Permanentmagnete: Funktionsprinzip, Herstellung und Verwendung. Wie ein Magnet funktioniert

Es ist schwierig, eine Sphäre zu finden, in der Magnete keine Verwendung hätten. Pädagogisches Spielzeug, nützliches Zubehör und anspruchsvolle Industriegeräte sind nur einige der wahrhaft breiten Einsatzmöglichkeiten. Gleichzeitig wissen nur wenige Menschen, wie Magnete angeordnet sind und was das Geheimnis ihrer Anziehungskraft ist. Um diese Fragen zu beantworten, müssen Sie in die Grundlagen der Physik eintauchen, aber keine Sorge – der Tauchgang wird kurz und flach sein. Aber nachdem Sie sich mit der Theorie vertraut gemacht haben, werden Sie wissen, woraus der Magnet besteht, und die Natur seiner magnetischen Kraft wird Ihnen viel klarer werden.

Das Elektron ist der kleinste und einfachste Magnet.

Jede Substanz besteht aus Atomen, und Atome wiederum bestehen aus einem Kern, um den sich positiv und negativ geladene Teilchen - Protonen und Elektronen - drehen. Das Thema unseres Interesses sind Elektronen. Ihre Bewegung erzeugt einen elektrischen Strom in den Leitern. Außerdem ist jedes Elektron eine Miniaturquelle eines Magnetfelds und tatsächlich der einfachste Magnet. Aber in der Zusammensetzung der meisten Materialien ist die Bewegungsrichtung dieser Teilchen chaotisch. Dadurch gleichen sich ihre Ladungen aus. Und wenn die Drehrichtung einer großen Anzahl von Elektronen in ihren Umlaufbahnen zusammenfällt, entsteht eine konstante Magnetkraft.

Magnetgerät

Also haben wir die Elektronen herausgefunden. Und jetzt nähern wir uns der Antwort auf die Frage, wie Magnete angeordnet sind. Damit ein Material ein Eisenstück anzieht, muss die Richtung der Elektronen in seiner Struktur übereinstimmen. In diesem Fall bilden die Atome geordnete Bereiche, die Domänen genannt werden. Jede Domäne hat ein Paar Pole: Nord und Süd. Durch sie verläuft eine konstante Bewegungslinie magnetischer Kräfte. Sie treten in den Südpol ein und verlassen den Nordpol. Diese Anordnung bedeutet, dass der Nordpol immer den Südpol eines anderen Magneten anzieht, während gleiche Pole sich abstoßen.

Wie zieht ein Magnet Metalle an?

Die Magnetkraft wirkt nicht auf alle Stoffe. Nur einige Materialien können angezogen werden: Eisen, Nickel, Kobalt und Seltenerdmetalle. Ein eisernes Gesteinsstück ist kein natürlicher Magnet, aber wenn es einem Magnetfeld ausgesetzt wird, wird seine Struktur in Domänen mit Nord- und Südpolen neu angeordnet. So kann Stahl magnetisiert werden und seine veränderte Struktur lange behalten.

Wie Magnete hergestellt werden

Wir haben bereits herausgefunden, woraus ein Magnet besteht. Es ist ein Material, bei dem die Richtung der Domänen zusammenfällt. Ein starkes Magnetfeld oder elektrischer Strom können verwendet werden, um dem Gestein diese Eigenschaften zu verleihen. Im Moment haben die Menschen gelernt, sehr starke Magnete herzustellen, deren Anziehungskraft Dutzende Male größer ist als ihr eigenes Gewicht und Hunderte von Jahren anhält. Die Rede ist von Seltenerd-Supermagneten auf Basis einer Neodym-Legierung. Solche Produkte mit einem Gewicht von 2-3 kg können Gegenstände mit einem Gewicht von 300 kg oder mehr aufnehmen. Woraus besteht ein Neodym-Magnet und was bewirkt diese erstaunlichen Eigenschaften?

Einfacher Stahl ist nicht geeignet, Produkte mit starker Anziehungskraft erfolgreich herzustellen. Dies erfordert eine spezielle Zusammensetzung, die es Ihnen ermöglicht, die Domänen so effizient wie möglich zu organisieren und die Stabilität der neuen Struktur zu erhalten. Um zu verstehen, woraus ein Neodym-Magnet besteht, stellen Sie sich ein Metallpulver aus Neodym, Eisen und Bor vor, das in Industrieanlagen durch ein starkes Feld magnetisiert und zu einer starren Struktur gesintert wird. Um dieses Material zu schützen, ist es mit einem haltbaren verzinkten Mantel beschichtet. Diese Produktionstechnologie ermöglicht es, Produkte in verschiedenen Größen und Formen zu erhalten. Im Sortiment des World of Magnets Online-Shops finden Sie eine große Auswahl an magnetischen Produkten für Arbeit, Unterhaltung und Alltag.

Wenn ein Magnet Metallgegenstände an sich zieht, scheint es magisch zu sein, aber in Wirklichkeit sind die "magischen" Eigenschaften von Magneten nur mit der speziellen Organisation ihrer elektronischen Struktur verbunden. Da ein Elektron, das ein Atom umkreist, ein Magnetfeld erzeugt, sind alle Atome kleine Magnete; Bei den meisten Substanzen gleichen sich jedoch die ungeordneten magnetischen Wirkungen der Atome aus.

Anders verhält es sich bei Magneten, deren atomare Magnetfelder sich in geordneten Bereichen, sogenannten Domänen, aufreihen. Jede dieser Regionen hat einen Nord- und einen Südpol. Die Richtung und Intensität des Magnetfeldes wird durch die sogenannten Kraftlinien (in der Abbildung grün dargestellt) gekennzeichnet, die aus dem Nordpol des Magneten herauskommen und in den Süden eintreten. Je dicker die Kraftlinien sind, desto konzentrierter ist der Magnetismus. Der Nordpol eines Magneten zieht den Südpol eines anderen an, während zwei gleiche Pole sich abstoßen. Magnete ziehen nur bestimmte Metalle an, hauptsächlich Eisen, Nickel und Kobalt, die als Ferromagnete bezeichnet werden. Obwohl Ferromagnete keine natürlichen Magnete sind, ordnen sich ihre Atome in Gegenwart eines Magneten so um, dass auf ferromagnetischen Körpern magnetische Pole entstehen.

Magnetkette

Das Berühren der Metallklammern mit dem Ende des Magneten bewirkt, dass jede Klammer einen Nord- und einen Südpol hat. Diese Pole orientieren sich in der gleichen Richtung wie der Magnet. Jede Büroklammer ist zum Magneten geworden.

Unzählige kleine Magnete

Einige Metalle haben eine kristalline Struktur, die aus Atomen gebildet wird, die in magnetischen Domänen gruppiert sind. Die magnetischen Pole der Domänen haben normalerweise unterschiedliche Richtungen (rote Pfeile) und üben keine magnetische Nettowirkung aus.

Bildung eines Dauermagneten

Normalerweise sind die magnetischen Domänen von Eisen zufällig ausgerichtet (rosa Pfeile), und der natürliche Magnetismus des Metalls tritt nicht auf.
Wenn ein Magnet (rosa Balken) in die Nähe des Eisens gebracht wird, beginnen sich die magnetischen Domänen des Eisens entlang des Magnetfelds (grüne Linien) auszurichten.
Die meisten magnetischen Domänen von Eisen richten sich schnell entlang der Magnetfeldlinien aus. Dadurch wird Eisen selbst zum Dauermagneten.

Unser Verständnis der Grundstruktur der Materie hat sich allmählich entwickelt. Die Atomtheorie der Struktur der Materie hat gezeigt, dass nicht alles auf der Welt so angeordnet ist, wie es auf den ersten Blick scheint, und dass Komplexitäten auf einer Ebene leicht auf der nächsten Detailebene erklärt werden können. Während des gesamten zwanzigsten Jahrhunderts, nach der Entdeckung der Struktur des Atoms (d. h. nach dem Erscheinen des Bohr-Atommodells), konzentrierten sich die Bemühungen der Wissenschaftler darauf, die Struktur des Atomkerns zu enträtseln.

Zunächst wurde angenommen, dass es im Atomkern nur zwei Arten von Teilchen gibt - Neutronen und Protonen. Ab den 1930er Jahren kamen Wissenschaftler jedoch zunehmend zu experimentellen Ergebnissen, die im Rahmen des klassischen Bohr-Modells unerklärlich waren. Dies veranlasste die Wissenschaftler zu der Annahme, dass der Kern tatsächlich ein dynamisches System verschiedener Teilchen ist, deren vorübergehende Bildung, Wechselwirkung und Zerfall eine Schlüsselrolle bei nuklearen Prozessen spielen. In den frühen 1950er Jahren hatte die Untersuchung dieser Elementarteilchen, wie sie genannt wurden, die Spitze der physikalischen Wissenschaft erreicht.
elementy.ru/trefil/46
„Die allgemeine Wechselwirkungstheorie beruht auf dem Kontinuitätsprinzip.

