Sie können sich ein paramagnetisches Material als ein Bündel quantenmechanischer Spins vorstellen, die in zufällige Richtungen ausgerichtet sind. Wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird, richtet sich ein Bruchteil der Spins mit dem Magnetfeld aus. Je stärker das externe Magnetfeld ist, desto größer ist die Anzahl der Spins, die sich darauf ausrichten.
Wir betrachten nun ein Experiment, bei dem ein paramagnetisches Material in einem Vakuum schwebt und mit nichts interagiert. Ein Experimentator variiert ein externes Magnetfeld. Wenn das externe Magnetfeld geändert wird, ändert sich auch die Anzahl der darauf ausgerichteten Spins.
Allerdings tragen quantenmechanische Spins auch einen Drehimpuls. Je stärker die Spins insgesamt ausgerichtet sind, desto größer ist der Gesamtdrehimpuls. Wie kann sich also die Anzahl der auf das Magnetfeld ausgerichteten Spins ändern, wenn es für sie keine Möglichkeit gibt, ihren Drehimpuls auf ein anderes Objekt zu übertragen? Was würde eigentlich in dem von mir beschriebenen Experiment passieren? Was ist der Prozess, durch den die Spins umgedreht werden, wenn sich das Magnetfeld ändert, und wie verletzt er nicht die Erhaltung des Drehimpulses?
Das ist das berühmte Einstein-de-Haas-Experiment . Die Antwort ist, dass sich der Magnet verdreht.
Sie können sich ein paramagnetisches Material als ein Bündel quantenmechanischer Spins vorstellen, die in zufällige Richtungen ausgerichtet sind.
Um besser zu verstehen, was passiert, schlage ich vor, dass Sie parallel über die magnetischen Dipole der subatomaren Teilchen nachdenken. Sie sind zufällig in nichtmagnetischen Materialien verteilt. Um nicht missverstanden zu werden, in jedem Atom oder Molekül sind die magnetischen Momente gut ausgerichtet (Paulis-Prinzip). Auf einer größeren Skala des Materials werden diese magnetischen Momente in nichtmagnetischen Materialien neutralisiert.
Wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird, richtet sich ein Bruchteil der Spins mit dem Magnetfeld aus. Je stärker das externe Magnetfeld ist, desto größer ist die Anzahl der Spins, die sich darauf ausrichten.
Perfekt. Und wenn man parallel über die magnetischen Momente nachdenkt, wird klar, warum das äußere Magnetfeld diese Ausrichtungen vornimmt.
Wir betrachten nun ein Experiment, bei dem ein paramagnetisches Material in einem Vakuum schwebt und mit nichts interagiert. Ein Experimentator variiert ein externes Magnetfeld. Wenn das externe Magnetfeld geändert wird, ändert sich auch die Anzahl der darauf ausgerichteten Spins.
Gute Beschreibung. Eine kleine Anmerkung: Die Ausrichtung ist nicht vollständig. Die magnetischen Momente der nicht oder nicht so perfekt beeinflussten Teilchen verhindern, dass andere Teilchen eine perfekte Ausrichtung erreichen. Eine perfekte Ausrichtung ist daher nicht der Regelfall. Außerdem verhindert die Temperatur eines Körpers (der Austausch mit der Umgebung durch Photonenemission und -absorption) die stabile parallele Ausrichtung der Teilchen. Die besten Ergebnisse werden daher mit ultragekühlten Materialien erzielt.
Allerdings tragen quantenmechanische Spins auch einen Drehimpuls. Je stärker die Spins insgesamt ausgerichtet sind, desto größer ist der Gesamtdrehimpuls. Wie kann sich also die Anzahl der auf das Magnetfeld ausgerichteten Spins ändern, wenn es für sie keine Möglichkeit gibt, ihren Drehimpuls auf ein anderes Objekt zu übertragen?
Ich beschreibe es lieber etwas anders. Die Ausrichtung des magnetischen Dipolmoments der Teilchen ist eine Drehung, und das Moment dieser Drehungen muss durch eine andere Drehung kompensiert werden. Solange die magnetischen Dipole zufällig verteilt sind, kompensieren sich diese Rotationen und die Summe ist Null. (Was man bekommt, ist in jedem Fall eine Veränderung der Abmessungen des Körpers aufgrund des unterschiedlichen Platzbedarfs der ausgerichteten Partikel).
Was würde eigentlich in dem von mir beschriebenen Experiment passieren? Was ist der Prozess, durch den die Spins umgedreht werden, wenn sich das Magnetfeld ändert, und wie verletzt er nicht die Erhaltung des Drehimpulses?
Dass meine obige Beschreibung die Drehimpulserhaltung nicht verletzt, wird klar, wenn man sich vorstellt, was passiert, wenn man das äußere Feld abschaltet.
Wenn sich das Material nicht in einem Zustand der Selbstausrichtung befindet (es wurde nicht in einen Dauermagneten umgewandelt), kehren die Partikel ganz oder teilweise in ihre vorherige Ausrichtung zurück. Jedenfalls in alle Richtungen (weil zufällig beim Ausrichten) – und die Drehmomente kompensieren sich wieder.
Wird das Material in einen Dauermagneten umgewandelt, passiert nichts.
Werden die Partikel vorher ausgerichtet, bewirkt ein wechselndes (und nicht paralleles) äußeres Feld naturgemäß eine seitliche Auslenkung des Körpers. Siehe die Antwort zum Einstein-de Haas-Experiment.
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Mike Stein
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