Magnetismus wird seit der Antike untersucht und ist in den letzten zwei Jahrhunderten zur Grundlage der modernen Zivilisation geworden.
Die Menschheit sammelt seit mindestens dreieinhalbtausend Jahren Wissen über magnetische Phänomene (die ersten Beobachtungen elektrischer Kräfte fanden ein Jahrtausend später statt). Vor 400 Jahren, zu Beginn der Physik, wurden die magnetischen Eigenschaften von Stoffen von den elektrischen getrennt, danach wurden beide lange Zeit unabhängig voneinander untersucht. Damit wurde eine experimentelle und theoretische Grundlage geschaffen, die Mitte des 19. Jahrhunderts zur Grundlage einer einheitlichen Theorie elektromagnetischer Phänomene wurde, in der höchstwahrscheinlich die ungewöhnlichen Eigenschaften des natürlichen Minerals Magnetit (magnetisches Eisenerz, Fe3O4) bekannt waren Mesopotamien bereits in der Bronzezeit. Und nach dem Aufkommen der Eisenmetallurgie war es unmöglich zu übersehen, dass Magnetit Eisenprodukte anzieht. Schon der Vater der griechischen Philosophie Thales aus Milet (ca. 640-546 v. Chr.) machte sich Gedanken über die Gründe für eine solche Anziehungskraft, die er mit der besonderen Belebung dieses Minerals erklärte (Thales wusste auch, dass auf Wolle geriebener Bernstein trockene Blätter und kleine Späne anzieht, und verlieh ihm daher geistige Kraft). Spätere griechische Denker sprachen von unsichtbaren Dämpfen, die Magnetit und Eisen umhüllen und sie anziehen. Es überrascht nicht, dass das Wort „Magnet“auch griechische Wurzeln hat. Höchstwahrscheinlich geht er auf den Namen Magnesia-u-Sipila zurück, einer Stadt in Kleinasien, in deren Nähe Magnetit abgelagert wurde. Der griechische Dichter Nicander erwähnte den Hirten Magnis, der neben dem Felsen war, der die eiserne Spitze seines Stabes zog, aber das ist aller Wahrscheinlichkeit nach nur eine schöne Legende.
Auch das alte China interessierte sich für natürliche Magnete. Die Fähigkeit von Magnetit, Eisen anzuziehen, wird in der Abhandlung „Spring and Autumn Records of Master Liu“aus dem Jahr 240 v. Chr. Erwähnt.e. Ein Jahrhundert später bemerkten die Chinesen, dass Magnetit weder Kupfer noch Keramik angreift. Im 7.-8. Jahrhundert fanden sie heraus, dass sich eine frei schwebende magnetisierte Eisennadel zum Nordstern dreht. In der Folge tauchten in China in der zweiten Hälfte des 11. Jahrhunderts echte Marinekompasse auf, die europäische Seefahrer hundert Jahre später beherrschten. Etwa zur gleichen Zeit entdeckten die Chinesen, dass eine magnetisierte Nadel von Osten nach Norden zeigt, und entdeckten damit die magnetische Deklination, weit vor europäischen Seefahrern in dieser Angelegenheit, die erst im 15. Jahrhundert zu diesem Schluss kamen.
In einem Ferromagneten richten sich die intrinsischen magnetischen Momente der Atome parallel aus (die Energie einer solchen Ausrichtung ist minimal). Als Ergebnis werden magnetisierte Bereiche gebildet, Domänen sind mikroskopisch kleine (10-4-10-6 m) Permanentmagnete, die durch Domänenwände getrennt sind. In Abwesenheit eines äußeren Magnetfelds sind die magnetischen Momente der Domänen in einem Ferromagneten zufällig orientiert; in einem äußeren Feld beginnen sich die Grenzen zu verschieben, sodass Domänen mit feldparallelen Momenten alle anderen verdrängen - der Ferromagnet ist es magnetisiert.