Der erste Schritt zur Schaffung einer allgemeinen Theorie war die Materialisierung des abstrakten Prinzips der Kontinuität in der realen Welt, die wir um uns herum beobachten. Als Ergebnis einer solchen Materialisierung kam der Autor zu dem Schluss, dass die innere Struktur des physikalischen Vakuums existiert. Vakuum ist ein Raum, der ständig mit fundamentalen Teilchen – Bionen – gefüllt ist, deren verschiedene Bewegungen, Anordnungen und Kombinationen in der Lage sind, den ganzen Reichtum und die Vielfalt der Natur und des Geistes zu erklären.

Als Ergebnis wurde eine neue allgemeine Theorie geschaffen, die auf der Grundlage eines Prinzips und daher identischer, konsistenter und logisch zusammenhängender visueller (materieller) und nicht virtueller Partikel die Phänomene der Natur und die Phänomene des Menschen beschreibt Verstand.
Die Hauptthese ist das Prinzip der Kontinuität.

Das Prinzip der Kontinuität bedeutet, dass kein Prozess, der in der Natur wirklich existiert, spontan beginnen und spurlos enden kann. Alle Vorgänge, die durch mathematische Formeln beschrieben werden können, lassen sich nur über stetige Abhängigkeiten oder Funktionen berechnen. Alle Änderungen haben ihre Gründe, die Übertragungsgeschwindigkeit jeglicher Interaktionen wird durch die Eigenschaften der Umgebung bestimmt, in der Objekte interagieren. Aber diese Objekte selbst verändern wiederum die Umgebung, in der sie sich befinden und interagieren.
\
Ein Feld ist eine Menge von Elementen, für die arithmetische Operationen definiert sind. Das Feld ist auch kontinuierlich - ein Element des Feldes geht nahtlos in ein anderes über, es ist unmöglich, die Grenze zwischen ihnen anzugeben.

Auch diese Definition des Feldes folgt aus dem Kontinuitätsprinzip. Es (Definition) erfordert eine Beschreibung des Elements, das für alle Arten von Feldern und Wechselwirkungen verantwortlich ist.
In der allgemeinen Wechselwirkungstheorie wird im Gegensatz zu den derzeit dominierenden Theorien Quantenmechanik und Relativitätstheorie ein solches Element explizit definiert.
Dieses Element ist Bion. Der ganze Raum des Universums und Vakuums und Teilchen bestehen aus Bionen. Ein Bion ist ein elementarer Dipol, also ein Teilchen, das aus zwei gebundenen Ladungen gleicher Größe, aber unterschiedlichen Vorzeichens besteht. Die Gesamtladung des Bions ist Null. Der detaillierte Aufbau des Bions ist auf der Seite Der Aufbau des physikalischen Vakuums dargestellt.
\
Es ist unmöglich, die Grenzen des Bions anzugeben (eine verständliche Analogie zur Atmosphäre der Erde, deren Grenze nicht genau bestimmt werden kann), da alle Übergänge sehr, sehr glatt sind. Daher gibt es praktisch keine innere Reibung zwischen Bionen. Der Einfluss einer solchen „Reibung“ macht sich jedoch auf große Entfernungen bemerkbar und wird von uns als Rotverschiebung beobachtet.
Elektrisches Feld in der allgemeinen Wechselwirkungstheorie.
Die Existenz eines elektrischen Feldes in jedem Bereich des Weltraums wird eine Zone von kohärent angeordneten und in gewisser Weise orientierten Bionen sein.
b-i-o-n.ru/_mod_files/ce_image...
Magnetfeld in der allgemeinen Wechselwirkungstheorie.
Das Magnetfeld wird eine bestimmte dynamische Konfiguration des Standorts und der Bewegung von Bionen sein.
b-i-o-n.ru/theory/elim/

Ein elektrisches Feld ist ein Raumbereich, in dem das physikalische Vakuum eine bestimmte geordnete Struktur hat. In Gegenwart eines elektrischen Feldes übt das Vakuum eine Kraft auf die elektrische Testladung aus. Ein solcher Einfluss ist auf die Position von Bionen in einer bestimmten Region des Weltraums zurückzuführen.
Leider konnten wir noch nicht in das Geheimnis der Funktionsweise der elektrischen Ladung vordringen. Ansonsten ergibt sich folgendes Bild. Jede Ladung, sei sie zum Beispiel negativ, erzeugt um sich herum die folgende Ausrichtung von Bionen - ein elektrostatisches Feld.
Der Großteil der Energie gehört der Ladung, die eine bestimmte Größe hat. Und die Energie des elektrischen Feldes ist die Energie einer geordneten Anordnung von Bionen (jede Ordnung hat eine Energiebasis). Es ist auch klar, wie weit entfernte Ladungen sich gegenseitig "fühlen". Diese "sensiblen Organe" sind in gewisser Weise bioniert. Wir stellen eine weitere wichtige Schlussfolgerung fest. Die Geschwindigkeit, mit der das elektrische Feld aufgebaut wird, wird durch die Rotationsgeschwindigkeit der Bionen bestimmt, so dass sie in Bezug auf die Ladung orientiert werden, wie in der Figur gezeigt. Und das erklärt, warum die Aufbaugeschwindigkeit des elektrischen Feldes gleich der Lichtgeschwindigkeit ist: Bei beiden Vorgängen müssen die Bionen Rotation aufeinander übertragen.
Wenn wir den einfachen nächsten Schritt machen, können wir zuversichtlich sagen, dass das Magnetfeld die nächste dynamische Konfiguration von Bionen ist.
b-i-o-n.ru/theory/elim

Es ist zu beachten, dass sich das Magnetfeld in keiner Weise manifestiert, bis es keine Objekte gibt, auf die es einwirken kann (Kompassnadel oder elektrische Ladung).
Das Prinzip der Überlagerung des Magnetfeldes. Die Rotationsachsen der Bionen nehmen je nach Richtung und Stärke der wechselwirkenden Felder eine Zwischenstellung ein.
Die Wirkung eines Magnetfeldes auf eine bewegte Ladung.
"
Das Magnetfeld wirkt nicht auf eine ruhende Ladung, da rotierende Bionen Schwingungen einer solchen Ladung erzeugen, aber wir werden solche Schwingungen aufgrund ihrer Kleinheit nicht erkennen können.

