Magnetischer Dipol

Magnetischer Dipol

Ein magnetischer Dipol ist die einfachste beobachtete Form, in der Magnetismus auftritt. Alle komplizierteren magnetischen Strukturen lassen sich aus Dipolen zusammensetzen.

Abwesenheit magnetischer Ladungen

Magnetische Feldlinien haben keine Enden. Das magnetische Feld ist immer quellenfrei, d. h. divergenzfrei.

Über magnetische Monopole (analog zu einzelnen positiven oder negativen elektrischen Ladungen) wird spekuliert, es konnten aber bisher keine entdeckt werden.[Anm. 1] Zwar können bei handelsüblichen Stab- oder Hufeisenmagneten wie auch bei langen Magnetspulen die beiden Enden einzeln als magnetischer Nord- bzw. Südpol angesprochen werden. Beim Versuch, die Pole eines Magneten voneinander zu trennen, indem man ihn in der Mitte auseinanderbricht, ergibt sich aber an der Schnittstelle je ein neuer Nord- und Südpol, sodass jedes Bruchstück wieder einen Dipol bildet.

Vorkommen und Bedeutung magnetischer Dipole

Magnetfeldlinien, die durch einen elektrischen Strom in einer kreisförmigen Leiterschleife (dargestellt in grau) erzeugt werden.

Nach der klassischen Elektrodynamik kann ein magnetisches Dipolfeld von einem Kreisstrom $ I $ erzeugt werden, der eine Fläche $ \vec{\Omega} $ umfließt. Sein magnetisches Dipolmoment $ \vec{\mu} $ ist:

$ \vec{\mu} = I \vec{\Omega} $

Außerdem sind alle bisher bekannten Elementarteilchen, sofern sie elektrisch geladen sind und einen von Null verschiedenen Eigendrehimpuls (Spin) haben, auch magnetische Dipole mit einem je nach Teilchenart unterschiedlichen Dipolmoment. Dazu gehören Quarks und Elektronen und damit auch die meisten daraus aufgebauten Atomkerne und Atome. Diese Dipole sind wichtig in der Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik.

Die Beobachtung der Richtungsquantelung, nach der ein elementares Dipolmoment zu einem äußeren Magnetfeld nur bestimmte Winkel annehmen kann, hat wesentlich zur Aufklärung der Struktur von Teilchen und Atomen beigetragen. Siehe dazu: magnetisches Moment von Teilchen und Kernen, Stern-Gerlach-Versuch, normaler und anomaler Zeeman-Effekt, Kern- und Elektronenspinresonanz.

Feld des Dipols

Ein magnetischer Dipol erzeugt ein Magnetfeld, an einem Ort $ \vec{r} $ in größerer Entfernung gegeben durch die magnetische Flussdichte

$ \vec{B}(\vec{r})\,=\,\frac{\mu_0}{4 \pi r^2}\,\frac{3\vec{r}(\vec{\mu}\cdot\vec{r}) - \vec{\mu}r^2}{r^3}\ . $

$ r $ ist dabei der Betrag $ |\vec{r}| $ von $ \vec{r} $, $ \mu_0 $ ist die magnetische Feldkonstante und $ 4\pi r^2 $ ist die Kugeloberfläche im Abstand $ r $.

Diese Formel gilt unabhängig von der Form und der Größe der Stromschleife, der Magnetspule, des Stabmagneten oder des Atoms, wenn $ r $ groß gegenüber deren räumlicher Ausdehnung ist.

In einem äußeren magnetischen Feld $ \vec{B} $ wirkt auf einen magnetischen Dipol das Drehmoment

$ \vec{M} = \vec{\mu} \times \vec{B} , $

und er hat eine vom Winkel zur Feldrichtung abhängige potentielle Energie

$ E_{\mathrm{pot}} = -\vec{\mu} \cdot \vec{B} . $

Ist das Feld inhomogen, wirkt in erster Ordnung[1] die Kraft

$ \vec F = \left(\vec \nabla \otimes \vec B\right) \vec \mu $

mit dem Nabla-Operator $ \nabla $.

Die magnetischen Eigenschaften eines Stücks Materie werden durch die magnetischen Dipole bestimmt, die darin mit konstanter Größe schon vorhanden sind (so bei Ferro-, Antiferro- und Paramagnetismus) oder erst beim Einschalten des Feldes erzeugt werden (Diamagnetismus).

Anmerkung

  1. Magnetische Monopole als Elementarteilchen sind nicht grundsätzlich ausgeschlossen, sie werden von einigen großen vereinheitlichten Theorien vorhergesagt. In bestimmten Festkörpern sind scheinbare „magnetische Monopole“ als Quasiteilchen nachgewiesen worden (siehe Weblinks); dabei treten aber stets gleich viele und gleich starke Nord- und Südpole auf.

Einzelnachweise

  1. Wolfgang Nolting: Grundkurs Theoretische Physik 3. Kapitel 3.3.2. 8. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, ISBN 978-3-540-71251-0.

Literatur

  • Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main, 2000, ISBN 3-8171-1628-4.