Die Geburt der Wissenschaft des Magnetismus
Die erste europäische Beschreibung der Eigenschaften natürlicher Magnete stammt von dem Franzosen Pierre de Maricourt. 1269 diente er in der Armee des Königs von Sizilien, Karl von Anjou, der die italienische Stadt Lucera belagerte. Von dort schickte er einem Freund in der Picardie ein Dokument, das als „Brief über den Magneten“(Epistola de Magnete) in die Wissenschaftsgeschichte einging, wo er über seine Experimente mit magnetischem Eisenerz berichtete. Marikur bemerkte, dass es in jedem Magnetitstück zwei Bereiche gibt, die Eisen besonders stark anziehen. Er sah eine Parallele zwischen diesen Zonen und den Polen der Himmelskugel und entlehnte ihre Namen den Bereichen maximaler magnetischer Kraft – deshalb sprechen wir jetzt von den magnetischen Nord- und Südpolen. Wenn Sie ein Stück Magnetit in zwei Teile brechen, schreibt Marikur, hat jedes Fragment seine eigenen Pole. Marikur bestätigte nicht nur, dass zwischen Magnetitstücken sowohl Anziehung als auch Abstoßung entstehen (dies war bereits bekannt), sondern brachte diesen Effekt erstmals mit der Wechselwirkung zwischen entgegengesetzten (Nord- und Süd-) oder ähnlichen Polen in Verbindung.
Viele Wissenschaftshistoriker betrachten Marikur als unbestrittenen Pionier der europäischen Experimentalwissenschaft. Jedenfalls wurden seine Notizen zum Magnetismus in Dutzenden von Listen veröffentlicht, und nach dem Aufkommen des Drucks wurden sie als separate Broschüre veröffentlicht. Sie wurden bis ins 17. Jahrhundert von vielen Naturforschern mit Respekt zitiert. Dieses Werk war dem englischen Naturforscher und Arzt (Arzt der Königin Elizabeth und ihres Nachfolgers James I.) William Gilbert bekannt, der 1600 (wie erwartet in lateinischer Sprache) ein wunderbares Werk „On the magnet, magnetic bodies and the large Magnet - die Erde . In diesem Buch lieferte Gilbert nicht nur praktisch alle bekannten Informationen über die Eigenschaften von natürlichen Magneten und magnetisiertem Eisen, sondern beschrieb auch seine eigenen Experimente mit einer Magnetitkugel, mit deren Hilfe er die Grundzüge des Erdmagnetismus nachstellte. So entdeckte er zum Beispiel, dass die Kompassnadel an beiden Magnetpolen einer solchen „kleinen Erde“(lat. terrella) senkrecht zu ihrer Oberfläche, am Äquator – parallel und in mittleren Breiten – in einer Zwischenposition steht. So simulierte Hilbert die magnetische Neigung, deren Existenz in Europa seit mehr als einem halben Jahrhundert bekannt war (1544 wurde dieses Phänomen erstmals von dem Nürnberger Mechaniker Georg Hartmann beschrieben).
Revolution in der Navigation. Der Kompass hat die Seenavigation revolutioniert und macht weltweites Reisen nicht zu einem isolierten Ereignis, sondern zu einer vertrauten Routine.
Gilbert bildete an seinem Modell die geomagnetische Deklination nach, die er auf die nicht ganz glatte Oberfläche der Kugel zurückführte (und erklärte daher diesen Effekt im planetarischen Maßstab durch die Anziehungskraft der Kontinente). Er entdeckte, dass stark erhitztes Eisen seine magnetischen Eigenschaften verliert, aber beim Abkühlen werden sie wiederhergestellt. Schließlich unterschied Gilbert als erster klar zwischen der Anziehungskraft eines Magneten und der Anziehungskraft von geriebenem Bernstein, die er elektrische Kraft nannte (vom lateinischen Namen für Bernstein, Elektron). Im Allgemeinen war es ein äußerst innovatives Werk, das sowohl von Zeitgenossen als auch von Nachkommen geschätzt wurde. Hilberts Aussage, dass die Erde als „großer Magnet“betrachtet werden sollte, wurde zur zweiten grundlegenden wissenschaftlichen Schlussfolgerung über die physikalischen Eigenschaften unseres Planeten (die erste war die Entdeckung seiner Sphärizität, die in der Antike gemacht wurde).