Überraschenderweise fand ich in keinem Lehrbuch nicht nur eine Antwort, sondern auch nur eine Frage, die sich offensichtlich für jeden stellen sollte, der anfängt, magnetische Phänomene zu studieren.
Hier ist die Frage. Warum hängt das magnetische Moment eines Stromkreises nicht von der Form dieses Stromkreises ab, sondern nur von seiner Fläche? Ich denke, dass eine solche Frage gerade deshalb nicht gestellt wird, weil niemand die Antwort darauf kennt. Ausgehend von unseren Vorstellungen liegt die Antwort auf der Hand. Das Magnetfeld der Kontur ist die Summe der Magnetfelder der Bionen. Und die Anzahl der Bionen, die ein Magnetfeld erzeugen, wird durch die Fläche der Kontur bestimmt und hängt nicht von ihrer Form ab."
Wenn Sie breiter blicken, ohne in die Theorie einzusteigen, funktioniert der Magnet, indem er das Magnetfeld pulsiert. Dank dieser Pulsation, der Ordnung der Bewegung von Kraftteilchen, entsteht eine allgemeine Kraft, die auf die Objekte der Umgebung wirkt. Der Aufprall wird von einem Magnetfeld getragen, in dem auch Teilchen und Quanten isoliert werden können.
Die Bion-Theorie unterscheidet ein Bion als Elementarteilchen. Sie sehen, wie grundlegend es ist.
Die Theorie des Gravitonraums sondert das Graviton als ein Quant des gesamten Universums heraus. Und gibt die grundlegenden Gesetze an, die das Universum regieren.
n-t.ru/tp/ns/tg.htm Graviton-Raumtheorie
„Die Dialektik der Wissenschaftsentwicklung besteht in der quantitativen Häufung solcher abstrakter Begriffe („Dämonen“), die immer neue Naturgesetze beschreiben, die in einem bestimmten Stadium eine kritische Komplexitätsstufe erreichen. Die Auflösung einer solchen Krise erfordert ausnahmslos einen qualitativen Sprung, eine tiefgreifende Überarbeitung der Grundkonzepte, die die „Dämonizität“ aus den angesammelten Abstraktionen entfernt und ihr wesentliches Wesen in der Sprache einer neuen verallgemeinernden Theorie enthüllt.
*
TPG postuliert die physische (tatsächliche) Existenz eines transitiven Raumes, dessen Elemente im Rahmen dieser Theorie Gravitonen genannt werden.
*
Jene. Wir gehen davon aus, dass es der physische Raum der Gravitonen (PG) ist, der die unserem Wissen zugängliche universelle Verbindung von physischen Objekten bereitstellt und die minimal notwendige Substanz darstellt, ohne die wissenschaftliche Erkenntnis im Prinzip unmöglich ist.
*
TPG postuliert die Diskretion und grundlegende Unteilbarkeit von Gravitonen, ihr Fehlen jeglicher innerer Struktur. Jene. Graviton im Rahmen von TPG fungiert als absolutes Elementarteilchen, in diesem Sinne dem Atom von Demokrit nahe. Im mathematischen Sinne ist das Graviton eine leere Menge (Nullmenge).
*
Die wichtigste und einzige Eigenschaft eines Gravitons ist seine Fähigkeit, sich selbst zu kopieren und ein neues Graviton zu erzeugen. Diese Eigenschaft definiert die Beziehung der strengen unvollkommenen Ordnung auf der Menge PG: gi< gi+1, где gi – гравитон-родитель и gi+1 – дочерний гравитон, являющийся копией родителя. Это отношение интенсионально определяет ПГ как транзитивное и антирефлексивное множество, из чего следует также его асимметричность и антисимметричность.
*
Das TPG postuliert die Kontinuität und Grenzdichte des PG, die das gesamte dem Wissen zugängliche Universum so ausfüllt, dass jedem physikalischen Objekt in diesem Universum eine nicht-leere Teilmenge des PG zugeordnet werden kann, die die Position dieses PG eindeutig bestimmt Objekt im PG und damit im Universum.
*
PG ist ein metrischer Raum. Als natürliche PG-Metrik kann die minimale Anzahl von Übergängen von einem benachbarten Graviton zu einem anderen gewählt werden, die notwendig ist, um die transitive Kette zu schließen, die ein Paar von Gravitonen verbindet, deren Abstand wir bestimmen.
"
Die Eigenschaften des Gravitons erlauben es uns, über die Quantennatur dieses Konzepts zu sprechen. Ein Graviton ist ein Bewegungsquantum, das sich im Vorgang der Selbstkopie durch das Graviton und der „Geburt“ eines neuen Gravitons verwirklicht. Im mathematischen Sinne kann dieser Vorgang mit der Addition von Eins zu einer bereits existierenden natürlichen Zahl in Verbindung gebracht werden.
"
Eine weitere Folge der Eigenbewegung des PG sind Resonanzphänomene, die virtuelle Elementarteilchen hervorrufen, insbesondere Photonen der Reliktstrahlung.
*
Unter Verwendung der Grundkonzepte von TPG haben wir ein physikalisches Modell des Raums aufgebaut, das kein passiver Container anderer physikalischer Objekte ist, sondern sich selbst aktiv verändert und bewegt. Leider gibt uns kein denkbares Gerät die Möglichkeit, die Aktivität von PG direkt zu untersuchen, da Gravitonen alle Objekte durchdringen und mit den kleinsten Elementen ihrer inneren Struktur interagieren. Dennoch können wir aussagekräftige Informationen über die Bewegung von Gravitonen erhalten, indem wir die Gesetzmäßigkeiten und Resonanzphänomene der sogenannten Reliktstrahlung untersuchen, die maßgeblich auf die PG-Aktivität zurückzuführen ist.
*
Natur der Gravitationswechselwirkung

„Diese Schwerkraft sollte eine intrinsische, unveräußerliche und wesentliche Eigenschaft der Materie sein, wodurch es jedem Körper ermöglicht wird, durch ein Vakuum aus der Ferne auf einen anderen einzuwirken, ohne irgendeinen Vermittler, durch den und durch den Wirkung und Kraft von einem Körper auf einen anderen übertragen werden könnten , scheint es mir eine so eklatante Absurdität, dass in meiner tiefen Überzeugung kein einziger Mensch, der in philosophischen Dingen erfahren und mit Denkvermögen ausgestattet ist, ihm zustimmen wird. (aus Newtons Brief an Richard Bentley).
**
Im Rahmen von TPG wird die Schwerkraft ihrer Machtnatur beraubt und vollständig definiert als eine Regelmäßigkeit in der Bewegung physikalischer Objekte, die freie Gravitonen mit dem gesamten Volumen ihrer inneren Struktur „binden“, da Gravitonen jedes physikalische Objekt frei durchdringen, als integrale Bestandteile seiner inneren Struktur. Alle physischen Objekte "absorbieren" Gravitonen und verzerren die isotrope Proliferation von PG. Aus diesem Grund bilden ziemlich nahe und massive Weltraumobjekte kompakte Cluster, die es schaffen, die PG-Expansion innerhalb des Clusters zu kompensieren. Aber diese Ansammlungen selbst, getrennt durch solche THG-Volumen, deren Vermehrung sie nicht kompensieren können, zerstreuen sich umso schneller, je größer dieses THG-Volumen ist, das sie trennt. Jene. derselbe Mechanismus verursacht sowohl den Effekt der "Anziehung" als auch den Effekt der Expansion von Galaxien.
***
Betrachten wir nun den Mechanismus der "Absorption" von Gravitonen durch physikalische Objekte genauer. Die Intensität einer solchen "Absorption" hängt wesentlich von der inneren Struktur von Objekten ab und wird durch das Vorhandensein bestimmter Strukturen in dieser Struktur sowie deren Anzahl bestimmt. Die gravitative "Absorption" eines freien Gravitons ist der einfachste und schwächste dieser Mechanismen, der keine besonderen Strukturen erfordert; nur ein Graviton ist an dem Akt einer solchen "Absorption" beteiligt. Jede andere Art von Wechselwirkung verwendet Wechselwirkungsteilchen, die dieser Art entsprechen und auf einer bestimmten Teilmenge von Gravitonen definiert sind. Daher ist die Effizienz einer solchen Wechselwirkung viel höher. Bei der Wechselwirkung wird eine Gruppe von Gravitonen zusammen mit einem definierten Teilchen „absorbiert“. auf sie. Wir stellen auch fest, dass bei solchen Wechselwirkungen eines der Objekte die gleiche Rolle wie das PG in der Gravitationswechselwirkung spielen muss, d.h. es muss immer mehr Teilchen dieser Wechselwirkung erzeugen, indem es für eine solche Aktivität die sehr spezifischen Strukturen verwendet, die wir oben erwähnt haben. Somit bleibt das allgemeine Schema jeder Wechselwirkung immer gleich, und die Kraft der Wechselwirkung wird durch das "Volumen" der Wechselwirkungsteilchen und die Aktivität der Quelle, die sie erzeugt, bestimmt.
Es ist möglich, die magnetische Wechselwirkung durch das Modell der Erzeugung und Absorption von Elementarteilchen des Magnetfelds zu verstehen. Außerdem haben die Teilchen unterschiedliche Frequenzen, und daher entsteht ein Potentialfeld, bestehend aus Spannungsniveaus, einem Regenbogen. Partikel "schweben" entlang dieser Ebenen. Sie können von anderen Partikeln, wie Ionen des Kristallgitters einiger Metalle, absorbiert werden, aber die Wirkung des Magnetfelds auf sie bleibt bestehen. Das Metall wird vom Körper des Magneten angezogen.
Die Superstring-Theorie liefert trotz ihres Namens ein klares Bild der Welt. Besser: Es hebt viele Interaktionspfade in der Welt hervor.
ergeal.ru/other/superstrings.htm Superstring-Theorie (Dmitry Polyakov)
„Die Schnur ist also eine Art primäre Schöpfung im sichtbaren Universum.

Dieses Objekt ist nicht materiell, kann sich aber ungefähr in Form eines gespannten Fadens, Seils oder beispielsweise einer in der zehndimensionalen Raumzeit fliegenden Geigensaite vorstellen.

Beim Fliegen in zehn Dimensionen erfährt dieses ausgedehnte Objekt auch interne Vibrationen. Aus diesen Schwingungen (oder Oktaven) entsteht alle Materie (und, wie später deutlich wird, nicht nur Materie). Jene. Die ganze Vielfalt der Teilchen in der Natur sind nur verschiedene Oktaven derselben Urschöpfung – Saiten. Ein gutes Beispiel für zwei so unterschiedliche Oktaven, die von einer einzigen Saite kommen, ist Schwerkraft und Licht (Gravitonen und Photonen). Hier gibt es zwar einige Feinheiten - es muss zwischen den Spektren geschlossener und offener Saiten unterschieden werden, aber jetzt müssen diese Details weggelassen werden.

Wie studiert man also ein solches Objekt, wie entstehen zehn Dimensionen und wie findet man die richtige Verdichtung der zehn Dimensionen zu unserer vierdimensionalen Welt?

Da wir die Saite nicht „fangen“ können, folgen wir ihren Spuren und erkunden ihre Flugbahn. So wie die Bahn eines Punktes eine gekrümmte Linie ist, ist die Bahn eines eindimensionalen ausgedehnten Objekts (einer Schnur) eine zweidimensionale OBERFLÄCHE.

Mathematisch gesehen ist die Stringtheorie also die Dynamik zweidimensionaler zufälliger Oberflächen, die in einen Raum höherer Dimensionen eingebettet sind.

