Warum ist die Richtung des Magnetfelds in einem Magneten vom Süd- zum Nordpol?

In der Natur wurde noch kein magnetischer Monopol entdeckt. Alle Magnete, die wir haben, werden durch eine bestimmte Art von Strom erzeugt (wie der Spin eines Elektrons). Der Prototyp eines Magneten ist also ein Solenoid .

Nun, es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, die Richtung des Magnetfelds im Solenoid zu argumentieren. Wenn Sie zuvor Physikeinführung belegt haben, verwenden Sie bitte Biot-Savart . Wenn nicht, ist der intuitivste Weg wahrscheinlich die Annahme, dass das Magnetfeld glatt sein sollte (dies basiert auf der Annahme, dass es keinen magnetischen Monopol gibt). Der Nordpol ist definiert als der Ort, an dem das Magnetfeld austritt. Aufgrund der Glätteannahme sollte die Richtung des Magnetfelds auch dann gleich sein, wenn Sie ein wenig in die Magnetspule hineingehen (vom Nordpol), die jetzt "in Richtung Nordpol zeigt". Daher sollte es innen vom Südpol zum Nordpol zeigen.

Nehmen Sie viele kleine Magnete, die alle in die gleiche Richtung zeigen, und kleben Sie sie zusammen. Sie erhalten so etwas wie:

Dies ist ein ziemlich gutes Modell für einen typischen Stabmagneten. Die einzelnen kleinen Magnete sind einzelne Atome. Platzieren Sie nun Ihren hypothetischen Nordpol in diesem größeren Magneten, und Sie können sehen, in welche Richtung er gedrückt wird.

Bisher habe ich ein Bild zitiert, das auch in der Antwort von HolgerFiedler erwähnt wurde. Aber ich möchte das noch etwas weiter ausführen.

Die nächste Frage könnte sein: "Aber was ist mit diesen kleinen Magneten, was ist in ihnen drin?" Die Antwort auf diese Frage lautet, dass der Magnetismus einzelner Atome teilweise durch intrinsischen Magnetismus verursacht wird, den Teilchen wie Elektronen haben, und teilweise durch Ströme im Atom, die mit der Ladung des Elektrons und seiner Bewegung zusammenhängen. Beide erfordern eine quantenphysikalische Beschreibung, aber beide respektieren die Gleichungen des klassischen Elektromagnetismus, die Maxwell-Gleichungen genannt werden, und letztendlich lässt Sie dies wissen, dass die Magnetfeldlinien$\bf B$bilden immer Endlosschleifen, kommen nie zum Stillstand oder zum Start. Bei einem einzelnen Elektron verlaufen die Schleifen bis zum Elektron selbst. Sie können sich das Elektron ein wenig ausgebreitet vorstellen, da seine Wellenfunktion nicht perfekt punktförmig ist, und dann ist auch der Magnetismus des Elektrons wie das oben gegebene Bild; Das heißt, es ist wie ein ständig ausgebreiteter Haufen winziger Magnete, alle nebeneinander. Wenn sich auch das Elektron bewegt, wie in den Stromschleifen, die in Atomen zu finden sind, fügt dies einen weiteren Beitrag hinzu, den Sie wie ein Solenoid modellieren können.

Fernab jeder wissenschaftlichen Erklärung möchte ich eine leicht verständliche Antwort geben. Jeder Magnet ist ein Körper und hat ein „Innen“ und ein „Außen“. Zwei Magnete beeinflussen sich gegenseitig durch ihre Außenbereiche.

Zunächst zum „Außen“. Wenn Sie der Erste waren, warum finden Sie das heraus

• Jeder Magnet hat eine Achse, die von einem anderen Magneten ausgerichtet wird
• Ein Ende der Achse wird vom anderen Magneten angezogen, während das überstehende Ende am stärksten aufgehoben wird

Sie hätten die Wahl und das Recht, die beiden Pole zu benennen, wie Sie wollen: Nord und Süd, Rot und Schwarz, .... Und Sie haben die Pflicht, eine Methode zu finden, mit der alle anderen Interessierten die Pole ihrer Magnete identifizieren können auf die gleiche Weise benennst du die Pole. Für Magnete ist das einfach, weil die Erde ein eigenes Magnetfeld hat und für eine Kompassnadel ist es einfach, einen Nord- und einen Südpol zu definieren.

Warum ich dir das erzähle? Denn manchmal versuchen Lehrer dir einzureden, dass Pole gar nicht existieren und dies für ein gewisses Verständnis von Magneten vertretbar ist.

Nun zum „Inneren“. Ein Permanentmagnet besteht aus Atomen mit ausgerichteten Elektronen und diese ausgerichteten Elektronen sind der Grund dafür, dass ein Körper ein Permanentmagnet ist. Elektronen haben die intrinsische (unabhängig von äußeren Einflüssen existierende) Eigenschaft eines magnetischen Dipolmoments, sie sind winzige Magnete. Bei Permanentmagneten ist die Ausrichtung der beteiligten Elektronen ein selbsthaltender Vorgang.

Stellen Sie sich nun vor, Sie haben viele Stabmagnete. Sie kleben sie zusammen und erhalten ein gutes Modell dessen, was in jedem Permanentmagneten passiert.

Übrigens haben Magnete eine Sättigung und wenn Sie nach Bildern suchen, in denen Eisenspäne die Feldlinien zeigen, werden Sie sehen, dass sie nicht nur an den ebenen Enden des Stabmagneten beginnen und enden. Nord- und Südpol sind Richtungen und in ihren Ausdehnungen nicht eindeutig.