Zwei Jahrhunderte Pause
Nach Hilbert machte die Wissenschaft des Magnetismus bis Anfang des 19. Jahrhunderts nur sehr geringe Fortschritte. Was in dieser Zeit geleistet wurde, kann man buchstäblich an den Fingern abzählen. 1640 erklärte Galileos Schüler Benedetto Castelli die Anziehungskraft von Magnetit durch das Vorhandensein vieler winziger magnetischer Partikel in seiner Zusammensetzung – die erste und sehr unvollkommene Vermutung, dass die Natur des Magnetismus auf atomarer Ebene gesucht werden sollte. Der Niederländer Sebald Brugmans bemerkte 1778, dass Wismut und Antimon sich an den Polen einer Magnetnadel abstoßen – das war das erste Beispiel für ein physikalisches Phänomen, das Faraday 67 Jahre später Diamagnetismus nannte. 1785 zeigte Charles-Augustin Coulomb durch Präzisionsmessungen an einer Torsionswaage, dass die Wechselwirkungskraft magnetischer Pole umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstands ist - genau wie die Wechselwirkungskraft zwischen elektrischen Ladungen (1750 der Engländer John Michell kam zu einem ähnlichen Schluss, aber der Coulomb-Schluss ist viel zuverlässiger).
Aber das Studium der Elektrizität hat sich in jenen Jahren sprunghaft entwickelt. Es ist nicht schwer, dies zu erklären. Die einzigen primären Quellen magnetischer Kraft blieben natürliche Magnete – andere kannte die Wissenschaft nicht. Ihre Leistung ist stabil, sie kann weder verändert (es sei denn, sie kann durch Erhitzen zerstört werden), geschweige denn beliebig erzeugt werden. Es ist klar, dass dieser Umstand die Möglichkeiten der Experimentatoren stark einschränkte.
Elektrizität war in einer viel vorteilhafteren Position - weil sie gewonnen und gespeichert werden konnte. Der erste Generator statischer Ladungen wurde 1663 vom Magdeburger Bürgermeister Otto von Guericke gebaut (auch die berühmten Magdeburger Halbkugeln stammen von ihm). Ein Jahrhundert später waren solche Generatoren so weit verbreitet, dass sie sogar auf Empfängen der High Society vorgeführt wurden. 1744 erfanden der Deutsche Ewald Georg von Kleist und wenig später der Niederländer Pieter van Muschenbroek das Leidener Gefäß, den ersten elektrischen Kondensator; Gleichzeitig erschienen die ersten Elektrometer. Infolgedessen wusste die Wissenschaft Ende des 18. Jahrhunderts viel mehr über Elektrizität als zu ihren Anfängen. Aber das Gleiche kann man nicht über Magnetismus sagen.
Und dann änderte sich alles. Im Jahr 1800 erfand Alessandro Volta die erste chemische Quelle für elektrischen Strom – eine galvanische Batterie, auch bekannt als voltaische Säule. Danach war die Entdeckung eines Zusammenhangs zwischen Elektrizität und Magnetismus eine Frage der Zeit. Sie hätte bereits im nächsten Jahr stattfinden können, als der französische Chemiker Nicolas Gautero bemerkte, dass sich zwei parallel verlaufende stromführende Drähte anziehen. Doch weder er noch der große Laplace noch der bemerkenswerte Experimentalphysiker Jean-Baptiste Biot, der dieses Phänomen später beobachtete, maßen ihm irgendeine Bedeutung bei. Priorität hatte daher zu Recht der Wissenschaftler, der schon vor langer Zeit die Existenz einer solchen Verbindung vermutete und viele Jahre damit verbrachte, danach zu suchen.