Jede solche Oberfläche wird WELTBLATT genannt.

Im Allgemeinen spielen alle Arten von Symmetrien eine äußerst wichtige Rolle im Universum.

Aus der Symmetrie dieses oder jenes physikalischen Modells lassen sich oft die wichtigsten Rückschlüsse auf dessen (Modell-)Dynamik, Evolution, Mutation etc. ziehen.

In der Stringtheorie ist eine solche Eckpfeilersymmetrie die sogenannte. REPARAMETRISIERUNGSINVARIANZ (oder "Gruppe von Diffeomorphismen"). Diese Invarianz bedeutet, ganz grob und ungefähr gesprochen, folgendes. Stellen wir uns gedanklich einen Beobachter vor, der sich auf eines der von der Schnur "gefegten" Weltblätter "setzt". In seinen Händen hält er ein flexibles Lineal, mit dessen Hilfe er die geometrischen Eigenschaften der Oberfläche des Weltenblattes erforscht. Also - die geometrischen Eigenschaften der Oberfläche hängen offensichtlich nicht von der Graduierung des Lineals ab. Die Unabhängigkeit der Struktur des Weltblattes von der Skala des „geistigen Herrschers“ wird Reparametrisierungs-Invarianz (oder R-Invarianz) genannt.

Obwohl scheinbar einfach, führt dieses Prinzip zu äußerst wichtigen Konsequenzen. Erstens, ist es auf der Quantenebene fair?
^
Geister sind Felder (Wellen, Schwingungen, Teilchen), deren Beobachtungswahrscheinlichkeit negativ ist.

Für einen Rationalisten ist das natürlich absurd: Schließlich liegt die klassische Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses immer zwischen 0 (wenn das Ereignis definitiv nicht eintreten wird) und 1 (wenn es im Gegenteil sicher eintreten wird).

Die Wahrscheinlichkeit, dass Geister erscheinen, ist jedoch negativ. Dies ist eine der möglichen Definitionen von Geistern. apophatische Definition. In diesem Zusammenhang erinnere ich an die Definition der Liebe von Abba Dorotheus: „Gott ist das Zentrum eines Kreises. Und die Menschen sind Radien. Nachdem die Menschen Gott geliebt haben, nähern sie sich der Mitte wie Radien ."

Fassen wir also die ersten Ergebnisse zusammen.

Wir haben den Beobachter getroffen, der mit einem Lineal auf das Weltblatt gestellt wird. Und die Graduierung des Herrschers ist auf den ersten Blick willkürlich, und das Weltblatt ist dieser Willkür gleichgültig.

Diese Indifferenz (oder Symmetrie) wird Reparametrisierungsinvarianz (R-Invarianz, Gruppe von Diffeomorphismen) genannt.

Die Notwendigkeit, Gleichgültigkeit mit Ungewissheit zu verknüpfen, führt zu dem Schluss, dass das Universum zehndimensional ist.

Tatsächlich sind die Dinge etwas komplizierter.

Mit jedem Herrscher, und natürlich wird niemand einen Beobachter auf die Weltliste lassen. Die zehndimensionale Welt ist hell, streng und duldet keinen Gag. Für jeden Gag mit dem Weltblatt hätte der Bastard den Herrscher für immer weggenommen und wäre wie ein Protestant ordentlich ausgepeitscht worden.
^
Aber wenn der Beobachter kein Protestant ist, wird ihm ein für alle Mal eine Regel gegeben, bestimmt, überprüft, seit Jahrhunderten unverändert, und mit dieser strengsten ausgewählten Einzelregel wird er in das Weltblatt aufgenommen.

In der Superstring-Theorie wird dieses Ritual "Gauge Fixing" genannt.

Als Ergebnis der Fixierung des Messgeräts entstehen Faddeev-Popov-Geister.

Es sind diese Geister, die dem Beobachter den Herrscher übergeben.

Die Wahl der Kalibrierung ist jedoch nur eine rein exoterische, polizeiliche Funktion der Faddeev-Popov-Geister. Die exoterische, fortgeschrittene Mission dieser Geister ist es, die richtige Verdichtung zu wählen und anschließend Solitonen und Chaos in der verdichteten Welt zu erzeugen.

Wie genau das passiert, ist eine sehr subtile und nicht ganz klare Frage; Ich werde versuchen, diesen Vorgang so kurz und klar wie möglich zu beschreiben, wobei technische Details so weit wie möglich weggelassen werden.

In allen Rezensionen zu Superstring Theory gibt es einen sog. Das No-Spirits-Theorem. Dieses Theorem besagt, dass die Geister, obwohl sie die Wahl der Stärke bestimmen, nichtsdestotrotz die Schwingungen der Saite (Schwingungen, die Materie erzeugen) nicht direkt beeinflussen. Mit anderen Worten, das Spektrum einer Saite enthält nach dem Theorem keine Geister, d.h. Der Raum der Geister ist vollständig von den Emanationen der Materie getrennt, und die Geister sind nichts weiter als ein Artefakt zur Fixierung der Kalibrierung. Man kann sagen, dass diese Geister eine Folge der Unvollkommenheit des Betrachters sind, die nichts mit der Dynamik der Saite zu tun hat. Dies ist ein klassisches Ergebnis, das in einigen Fällen mehr oder weniger zutrifft. Die Anwendbarkeit dieses Theorems ist jedoch begrenzt, weil Alle bekannten Beweise dafür berücksichtigen eine äußerst wichtige Nuance nicht. Diese Nuance ist mit dem sogenannten verbunden. "Verletzung der Symmetrie der Bilder."
Was ist das? Stellen Sie sich eine beliebige Schwingung einer Saite vor: zum Beispiel eine Lichtemanation (ein Photon). Es stellt sich heraus, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, diese Emanation zu beschreiben. In der Stringtheorie werden Emanationen nämlich mit dem sogenannten beschrieben. "Knotenoperatoren". Jede Emanation entspricht mehreren vermeintlich äquivalenten Knotenoperatoren. Diese äquivalenten Operatoren unterscheiden sich durch ihre "Geisternummern", d.h. die Struktur der Faddeev-Popov-Geister.

Jede solche äquivalente Beschreibung derselben Emanation wird Bild genannt. Es gibt einen sog. "konventionelle Weisheit", die auf der Gleichwertigkeit der Bilder besteht, d.h. Knotenoperatoren mit unterschiedlichen Geisterzahlen. Diese Annahme ist als "bildverändernde Symmetrie von Scheitelpunktoperatoren" bekannt.

Diese „konventionelle Weisheit“ ist im Beweis des Absence Theorems stillschweigend enthalten. Eine genauere Analyse zeigt jedoch, dass diese Symmetrie nicht existiert (genauer gesagt, sie existiert in einigen Fällen und ist in anderen verletzt). Durch die Verletzung der Symmetrie der Bilder wird auch das oben genannte Theorem in einer Reihe von Fällen verletzt. Und das bedeutet, dass die Spirits eine direkte Rolle in den Schwingungen der Saite spielen, die Räume von Materie und Spirits sind nicht unabhängig, sondern auf subtilste Weise miteinander verflochten.

Die Überschneidung dieser Räume spielt die wichtigste Rolle bei der dynamischen Verdichtung und Formation von Chaos. "
Eine weitere Vision der Superstring-Theorie elementy.ru/trefil/21211
„Verschiedene Versionen der Stringtheorie gelten heute als Hauptanwärter auf den Titel einer umfassenden universellen Theorie, die die Natur von allem Existierenden erklärt. Und dies ist eine Art Heiliger Gral der theoretischen Physiker, die sich mit der Theorie der Elementarteilchen und der Kosmologie befassen Die universelle Theorie (auch bekannt als die Theorie von allem, was existiert) enthält nur wenige Gleichungen, die das gesamte menschliche Wissen über die Natur von Wechselwirkungen und die Eigenschaften der grundlegenden Elemente der Materie, aus denen das Universum aufgebaut ist, kombinieren Theorie wurde mit dem Konzept der Supersymmetrie kombiniert, was zur Geburt der Superstring-Theorie führte, und heute ist dies das Maximum, was erreicht wurde, um die Theorie aller vier grundlegenden Wechselwirkungen (Kräfte, die in der Natur wirken) zu vereinen.
*****
Der Klarheit halber können wechselwirkende Teilchen als "Ziegel" des Universums und Trägerteilchen als Zement betrachtet werden.
*****
Im Rahmen des Standardmodells fungieren Quarks als Bausteine und Eichbosonen, die diese Quarks untereinander austauschen, als Wechselwirkungsträger. Die Theorie der Supersymmetrie geht noch weiter und besagt, dass die Quarks und Leptonen selbst nicht fundamental sind: Sie bestehen alle aus noch schwereren und experimentell unentdeckten Strukturen (Ziegeln) der Materie, die von einem noch stärkeren „Zement“ aus superenergetischen Teilchen zusammengehalten werden. Träger von Wechselwirkungen als Quarks, in Hadronen und Bosonen. Unter Laborbedingungen wurde natürlich noch keine der Vorhersagen der Theorie der Supersymmetrie verifiziert, aber die hypothetischen verborgenen Komponenten der materiellen Welt haben bereits Namen - zum Beispiel das Elektron (der supersymmetrische Partner des Elektrons), das Squark , usw. Die Existenz dieser Teilchen wird jedoch von Theorien dieser Art eindeutig vorhergesagt.
*****
Das Bild des Universums, das diese Theorien bieten, ist jedoch recht einfach zu visualisieren. Auf Skalen in der Größenordnung von 10–35 m, also 20 Größenordnungen kleiner als der Durchmesser des gleichen Protons, das drei gebundene Quarks enthält, unterscheidet sich die Struktur der Materie von dem, was wir bereits auf elementarer Ebene gewohnt sind Partikel. Bei so kleinen Abständen (und bei so hohen Wechselwirkungsenergien, dass es undenkbar ist) verwandelt sich Materie in eine Reihe von stehenden Feldwellen, ähnlich denen, die in den Saiten von Musikinstrumenten angeregt werden. Ähnlich wie bei einer Gitarrensaite können bei einer solchen Saite neben dem Grundton viele Obertöne bzw. Obertöne angeregt werden. Jede Harmonische hat ihren eigenen Energiezustand. Nach dem Relativitätsprinzip (siehe Relativitätstheorie) sind Energie und Masse äquivalent, dh je höher die Frequenz der harmonischen Schwingung einer Saite ist, desto höher ist ihre Energie und desto höher ist die Masse des beobachteten Teilchens.

