anm 4 Anm 5 Beim Proton weicht der Lande Faktor deutlich von 2 ab und fur das ungeladene Neutron ist er nicht Null Beides liegt daran dass diese Teilchen nicht elementar sind ihre magnetische Momente ruhren von den Quarks her aus denen sie zusammengesetzt sind Elektronen verursachen den makroskopisch bemerkbaren Ferromagnetismus indem sie bei Elementen der Eisengruppe und der Seltenen Erden ihre Spins bzw magnetischen Momente parallel stellen Ferromagnetische Materialien werden als Dauermagneten oder als Eisenkerne in Elektromagneten und Transformatoren verwendet Kombination aus Bahndrehimpuls und Spin Bearbeiten Weisen die Teilchen zusatzlich zum Spin einen Bahndrehimpuls auf z B Elektronen die an einen Atomkern gebunden sind so ist das magnetische Moment die Summe aus m s displaystyle vec mu s nbsp dem oben betrachteten magnetischen Moment des Spins und m ℓ displaystyle vec mu ell nbsp demjenigen des Bahndrehimpulses m m s m ℓ displaystyle vec mu vec mu s vec mu ell nbsp Das gesamte magnetische Moment ist hier nicht parallel zum Gesamtdrehimpuls weil sich der Spinanteil beim magnetischen Moment anders im Fall Elektrons doppelt so stark auswirkt als beim Drehimpuls Magnetisches Feld eines magnetischen Dipols BearbeitenEin magnetischer Dipol m displaystyle vec m nbsp am Koordinatenursprung fuhrt am Ort r displaystyle vec r nbsp zu einer magnetischen Flussdichte B r m 0 4 p 3 r m r m r 2 r 5 displaystyle vec B vec r frac mu 0 4 pi frac 3 vec r vec m cdot vec r vec m r 2 r 5 nbsp Darin ist m 0 displaystyle mu 0 nbsp die magnetische Feldkonstante Ausser am Ursprung wo das Feld divergiert verschwindet uberall sowohl die Rotation als auch die Divergenz dieses Feldes Das zugehorige Vektorpotential ergibt sich zu A r m 0 4 p m r r 3 displaystyle vec A vec r frac mu 0 4 pi frac vec m times vec r r 3 nbsp wobei B A displaystyle vec B nabla times vec A nbsp ist Mit der magnetischen Feldstarke H ps displaystyle vec H nabla psi nbsp betragt das magnetische Skalarpotential ps r 1 4 p m r r 3 displaystyle psi vec r frac 1 4 pi frac vec m cdot vec r r 3 nbsp Kraft und Momentwirkung zwischen magnetischen Dipolen BearbeitenSiehe auch Dipolkraft Kraftwirkung zwischen zwei Dipolen Bearbeiten Die Kraft die von Dipol 1 auf Dipol 2 ausgeubt wird ist der Gradient der potentiellen Energie F m 2 B 1 displaystyle vec F nabla left vec m 2 cdot vec B 1 right nbsp worin B 1 displaystyle vec B 1 nbsp das von Dipol 1 erzeugte Feld am Ort von Dipol 2 ist Es ergibt sich F r m 1 m 2 3 m 0 4 p r 4 m 2 m 1 r n m 1 m 2 r n r n m 1 m 2 5 r n m 1 r n m 2 r n displaystyle vec F vec r vec m 1 vec m 2 frac 3 mu 0 4 pi r 4 left vec m 2 vec m 1 cdot vec r n vec m 1 vec m 2 cdot vec r n vec r n vec m 1 cdot vec m 2 5 vec r n vec m 1 cdot vec r n vec m 2 cdot vec r n right nbsp worin r n displaystyle vec r n nbsp der Einheitsvektor ist der von Dipol 1 zu Dipol 2 zeigt und r displaystyle r nbsp der Abstand zwischen den beiden Magneten ist Die Kraft auf Dipol 1 ist reziprok Drehmomentwirkung zwischen zwei Dipolen Bearbeiten Das Drehmoment das von Dipol 1 auf Dipol 2 ausgeubt wird ist Anm 1 t m 2 B 1 displaystyle vec tau vec m 2 times vec B 1 nbsp Das Drehmoment auf Dipol 1 ist reziprok In Anwesenheit mehrerer Dipole konnen die Krafte oder Momente vektoriell addiert werden Da weichmagnetische Werkstoffe einen feldabhangigen Dipol ausbilden sind diese Gleichungen hierfur nicht anwendbar Literatur BearbeitenJohn David Jackson Klassische Elektrodynamik Anhang uber Einheiten und Dimensionen 4 Auflage De Gruyter Berlin 2006 ISBN 3 11 018970 4 Anmerkungen Bearbeiten a b Fur das Drehmoment wird hier das Symbol t displaystyle vec tau nbsp fur englisch torque verwendet um Verwechslung mit der Masse M displaystyle M nbsp und der Magnetisierung M displaystyle vec M nbsp zu vermeiden a b In alteren Buchern z B W Doring Einfuhrung in die Theoretische Physik Sammlung Goschen Band II Elektrodynamik wird als magnetisches Moment das m 0 displaystyle mu 0 nbsp fache des hier angegebenen Wertes definiert Dann heisst es z B t m H displaystyle vec tau vec m times vec H nbsp und m displaystyle vec m nbsp ist definiert nicht als Magnetisierung durch Volumen sondern als magnetische Polarisation J m 0 M displaystyle vec J mu 0 vec M nbsp durch Volumen In Materie ist ja allgemein B m 0 H J displaystyle vec B mu 0 cdot vec H vec J nbsp und m J 0 displaystyle vec m times vec J equiv 0 nbsp wegen M m 0 M 0 displaystyle vec M times mu 0 vec M equiv 0 nbsp Alte und neue Definition sind daher voll aquivalent Die offizielle Einigung auf die neue CODATA Definition geschah 2010 a b Einer Drehimpulsquantenzahl ℓ textstyle ell nbsp entspricht nach den Regeln der Quantenmechanik ein Drehimpuls vom Betrag ℓ ℓ 1 ℏ textstyle sqrt ell ell 1 hbar nbsp Die in eine beliebige Richtung gemessene Komponente kann dabei Werte ℓ ℏ ℓ 1 ℏ ℓ 1 ℏ ℓ ℏ textstyle ell hbar ell 1 hbar cdots ell 1 hbar ell hbar nbsp annehmen Richtungsquantelung Der Drehimpuls ist ℓ ℏ textstyle ell hbar nbsp ist eine abgekurzte Sprechweise Die zugrundeliegende Beschreibung ist die Dirac Gleichung die den Faktor 2 voraussagt Aufgrund von quantenelektrodynamischen Korrekturen ist der g Faktor nicht exakt 2 sondern weicht leicht davon ab Da das Elektron negativ geladen ist liegt das magnetische Moment antiparallel zum Spin Das Vorzeichen wird aber oft nicht berucksichtigt und der g Faktor des Elektrons als positiv angegeben Praktisch wichtig ist das Vorzeichen nur dann wenn es um den Drehsinn der Larmorprazession oder das Vorzeichen der paramagnetischen Spinpolarisation geht Dementsprechend werden die Vorzeichen in der Literatur nicht ganz einheitlich gehandhabt Einzelnachweise Bearbeiten Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Magnetisches Dipolmoment amp oldid 234774758