Von Kopenhagen nach Paris
Jeder hat die Märchen und Geschichten von Hans Christian Andersen gelesen, aber nur wenige wissen, dass der zukünftige Autor von „Der nackte König“und „Däumelinchen“als 14-jähriger Teenager nach Kopenhagen kam ein Freund und Förderer in Person seines doppelten Namensgebers, eines ordentlichen Professors für Physik und Chemie an der Universität Kopenhagen Hans Christian Oersted. Und beide verherrlichten ihr Land in der ganzen Welt.
Vielf alt von Magnetfeldern Ampère untersuchte die Wechselwirkung zwischen parallelen Leitern mit Strom. Seine Ideen wurden von Faraday entwickelt, der das Konzept der magnetischen Kraftlinien vorschlug.
Oersted versuchte seit 1813 ganz bewusst, eine Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus herzustellen (er war ein Anhänger des großen Philosophen Immanuel Kant, der glaubte, dass alle Naturkräfte eine innere Einheit haben). Oersted benutzte Kompasse als Anh altspunkte, aber lange vergeblich. Oersted erwartete, dass die magnetische Stärke des Stroms parallel zu sich selbst sein würde, und um ein maximales Drehmoment zu erh alten, platzierte er den elektrischen Draht senkrecht zur Kompassnadel. Natürlich reagierte der Pfeil nicht auf die Aufnahme von Strom. Und erst im Frühjahr 1820 spannte Oersted während einer Vorlesung einen Draht parallel zum Pfeil (entweder um zu sehen, was daraus werden würde, oder er hatte eine neue Hypothese - darüber streiten sich Physikhistoriker noch immer). Und da schwang der Pfeil - nicht zu viel (Oersted hatte einen schwachen Akku), aber immer noch spürbar.
Es stimmt, die große Entdeckung hatte noch nicht stattgefunden. Oersted unterbrach die Experimente aus irgendeinem Grund für drei Monate und kehrte erst im Juli zu ihnen zurück. Und dann erkannte er, dass "die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms entlang der Kreise gerichtet ist, die diesen Strom bedecken". Dies war eine paradoxe Schlussfolgerung, da vorher rotierende Kräfte weder in der Mechanik noch in irgendeinem anderen Zweig der Physik auftauchten. Oersted veröffentlichte seine Ergebnisse in einem Papier und reichte es am 21. Juli bei mehreren wissenschaftlichen Zeitschriften ein. Dann beschäftigte er sich nicht mehr mit Elektromagnetismus, und der Staffelstab ging an andere Wissenschaftler über. Die Pariser waren die ersten, die es akzeptierten. Am 4. September sprach der berühmte Physiker und Mathematiker Dominic Arago auf einer Sitzung der Akademie der Wissenschaften über Oersteds Entdeckung. Sein Kollege Andre-Marie Ampère beschloss, die magnetische Wirkung von Strömen zu untersuchen, und begann buchstäblich am nächsten Tag mit Experimenten. Zunächst wiederholte und bestätigte er Oersteds Experimente und entdeckte Anfang Oktober, dass sich parallele Leiter anziehen, wenn sie von Strömen in gleicher Richtung durchflossen werden, und sich abstoßen, wenn sie in entgegengesetzte Richtungen fließen. Ampere untersuchte die Wechselwirkung zwischen nicht parallelen Leitern und stellte sie mit einer Formel (Ampèresches Gesetz) dar. Er zeigte auch, dass sich stromdurchflossene Leiter spiralförmig in einem Magnetfeld drehen, wie eine Kompassnadel (und er erfand zwischenzeitlich einen Solenoid – eine Magnetspule). Schließlich stellte er eine kühne Hypothese auf: Im Inneren magnetisierter Materialien fließen ungedämpfte mikroskopisch kleine parallele Kreisströme, die der Grund für ihre magnetische Wirkung sind. Gleichzeitig identifizierten Biot und Felix Savart gemeinsam eine mathematische Beziehung, mit der Sie die Intensität des durch Gleichstrom erzeugten Magnetfelds bestimmen können (Biot-Savart-Gesetz).