Wenn man sich jedoch eine stehende Welle in einer Gitarrensaite ganz einfach vorstellt, sind die von der Superstring-Theorie vorgeschlagenen stehenden Wellen schwer zu visualisieren - Tatsache ist, dass Superstrings in einem Raum schwingen, der 11 Dimensionen hat. Wir sind an einen vierdimensionalen Raum gewöhnt, der drei räumliche und eine zeitliche Dimension enthält (links-rechts, oben-unten, vorwärts-rückwärts, Vergangenheit-Zukunft). Im Bereich der Superstrings sind die Dinge viel komplizierter (siehe Einschub). Theoretische Physiker umgehen das schlüpfrige Problem der „zusätzlichen“ räumlichen Dimensionen, indem sie argumentieren, dass sie „verborgen“ (oder in wissenschaftlichen Begriffen „verdichtet“) sind und daher bei gewöhnlichen Energien nicht beobachtet werden.

In jüngerer Zeit wurde die Stringtheorie in Form der Theorie der mehrdimensionalen Membranen weiterentwickelt - tatsächlich sind dies die gleichen Saiten, aber flach. Wie einer der Autoren beiläufig scherzte, unterscheiden sich Membranen von Fäden in ähnlicher Weise wie Nudeln von Fadennudeln.

Das ist vielleicht alles, was kurz über eine der Theorien gesagt werden kann, die nicht ohne Grund heute den Anspruch erhebt, die universelle Theorie der Großen Vereinigung aller Kräftewechselwirkungen zu sein. "
en.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D... Superstring-Theorie.
Eine universelle Theorie, die alle physikalischen Wechselwirkungen erklärt: elementy.ru/trefil/21216
„Es gibt vier grundlegende Kräfte in der Natur, und alle physikalischen Phänomene treten als Ergebnis von Wechselwirkungen zwischen physischen Objekten auf, die auf eine oder mehrere dieser Kräfte zurückzuführen sind. Die vier Arten von Wechselwirkungen, in absteigender Reihenfolge ihrer Stärke, sind:

* starke Wechselwirkung, die Quarks in der Zusammensetzung von Hadronen und Nukleonen in der Zusammensetzung des Atomkerns hält;
* elektromagnetische Wechselwirkung zwischen elektrischen Ladungen und Magneten;
* schwache Wechselwirkung, die einige Arten von Reaktionen des radioaktiven Zerfalls verursacht; und
* Gravitationswechselwirkung.

In der klassischen Newtonschen Mechanik ist jede Kraft nur eine anziehende oder abstoßende Kraft, die eine Veränderung in der Art der Bewegung eines physischen Körpers bewirkt. In modernen Quantentheorien wird der Kraftbegriff (heute als Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen interpretiert) allerdings etwas anders interpretiert. Die Kraftwechselwirkung wird nun als Ergebnis eines Wechselwirkungsträger-Teilchenaustausches zwischen zwei wechselwirkenden Teilchen angesehen. Bei diesem Ansatz beruht die elektromagnetische Wechselwirkung beispielsweise zwischen zwei Elektronen auf dem Austausch eines Photons zwischen ihnen, und in ähnlicher Weise führt der Austausch anderer intermediärer Teilchen zur Entstehung von drei anderen Arten von Wechselwirkungen. (Einzelheiten finden Sie unter Standardmodell.)

Darüber hinaus wird die Art der Wechselwirkung durch die physikalischen Eigenschaften der Trägerpartikel bestimmt. Insbesondere das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation und das Coulombsche Gesetz haben genau deshalb dieselbe mathematische Formulierung, weil in beiden Fällen die Wechselwirkungsträger Teilchen ohne Ruhemasse sind. Schwache Wechselwirkungen treten nur in extrem geringen Abständen auf (eigentlich nur innerhalb des Atomkerns), da ihre Träger - Eichbosonen - sehr schwere Teilchen sind. Starke Wechselwirkungen treten auch nur in mikroskopischen Abständen auf, aber aus einem anderen Grund: Hier geht es um das „Einfangen von Quarks“ im Inneren von Hadronen und Fermionen (siehe Standardmodell).

Die optimistischen Bezeichnungen „universelle Theorie“, „Theorie von allem“, „Theorie der großen Vereinigung“, „ultimative Theorie“ werden heute für jede Theorie verwendet, die versucht, alle vier Wechselwirkungen zu vereinen, indem sie sie als unterschiedliche Manifestationen einer einzigen und großen Kraft betrachtet. Wenn dies möglich wäre, würde das Bild der Struktur der Welt bis an die Grenze vereinfacht werden. Alle Materie würde nur aus Quarks und Leptonen bestehen (siehe Standardmodell), und zwischen all diesen Teilchen würden gleichartige Kräfte wirken. Die Gleichungen, die die grundlegenden Wechselwirkungen zwischen ihnen beschreiben, wären so kurz und klar, dass sie auf eine Postkarte passen würden, während sie tatsächlich die Grundlage aller im Universum beobachteten Prozesse ausnahmslos beschreiben. Laut dem Nobelpreisträger, dem amerikanischen theoretischen Physiker Steven Weinberg (Steven Weinberg, 1933–1996), „wäre dies eine tiefgreifende Theorie, von der das Interferenzbild der Struktur des Universums in alle Richtungen abweicht, und tiefere theoretische Grundlagen wären dies nicht in Zukunft erforderlich sein.“ Wie aus den durchgehenden Konjunktivformen im Zitat hervorgeht, existiert eine solche Theorie noch nicht. Es bleibt uns nur, die ungefähren Umrisse des Prozesses zu skizzieren, der zur Entwicklung einer solch umfassenden Theorie führen kann.
~
Alle Vereinheitlichungstheorien gehen davon aus, dass bei ausreichend hohen Wechselwirkungsenergien zwischen Teilchen (wenn sie eine Geschwindigkeit nahe der Grenzlichtgeschwindigkeit haben) „Eis schmilzt“, die Grenze zwischen verschiedenen Arten von Wechselwirkungen gelöscht wird und alle Kräfte beginnen zu schmelzen genauso handeln. Gleichzeitig sagen Theorien voraus, dass dies nicht gleichzeitig für alle vier Kräfte geschieht, sondern stufenweise, wenn die Wechselwirkungsenergien ansteigen.