Diese Artikel könnten dir auch gefallen



Die letzten News


07.04.2021
Myon g-2: Kleines Teilchen mit großer Wirkung
Das Myon g-2-Experiment des Fermilab in den USA steht vor einem Sensationsmoment, der die Geschichte der Teilchenphysik neu schreiben könnte. Und vielleicht sogar Hinweise auf noch unbekannte Teilchen im Universum gibt.
02.04.2021
Zwei merkwürdige Planeten
Uranus und Neptun habe beide ein völlig schiefes Magnetfeld.
02.04.2021
Der erste interstellare Komet könnte der ursprünglichste sein, der je gefunden wurde
Neue Beobachtungen mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) deuten darauf hin, dass der abtrünnige Komet 2I/Borisov einer der ursprünglichsten ist, die je beobachtet wurden.
02.04.2021
Erstmals Atominterferometer im Weltraum demonstriert
Atominterferometer erlauben hochpräzise Messungen, indem sie den Wellencharakter von Atomen nutzen. Sie werden zum Beispiel für die Vermessung des Schwerefelds der Erde eingesetzt oder um Gravitationswellen aufzuspüren. Weitere Raketenmissionen sollen folgen.
02.04.2021
Sendungsverfolgung für eine Quantenpost
Quantenkommunikation ist abhörsicher, aber bislang nicht besonders effizient.
25.03.2021
Astronomen bilden Magnetfelder am Rand des Schwarzen Lochs von M 87 ab
Ein neuer Blick auf das massereiche Objekt im Zentrum der Galaxie M 87 zeigt das Erscheinungsbild in polarisierter Radiostrahlung.
24.03.2021
Die frühesten Strukturen des Universums
Das extrem junge Universum kann nicht direkt beobachtet werden, lässt sich aber mithilfe mathematischer Theorien rekonstruieren.
24.03.2021
Können Sternhaufen Teilchen höher beschleunigen als Supernovae?
Ein internationales Forschungsteam hat zum ersten Mal gezeigt, dass hochenergetische kosmische Strahlung in der Umgebung massereicher Sterne erzeugt wird. Neue Hinweise gefunden, wie kosmische Strahlung entsteht.
24.03.2021
Neue Resultate stellen physikalische Gesetze in Frage
Forschende der UZH und des CERN haben neue verblüffende Ergebnisse veröffentlicht.
21.03.2021
Elektronen eingegipst
Eine scheinbar einfache Wechselwirkung zwischen Elektronen kann in einem extremen Vielteilchenproblem zu verblüffenden Korrelationen führen.
21.03.2021
Chromatischer Lichtteilcheneffekt für die Entwicklung photonischer Quantennetzwerke enthüllt
Es ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung. In einem Schlüsselexperiment ist es gelungen, die bislang definierten Grenzen für Photonenanwendungen zu überschreiten.
18.03.2021
Stratosphärische Winde auf Jupiter erstmals gemessen
Mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hat ein Team von Astronomen zum ersten Mal die Winde in der mittleren Atmosphäre des Jupiters direkt gemessen.
18.03.2021
Was Gravitationswellen über Dunkle Materie verraten
Die NANOGrav-Kollaboration hat kürzlich erste Hinweise auf sehr niederfrequente Gravitationswellen beobachtet.
18.03.2021
Filamente des kosmischen Netzwerks entdeckt
Einem internationalen Team von Astronominnen und Astronomen gelang zum ersten Mal die direkte Kartierung kosmischer Filamente im jungen Universum, weniger als zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall. Die Beobachtungen zeigen sehr leuchtschwache Galaxien, und geben Hinweise auf deren Vorfahren.
18.03.2021
Blaupausen für das Fusionskraftwerk
Am 21 März 1991 erzeugte die Experimentieranlage ASDEX Upgrade im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching das erste Plasma.
12.03.2021
Was die reflektierte Strahlung von Exoplaneten verraten könnte
Als 1995 der erste Planet außerhalb unseres Sonnensystems gefunden wurde, war das eine Sensation, die später mit dem Physik-Nobelpreis gewürdigt wurde.
12.03.2021
Theoretische Lösung für Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit
Wenn Reisen zu fernen Sternen innerhalb der Lebenszeit eines Menschen möglich sein sollen, muss ein Antrieb gefunden werden, der schneller als Lichtgeschwindigkeit ist.
12.03.2021
Quantenkontrolle mit Fernbedienung
Quantentechnologien basieren auf der präzisen Kontrolle des Zustands und der Wechselwirkung einzelner Quantenteilchen.
12.03.2021
Wie Gesteine die Bewohnbarkeit von Exoplaneten beeinflussen
Die Verwitterung von Silikatgesteinen trägt massgeblich dazu bei, dass auf der Erde ein gemässigtes Klima herrscht.
12.03.2021
Roboter lernen schneller mit Quantentechnologie
Künstliche Intelligenz ist Teil unseres modernen Lebens und eine entscheidende Frage für praktische Anwendungen ist, wie schnell solche intelligenten Maschinen lernen können.
11.03.2021
Mikroskopisch kleine Wurmlöcher als theoretische Möglichkeit
In vielen Science-Fiction-Filmen spielen Wurmlöcher eine wichtige Rolle – als Abkürzung zwischen zwei weit entfernten Orten des Weltalls.
09.03.2021
Das am weitesten entfernte Radio-Leuchtfeuer im frühen Universum
Quasare sind die hellen Zentren von Galaxien, die von schwarzen Löchern angetrieben werden, und aktiv Materie ansammeln.
06.03.2021
Eine nahe, glühend heiße Super-Erde
In den vergangenen zweieinhalb Jahrzehnten haben Astronomen Tausende von Exoplaneten aus Gas, Eis und Gestein aufgespürt.
06.03.2021
Vulkane könnten den Nachthimmel dieses Planeten erhellen
Bisher haben Forschende keine Anzeichen auf globale tektonische Aktivität auf Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems gefunden.
03.03.2021
„Ausgestorbenes Atom“ lüftet Geheimnisse des Sonnensystems
Anhand des „ausgestorbenen Atoms“ Niob-92 konnten Forscherinnen Ereignisse im frühen Sonnensystem genauer datieren als zuvor.