Um die Neuartigkeit der untersuchten Effekte hervorzuheben, schlug Ampere den Begriff "elektrodynamische Phänomene" vor und verwendete ihn ständig in seinen Veröffentlichungen. Aber das war noch keine Elektrodynamik im modernen Sinne. Oersted, Ampère und ihre Kollegen arbeiteten mit Gleichstrom, der statische Magnetkräfte erzeugte. Physiker mussten nur wirklich dynamische nichtstationäre elektromagnetische Prozesse entdecken und erklären. Dieses Problem wurde in den 1830-1870er Jahren gelöst. Etwa ein Dutzend Forscher aus Europa (einschließlich Russland, erinnern wir uns an die Lenz-Regel) und den USA waren daran beteiligt. Der Hauptverdienst gehört jedoch zweifellos den beiden Titanen der britischen Wissenschaft - Faraday und Maxwell.
Londoner Tandem
Für Michael Faraday war 1821 wirklich ein Schicksalsjahr. Er erhielt die begehrte Position des Superintendenten der Royal Institution of London und startete zufällig ein Forschungsprogramm, das ihm einen einzigartigen Platz in der Geschichte der Weltwissenschaft eingebracht hat.
Magnetisch und nicht so. Unterschiedliche Substanzen in einem äußeren Magnetfeld verh alten sich unterschiedlich, dies liegt an dem unterschiedlichen Verh alten der intrinsischen magnetischen Momente von Atomen. Die bekanntesten sind Ferromagnete, es gibt Paramagnete, Antiferromagnete und Ferrimagnete, sowie Diamagnete, deren Atome kein eigenes magnetisches Moment haben (in einem äußeren Feld sind sie „gegen das Feld“schwach magnetisiert).
Es ist so passiert. Der Herausgeber der Annals of Philosophy, Richard Philips, lud Faraday ein, eine kritische Rezension neuer Arbeiten über die magnetische Wirkung des Stroms zu schreiben. Faraday folgte nicht nur diesem Rat und veröffentlichte eine historische Skizze des Elektromagnetismus, sondern begann seine eigene Forschung, die sich über viele Jahre erstreckte. Zunächst wiederholte er, wie Ampère, Oersteds Experiment, danach zog er weiter. Bis Ende 1821 hatte er ein Gerät hergestellt, bei dem sich ein stromführender Leiter um einen Stabmagneten und ein anderer Magnet um einen zweiten Leiter drehte. Faraday schlug vor, dass sowohl ein Magnet als auch ein unter Strom stehender Draht von konzentrischen Kraftlinien umgeben sind, Kraftlinien, die ihre mechanische Wirkung bestimmen. Dies war bereits der Keim für das Konzept eines Magnetfelds, obwohl Faraday selbst einen solchen Begriff nicht verwendet hat.
Anfangs hielt er Feldlinien für eine bequeme Methode zur Beschreibung von Beobachtungen, wurde aber mit der Zeit von ihrer physikalischen Realität überzeugt (zumal er einen Weg fand, sie mit Hilfe von zwischen Magneten verstreuten Eisenspänen zu beobachten). Ende der 1830er Jahre erkannte er deutlich, dass sich die Energie, deren Quelle Permanentmagnete und Stromleiter sind, in einem von Kraftlinien erfüllten Raum verteilt. Tatsächlich dachte Faraday bereits in feldtheoretischen Begriffen, in denen er seinen Zeitgenossen deutlich voraus war.