Die niedrigste Energieschwelle, bei der es zur ersten Verschmelzung von Kräften unterschiedlicher Art kommen kann, ist extrem hoch, liegt aber bereits im Bereich modernster Beschleuniger. Die Teilchenenergien in den frühen Stadien des Urknalls waren extrem hoch (siehe auch das frühe Universum). In den ersten 10–10 s sorgten sie für die Vereinigung schwacher nuklearer und elektromagnetischer Kräfte zur elektroschwachen Wechselwirkung. Erst von diesem Moment an trennten sich alle vier uns bekannten Kräfte endgültig. Bis zu diesem Moment gab es nur drei grundlegende Kräfte: starke, elektroschwache und gravitative Wechselwirkungen.
~
Die nächste Vereinigung findet bei Energien statt, die weit über denen liegen, die unter den Bedingungen irdischer Laboratorien erreichbar sind – sie existierten im Universum in den ersten 10e(–35) s seiner Existenz. Ausgehend von diesen Energien verbindet sich die elektroschwache Wechselwirkung mit der starken. Theorien, die den Prozess einer solchen Vereinigung beschreiben, werden große Vereinigungstheorien (GUT) genannt. Es ist unmöglich, sie an experimentellen Anordnungen zu überprüfen, aber sie sagen den Verlauf einer Reihe von Prozessen, die bei niedrigeren Energien ablaufen, gut voraus, und dies dient als indirekte Bestätigung ihrer Wahrheit. Auf MSW-Ebene sind unsere Möglichkeiten, universelle Theorien zu testen, jedoch erschöpft. Dann beginnt der Bereich der Superunification Theorys (SUT) oder allgemeinen Theorien – und schon bei deren bloßer Erwähnung erstrahlt ein Funkeln in den Augen theoretischer Physiker. Eine konsistente TFR würde es ermöglichen, die Schwerkraft mit einer einzigen stark-elektroschwachen Kraft zu vereinen, und die Struktur des Universums würde die einfachstmögliche Erklärung erhalten."
Die Suche des Menschen nach Gesetzen und Formeln, die alle physikalischen Phänomene erklären, wird erwähnt. Diese Suche umfasst Prozesse auf Mikroebene und Prozesse auf Makroebene. Sie unterscheiden sich in der Stärke oder Energie, die ausgetauscht wird.
Wechselwirkungen auf der Ebene des Magnetfeldes werden durch Elektromagnetismus beschrieben.

"Elektromagnetismus*

Der Beginn der Lehre von elektromagnetischen Phänomenen wurde durch die Entdeckung von Oersted gelegt. 1820 zeigte Oersted, dass ein stromdurchflossener Draht eine Magnetnadel zum Ablenken brachte. Er untersuchte diese Abweichung unter qualitativen Gesichtspunkten eingehend, gab aber keine allgemeine Regel an, anhand derer sich die Richtung der Abweichung im Einzelfall bestimmen ließe. Nach Oersted gingen die Entdeckungen eine nach der anderen. Ampère (1820) veröffentlichte seine Arbeiten über die Wirkung von Strom auf Strom oder Strom auf einen Magneten. Ampere besitzt die allgemeine Regel für die Stromeinwirkung auf eine Magnetnadel: Wenn Sie sich vorstellen, sich im Leiter zu befinden, der Magnetnadel zugewandt und außerdem so, dass der Strom eine Richtung von den Beinen zum Kopf hat, dann weicht der Nordpol ab Nach links. Weiter werden wir sehen, dass Ampère elektromagnetische Phänomene auf elektrodynamische Phänomene reduzierte (1823). Auch die Arbeiten von Arago gehören zu 1820, der bemerkte, dass ein Draht, durch den elektrischer Strom fließt, Eisenspäne anzieht. Er magnetisierte auch zum ersten Mal Eisen- und Stahldrähte und legte sie in Spulen aus Kupferdrähten, durch die Strom floss. Es gelang ihm auch, die Nadel zu magnetisieren, indem er sie in eine Spule steckte und ein Leyden-Gefäß durch die Spule entlud. Unabhängig von Arago wurde die Magnetisierung von Stahl und Eisen durch Strom von Davy entdeckt.

Die ersten quantitativen Bestimmungen der Stromeinwirkung auf einen Magneten in gleicher Weise stammen aus dem Jahr 1820 und stammen von Biot und Savart.
Wenn wir eine kleine Magnetnadel sn in der Nähe eines langen vertikalen Leiters AB befestigen und das Erdfeld mit einem Magneten NS in Erstaunen versetzen (Abb. 1), dann können wir Folgendes feststellen:

1. Beim Stromdurchgang durch den Leiter wird die Magnetnadel mit ihrer Länge rechtwinklig zur Senkrechten gestellt, von der Pfeilmitte auf den Leiter abgesenkt.

2. Die auf den einen oder anderen Pol n und s wirkende Kraft steht senkrecht auf der Ebene, die durch den Leiter und diesen Pol gezogen wird

3. Die Kraft, mit der ein bestimmter Strom auf eine Magnetnadel wirkt, die durch einen sehr langen geraden Leiter fließt, ist umgekehrt proportional zum Abstand des Leiters zur Magnetnadel.

Alle diese und andere Beobachtungen lassen sich aus dem folgenden elementaren quantitativen Gesetz ableiten, das als Laplace-Biot-Savart-Gesetz bekannt ist:

dF = k(imSin θ ds)/r2, (1),

wobei dF die Wirkung des Stromelements auf den Magnetpol ist; i - Stromstärke; m ist die Magnetismusmenge, θ ist der Winkel, der durch die Richtung des Stroms in dem Element mit der Linie gebildet wird, die den Pol mit dem Stromelement verbindet; ds ist die Länge des aktuellen Elements; r ist der Abstand des betrachteten Elements vom Pol; k - Proportionalitätskoeffizient.

Basierend auf dem Gesetz, Aktion ist gleich Reaktion, folgerte Ampère, dass der Magnetpol mit der gleichen Kraft auf das Stromelement wirken muss

dФ = k(imSin θ ds)/r2, (2)

Kraft dF in direkt entgegengesetzter Richtung, die in die gleiche Richtung wirkt und einen rechten Winkel mit der Ebene bildet, die durch den Pol und dieses Element verläuft. Obwohl die Ausdrücke (1) und (2) gut mit Experimenten übereinstimmen, muss man sie dennoch nicht als Naturgesetz betrachten, sondern als bequemes Mittel zur Beschreibung der quantitativen Seite von Prozessen. Der Hauptgrund dafür ist, dass wir keine anderen Strömungen als geschlossene kennen und daher die Annahme eines Stromelements grundsätzlich falsch ist. Wenn wir ferner zu den Ausdrücken (1) und (2) einige Funktionen hinzufügen, die nur durch die Bedingung begrenzt sind, dass ihr Integral über eine geschlossene Kontur gleich Null ist, wird die Übereinstimmung mit Experimenten nicht weniger vollständig sein.

Alle oben genannten Tatsachen führen zu dem Schluss, dass der elektrische Strom ein Magnetfeld um sich herum verursacht. Für die magnetische Kraft dieses Feldes müssen alle für ein magnetisches Feld allgemein gültigen Gesetze gelten. Insbesondere ist es durchaus angebracht, den Begriff der Kraftlinien eines durch einen elektrischen Strom verursachten Magnetfeldes einzuführen. Die Richtung der Kraftlinien kann dabei in üblicher Weise mittels Eisenspänen festgestellt werden. Führt man einen senkrechten stromführenden Draht durch eine waagerechte Pappbahn und streut Sägemehl auf die Pappe, so ordnen sich die Sägemehle bei leichtem Klopfen in konzentrischen Kreisen an, wenn nur der Leiter lang genug ist.
Da sich die Kraftlinien um den Draht schließen und da die Kraftlinie den Weg bestimmt, entlang dem sich eine magnetische Einheit in einem gegebenen Feld bewegen würde, ist es klar, dass es möglich ist, den Magnetpol dazu zu bringen, sich um den Strom zu drehen. Das erste Gerät, in dem eine solche Rotation durchgeführt wurde, wurde von Faraday gebaut. Offensichtlich kann die Stärke des Magnetfelds verwendet werden, um die Stärke des Stroms zu beurteilen. Zu dieser Frage kommen wir jetzt.

Wenn wir das magnetische Potential eines sehr langen geradlinigen Stroms betrachten, können wir leicht beweisen, dass dieses Potential mehrwertig ist. Er kann an einem gegebenen Punkt unendlich viele verschiedene Werte haben, die sich um 4 kmi π voneinander unterscheiden, wobei k der Koeffizient ist, die restlichen Buchstaben sind bekannt. Dies erklärt die Möglichkeit der kontinuierlichen Rotation des Magnetpols um den Strom. 4 kmi π ist die während einer Polumdrehung verrichtete Arbeit; es wird der Energie der Stromquelle entnommen. Von besonderem Interesse ist der Fall eines geschlossenen Stroms. Wir können uns einen geschlossenen Strom als eine Schleife vorstellen, die auf einem Draht gebildet wird, durch den Strom fließt. Die Schleife hat eine beliebige Form. Die beiden Enden der Schleife werden zu einem Bündel (Schnur) gefaltet und gehen zu einem weit entfernten Element.

Was bewirkt, dass manche Metalle von einem Magneten angezogen werden? Warum zieht ein Magnet nicht alle Metalle an? Warum zieht eine Seite eines Magneten Metall an und die andere Seite stößt es ab? Und was macht Neodym-Metalle so stark?

Um all diese Fragen zu beantworten, müssen Sie zunächst den Magneten selbst definieren und sein Prinzip verstehen. Magnete sind Körper, die aufgrund der Wirkung ihres Magnetfelds die Fähigkeit haben, Eisen- und Stahlgegenstände anzuziehen und andere abzustoßen. Die magnetischen Feldlinien kommen vom Südpol des Magneten und treten am Nordpol aus. Ein Permanent- oder Hartmagnet erzeugt ständig sein eigenes Magnetfeld. Ein Elektromagnet oder Weichmagnet kann Magnetfelder nur in Gegenwart eines Magnetfelds und nur für kurze Zeit erzeugen, während er sich in der Wirkungszone des einen oder anderen Magnetfelds befindet. Elektromagnete erzeugen nur dann Magnetfelder, wenn Strom durch den Spulendraht geleitet wird.