Aber seine wichtigste Entdeckung war etwas anderes. Im August 1831 gelang es Faraday, Magnetismus zu zwingen, elektrischen Strom zu erzeugen. Sein Instrument bestand aus einem Eisenring mit zwei entgegengesetzten Windungen. Eine der Spiralen könnte an eine elektrische Batterie angeschlossen werden, die andere an einen Leiter, der sich über dem Magnetkompass befindet. Der Pfeil änderte seine Position nicht, wenn ein Gleichstrom durch die erste Spule floss, sondern schwankte während des Ein- und Aussch altens. Faraday erkannte, dass zu diesem Zeitpunkt elektrische Impulse in der zweiten Wicklung aufgrund des Erscheinens oder Verschwindens magnetischer Kraftlinien entstanden. Mit anderen Worten, er entdeckte, dass die Ursache der elektromotorischen Kraft Änderungen im Magnetfeld sind. Dieser Effekt wurde auch von dem amerikanischen Physiker Joseph Henry entdeckt, aber er veröffentlichte seine Ergebnisse später als Faraday und zog nicht so ernsthafte theoretische Schlussfolgerungen.
Elektromagnete und Solenoide bilden die Grundlage vieler Technologien, ohne die die moderne Zivilisation nicht mehr wegzudenken ist: von der Stromerzeugung, elektrischen Generatoren, Elektromotoren, Transformatoren bis hin zur Funkkommunikation und im Allgemeinen fast der gesamten modernen Elektronik.
Gegen Ende seines Lebens kam Faraday zu dem Schluss, dass neue Erkenntnisse über den Elektromagnetismus mathematisch formalisiert werden mussten. Er beschloss, diese Aufgabe James Clerk Maxwell zu übertragen, einem jungen Professor am Marishall College in der schottischen Stadt Aberdeen, über das er im November 1857 schrieb. Und Maxwell fasste wirklich das gesamte damalige Wissen über Elektromagnetismus in einer einzigen mathematischen Theorie zusammen. Diese Arbeit wurde hauptsächlich in der ersten Hälfte der 1860er Jahre durchgeführt, als er Professor für Naturphilosophie am King's College London wurde. Das Konzept eines elektromagnetischen Feldes tauchte erstmals 1864 in einer Abhandlung auf, die der Royal Society of London vorgelegt wurde. Maxwell führte diesen Begriff ein, um "den Teil des Raums zu bezeichnen, der Körper enthält und umgibt, die sich in einem elektrischen oder magnetischen Zustand befinden", und betonte ausdrücklich, dass dieser Raum entweder leer oder mit jeder Art von Materie gefüllt sein kann.
Das Hauptergebnis von Maxwells Arbeit war ein Gleichungssystem, das elektromagnetische Phänomene verbindet. In seiner 1873 veröffentlichten Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus nannte er sie die allgemeinen Gleichungen des elektromagnetischen Felds, und heute werden sie Maxwell-Gleichungen genannt. Später wurden sie mehr als einmal verallgemeinert (z. B. um elektromagnetische Phänomene in verschiedenen Medien zu beschreiben) und auch umgeschrieben, wobei immer perfekterer mathematischer Formalismus verwendet wurde. Maxwell zeigte auch, dass diese Gleichungen Lösungen mit ungedämpften Transversalwellen zulassen, von denen sichtbares Licht ein Sonderfall ist.
Maxwells Theorie stellte den Magnetismus als eine besondere Art der Wechselwirkung zwischen elektrischen Strömen dar. Die Quantenphysik des 20. Jahrhunderts fügte diesem Bild nur zwei neue Punkte hinzu. Wir wissen heute, dass elektromagnetische Wechselwirkungen von Photonen getragen werden und dass Elektronen und viele andere Elementarteilchen ihre eigenen magnetischen Momente haben. Alle experimentellen und theoretischen Arbeiten auf dem Gebiet des Magnetismus bauen auf dieser Grundlage auf.