Bis vor kurzem wurden alle Magnete aus metallischen Elementen oder Legierungen hergestellt. Die Zusammensetzung des Magneten bestimmte seine Kraft. Zum Beispiel:

Keramische Magnete, wie sie in Kühlschränken und für primitive Experimente verwendet werden, enthalten neben keramischen Verbundmaterialien auch Eisenerz. Die meisten Keramikmagnete, auch Eisenmagnete genannt, haben keine große Anziehungskraft.

"Alnico-Magnete" bestehen aus Legierungen aus Aluminium, Nickel und Kobalt. Sie sind stärker als Keramikmagnete, aber viel schwächer als einige seltene Elemente.

Neodym-Magnete bestehen aus Eisen, Bor und dem seltenen Element Neodym, das in der Natur vorkommt.

Kobalt-Samarium-Magnete enthalten Kobalt und das in der Natur selten vorkommende Element Samarium. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler auch magnetische Polymere, sogenannte Kunststoffmagnete, entdeckt. Einige von ihnen sind sehr flexibel und plastisch. Einige arbeiten jedoch nur bei extrem niedrigen Temperaturen, während andere nur sehr leichte Materialien wie Metallspäne heben können. Aber um die Eigenschaften eines Magneten zu haben, braucht jedes dieser Metalle Stärke.

Magnete herstellen

Viele moderne elektronische Geräte arbeiten auf der Basis von Magneten. Die Verwendung von Magneten für die Herstellung von Geräten ist relativ neu, da die in der Natur vorkommenden Magnete nicht die notwendige Stärke für den Betrieb von Geräten haben und erst als es den Menschen gelang, sie leistungsfähiger zu machen, wurden sie zu einem unverzichtbaren Element in Produktion. Eisenerz, eine Art Magnetit, gilt als der stärkste in der Natur vorkommende Magnet. Es ist in der Lage, kleine Gegenstände wie Büroklammern und Heftklammern an sich zu ziehen.

Irgendwann im 12. Jahrhundert entdeckten die Menschen, dass mit Hilfe von Eisenerz Eisenpartikel magnetisiert werden konnten – so erschufen die Menschen den Kompass. Sie bemerkten auch, dass, wenn Sie ständig einen Magneten entlang einer Eisennadel ziehen, die Nadel magnetisiert wird. Die Nadel selbst wird in Nord-Süd-Richtung gezogen. Später erklärte der berühmte Wissenschaftler William Gilbert, dass die Bewegung der magnetisierten Nadel in Nord-Süd-Richtung darauf zurückzuführen ist, dass unser Planet Erde einem riesigen Magneten mit zwei Polen - dem Nord- und dem Südpol - sehr ähnlich ist. Die Kompassnadel ist nicht so stark wie viele der heute verwendeten Permanentmagnete. Aber der physikalische Prozess, der Kompassnadeln und Stücke aus Neodym-Legierung magnetisiert, ist ziemlich gleich. Es geht um mikroskopisch kleine Bereiche, sogenannte magnetische Domänen, die Teil der Struktur ferromagnetischer Materialien wie Eisen, Kobalt und Nickel sind. Jede Domäne ist ein winziger, separater Magnet mit einem Nord- und einem Südpol. Bei nicht magnetisierten ferromagnetischen Materialien zeigt jeder der Nordpole in eine andere Richtung. In entgegengesetzte Richtungen weisende magnetische Domänen heben sich gegenseitig auf, sodass das Material selbst kein Magnetfeld erzeugt.

Bei Magneten hingegen zeigen fast alle oder zumindest die meisten magnetischen Domänen in die gleiche Richtung. Anstatt sich gegenseitig auszugleichen, verbinden sich mikroskopisch kleine Magnetfelder zu einem großen Magnetfeld. Je mehr Domänen in die gleiche Richtung zeigen, desto stärker ist das Magnetfeld. Das Magnetfeld jeder Domäne erstreckt sich von ihrem Nordpol zu ihrem Südpol.

Das erklärt, warum man, wenn man einen Magneten in zwei Hälften zerbricht, zwei kleine Magnete mit Nord- und Südpol erhält. Dies erklärt auch, warum sich entgegengesetzte Pole anziehen – Kraftlinien treten aus dem Nordpol eines Magneten aus und dringen in den Südpol eines anderen ein, wodurch sich die Metalle anziehen und einen größeren Magneten bilden. Die Abstoßung erfolgt nach dem gleichen Prinzip - die Kraftlinien bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen, und infolge einer solchen Kollision beginnen sich die Magnete abzustoßen.

Magnete herstellen

Um einen Magneten herzustellen, müssen Sie nur die magnetischen Domänen des Metalls in eine Richtung "richten". Dazu müssen Sie das Metall selbst magnetisieren. Betrachten Sie noch einmal den Fall mit einer Nadel: Wenn der Magnet ständig in eine Richtung entlang der Nadel bewegt wird, ist die Richtung aller seiner Bereiche (Domänen) ausgerichtet. Magnetische Domänen können jedoch auch auf andere Weise ausgerichtet werden, zum Beispiel:

Platzieren Sie das Metall in einem starken Magnetfeld in Nord-Süd-Richtung. -- Bewegen Sie den Magneten in Nord-Süd-Richtung, schlagen Sie ständig mit einem Hammer darauf und richten Sie seine magnetischen Domänen aus. - Leiten Sie einen elektrischen Strom durch den Magneten.

Wissenschaftler vermuten, dass zwei dieser Methoden erklären, wie natürliche Magnete in der Natur entstehen. Andere Wissenschaftler argumentieren, dass magnetisches Eisenerz nur dann zu einem Magneten wird, wenn es von einem Blitz getroffen wird. Wieder andere glauben, dass sich Eisenerz in der Natur zur Zeit der Entstehung der Erde in einen Magneten verwandelt hat und bis heute überlebt hat.

Die heute gebräuchlichste Methode zur Herstellung von Magneten ist das Einbringen von Metall in ein Magnetfeld. Das Magnetfeld dreht sich um ein bestimmtes Objekt und beginnt, alle seine Domänen auszurichten. An diesem Punkt kann es jedoch zu einer Verzögerung in einem dieser miteinander verbundenen Prozesse kommen, die als Hysterese bezeichnet wird. Es kann mehrere Minuten dauern, bis die Domänen die Richtung in eine Richtung ändern. Während dieses Vorgangs passiert Folgendes: Die magnetischen Regionen beginnen sich zu drehen und richten sich entlang der Nord-Süd-Magnetfeldlinie aus.

Flächen, die bereits in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet sind, werden größer, während die umliegenden Flächen kleiner werden. Domänenwände, die Grenzen zwischen benachbarten Domänen, erweitern sich allmählich, wodurch die Domäne selbst zunimmt. In einem sehr starken Magnetfeld verschwinden einige Domänenwände vollständig.

Es stellt sich heraus, dass die Stärke des Magneten von der Kraft abhängt, die verwendet wird, um die Richtung der Domänen zu ändern. Die Stärke der Magnete hängt davon ab, wie schwierig es war, diese Domänen auszurichten. Schwer magnetisierbare Materialien behalten ihren Magnetismus über längere Zeit, während leicht magnetisierbare Materialien dazu neigen, schnell zu entmagnetisieren.

Es ist möglich, die Stärke eines Magneten zu verringern oder ihn vollständig zu entmagnetisieren, indem das Magnetfeld in die entgegengesetzte Richtung gelenkt wird. Das Material kann auch entmagnetisiert werden, wenn es bis zum Curie-Punkt erhitzt wird, d.h. die Temperaturgrenze des ferroelektrischen Zustands, bei der das Material seinen Magnetismus zu verlieren beginnt. Die hohe Temperatur entmagnetisiert das Material und regt die magnetischen Partikel an, wodurch das Gleichgewicht der magnetischen Domänen gestört wird.

Transport von Magneten

Große, starke Magnete werden in vielen Bereichen menschlicher Aktivitäten eingesetzt - von der Aufzeichnung von Daten bis zum Leiten von Strom durch Drähte. Die Hauptschwierigkeit bei der Anwendung in der Praxis liegt jedoch im Transport von Magneten. Während des Transports können Magnete andere Gegenstände beschädigen oder andere Gegenstände können sie beschädigen, was ihre Verwendung erschwert oder nahezu unmöglich macht. Darüber hinaus ziehen Magnete ständig verschiedene ferromagnetische Fragmente an sich, die dann sehr schwierig und manchmal gefährlich zu beseitigen sind.

Daher werden beim Transport sehr große Magnete in spezielle Kisten gelegt oder ferromagnetische Materialien einfach transportiert, aus denen mit speziellen Geräten Magnete hergestellt werden. Tatsächlich ist ein solches Gerät ein einfacher Elektromagnet.

Warum haften Magnete aneinander?

Sie wissen wahrscheinlich aus Ihrem Physikunterricht, dass ein magnetisches Feld entsteht, wenn ein elektrischer Strom durch einen Draht fließt. Auch bei Permanentmagneten entsteht das Magnetfeld durch die Bewegung einer elektrischen Ladung. Das Magnetfeld in Magneten wird jedoch nicht durch die Bewegung von Strom durch die Drähte gebildet, sondern durch die Bewegung von Elektronen.

Viele Leute denken, dass Elektronen winzige Teilchen sind, die um den Kern eines Atoms kreisen, ähnlich wie die Planeten um die Sonne kreisen. Aber wie Quantenphysiker erklären, ist die Bewegung von Elektronen viel komplizierter als das. Zunächst füllen die Elektronen die Schalenorbitale des Atoms, wo sie sich sowohl als Teilchen als auch als Wellen verhalten. Elektronen haben Ladung und Masse und können sich in verschiedene Richtungen bewegen.

Und während die Elektronen eines Atoms keine langen Strecken zurücklegen, reicht diese Bewegung aus, um ein winziges Magnetfeld zu erzeugen. Und da sich die gepaarten Elektronen in entgegengesetzte Richtungen bewegen, gleichen sich ihre Magnetfelder aus. In den Atomen ferromagnetischer Elemente hingegen sind die Elektronen nicht gepaart und bewegen sich in die gleiche Richtung. Beispielsweise hat Eisen bis zu vier unverbundene Elektronen, die sich in die gleiche Richtung bewegen. Da sie keine entgegengesetzten Felder haben, haben diese Elektronen ein orbitales magnetisches Moment. Das magnetische Moment ist ein Vektor, der seine eigene Größe und Richtung hat.

In Metallen wie Eisen zwingt das orbitale magnetische Moment benachbarte Atome dazu, sich entlang Nord-Süd-Feldlinien auszurichten. Eisen hat wie andere ferromagnetische Materialien eine kristalline Struktur. Beim Abkühlen nach dem Gießprozess ordnen sich Atomgruppen aus einer parallelen Rotationsbahn innerhalb der Kristallstruktur an. So entstehen magnetische Domänen.

Sie haben vielleicht bemerkt, dass die Materialien, aus denen gute Magnete hergestellt werden, auch in der Lage sind, die Magnete selbst anzuziehen. Dies liegt daran, dass Magnete Materialien mit ungepaarten Elektronen anziehen, die sich in die gleiche Richtung drehen. Mit anderen Worten, die Eigenschaft, die Metall in einen Magneten verwandelt, zieht auch Metall zu Magneten. Viele andere Elemente sind diamagnetisch – sie bestehen aus ungepaarten Atomen, die ein Magnetfeld erzeugen, das den Magneten leicht abstößt. Einige Materialien interagieren überhaupt nicht mit Magneten.

Magnetfeldmessung

Das Magnetfeld kann mit speziellen Instrumenten wie einem Fluxmeter gemessen werden. Es kann auf verschiedene Arten beschrieben werden: - Magnetische Kraftlinien werden in Weber (WB) gemessen. In elektromagnetischen Systemen wird dieser Fluss mit Strom verglichen.

Die Feldstärke oder Flussdichte wird in Tesla (T) oder in der Einheit Gauss (G) gemessen. Ein Tesla entspricht 10.000 Gauss.

Die Feldstärke kann auch in Weber pro Quadratmeter gemessen werden. -- Die Größe des Magnetfelds wird in Ampere pro Meter oder Oersted gemessen.

Mythen über den Magneten

Magneten begegnen wir den ganzen Tag. Sie finden sich zum Beispiel in Computern: Eine Festplatte nimmt alle Informationen mit einem Magneten auf, und auch in vielen Computermonitoren kommen Magnete zum Einsatz. Magnete sind auch integraler Bestandteil von CRT-Fernsehern, Lautsprechern, Mikrofonen, Generatoren, Transformatoren, Elektromotoren, Kassetten, Kompassen und Autogeschwindigkeitsmessern. Magnete haben erstaunliche Eigenschaften. Sie können Strom in den Drähten induzieren und den Motor zum Drehen bringen. Ein ausreichend starkes Magnetfeld kann kleine Gegenstände oder sogar kleine Tiere anheben. Magnetschwebebahnen entwickeln nur aufgrund des magnetischen Schubs eine hohe Geschwindigkeit. Laut dem Magazin Wired führen manche Menschen sogar winzige Neodym-Magnete in ihre Finger ein, um elektromagnetische Felder zu erkennen.

Magnetresonanztomographen, die von einem Magnetfeld angetrieben werden, ermöglichen es Ärzten, die inneren Organe von Patienten zu untersuchen. Ärzte verwenden auch ein elektromagnetisches gepulstes Feld, um zu sehen, ob sich gebrochene Knochen nach einem Aufprall richtig heilen. Ein ähnliches elektromagnetisches Feld wird von Astronauten verwendet, die sich längere Zeit in der Schwerelosigkeit befinden, um Muskelverspannungen und Knochenbrüchen vorzubeugen.

Magnete werden auch in der tierärztlichen Praxis zur Behandlung von Tieren eingesetzt. Beispielsweise leiden Kühe oft an traumatischer Retikuloperikarditis, einer komplexen Krankheit, die sich bei diesen Tieren entwickelt, die oft kleine Metallgegenstände zusammen mit Futter schlucken, die die Wände des Magens, der Lunge oder des Herzens des Tieres beschädigen können. Daher verwenden erfahrene Landwirte oft vor dem Füttern von Kühen einen Magneten, um ihr Futter von kleinen ungenießbaren Teilen zu reinigen. Hat die Kuh jedoch bereits schädliche Metalle verschluckt, wird ihr der Magnet mit dem Futter gegeben. Lange, dünne Alnico-Magnete, auch „Kuhmagnete“ genannt, ziehen alle Metalle an und verhindern, dass diese dem Kuhmagen schaden. Solche Magnete helfen wirklich, ein krankes Tier zu heilen, aber es ist immer noch besser sicherzustellen, dass keine schädlichen Elemente in das Kuhfutter gelangen. Für Menschen ist es kontraindiziert, Magnete zu schlucken, da Magnete, die in verschiedene Körperteile gelangt sind, immer noch angezogen werden, was zu einer Blockierung des Blutflusses und zur Zerstörung von Weichteilen führen kann. Wenn eine Person einen Magneten verschluckt, muss sie daher operiert werden.

Einige Leute glauben, dass die Magnetfeldtherapie die Zukunft der Medizin ist, da sie eine der einfachsten und dennoch wirksamsten Behandlungen für viele Krankheiten ist. Viele Menschen haben die Wirkung eines Magnetfeldes bereits in der Praxis erlebt. Magnetische Armbänder, Halsketten, Kissen und viele andere ähnliche Produkte sind besser als Pillen, um eine Vielzahl von Krankheiten zu behandeln - von Arthritis bis Krebs. Einige Ärzte glauben auch, dass ein Glas magnetisiertes Wasser als vorbeugende Maßnahme die meisten unangenehmen Beschwerden heilen kann. In Amerika werden jährlich etwa 500 Millionen US-Dollar für die Magnetfeldtherapie ausgegeben, und Menschen auf der ganzen Welt geben durchschnittlich 5 Milliarden US-Dollar für eine solche Behandlung aus.

Befürworter der Magnetfeldtherapie interpretieren den Nutzen dieser Behandlungsmethode unterschiedlich. Einige sagen, dass der Magnet das im Hämoglobin enthaltene Eisen im Blut anziehen kann, wodurch die Durchblutung verbessert wird. Andere behaupten, dass das Magnetfeld irgendwie die Struktur benachbarter Zellen verändert. Gleichzeitig haben wissenschaftliche Studien nicht bestätigt, dass die Verwendung von statischen Magneten eine Person von Schmerzen befreien oder eine Krankheit heilen kann.

Einige Befürworter schlagen auch vor, dass alle Menschen Magnete verwenden, um Wasser in ihren Häusern zu reinigen. Wie die Hersteller selbst sagen, können große Magnete hartes Wasser reinigen, indem sie alle schädlichen ferromagnetischen Legierungen daraus entfernen. Wissenschaftler sagen jedoch, dass es nicht Ferromagnete sind, die Wasser hart machen. Darüber hinaus zeigten zwei Jahre praktischer Anwendung von Magneten keine Veränderungen in der Zusammensetzung des Wassers.

Aber obwohl Magnete wahrscheinlich keine heilende Wirkung haben, sind sie dennoch eine Untersuchung wert. Wer weiß, vielleicht enthüllen wir in Zukunft noch die nützlichen Eigenschaften von Magneten.