Entsteht ein Magnetfeld aus einer bewegten Ladung oder aus ihrem Spin oder aus beidem?

So wie Sie Ihre Frage gestellt haben (insbesondere Teil 3), klingt es so, als wollten Sie verstehen, wie magnetische Dipolmomente und bewegliche Ladungen miteinander zusammenhängen. Aber das sind sie nicht. Bewegte Ladungen und magnetische Dipolmomente beschreiben kein Magnetfeld, sie erzeugen ein Magnetfeld.

Aus dem Kopf fallen mir tatsächlich drei Arten ein, wie Magnetfelder erzeugt werden:

• Bewegte elektrische Ladung : Jedes Mal, wenn Sie ein elektrisch geladenes Objekt in Bewegung haben, erzeugt es ein Magnetfeld. Elektrische Ströme fallen in diese Kategorie. Dies ist normalerweise der erste Weg, auf dem Physikstudenten lernen, ein Magnetfeld zu erzeugen; es wird durch das Amperesche Gesetz (eine von Maxwells Gleichungen) beschrieben.

• Änderndes elektrisches Feld : Jedes Mal, wenn sich ein elektrisches Feld zeitlich ändert, erzeugt es ein magnetisches Feld, auch wenn kein Strom in der Nähe ist. Dies ist normalerweise der zweite Weg, auf dem Physikstudenten lernen, dass ein Magnetfeld erzeugt werden kann. Es wird auch durch das Amperesche Gesetz (technisch der Begriff "Maxwell-Korrektur") beschrieben.

• Statische magnetische Multipole : Dieser ist etwas komplizierter, weil er durch keine der Maxwell-Gleichungen beschrieben wird, zumindest nicht direkt.

  Lassen Sie mich mit einer Analogie beginnen. Hoffentlich wissen Sie, dass ein geladenes Objekt ein elektrisches Feld erzeugt. Aber Sie müssen keine Nettoladung haben, um ein Feld zu erzeugen . Wenn Sie eine positive und eine negative Ladung gleicher Größe nehmen und sie sehr nahe beieinander platzieren, erhalten Sie immer noch ein elektrisches Feld, da sich das Feld der positiven Ladung und das Feld der negativen Ladung nicht genau aufheben einander aus. Dies ist ein Beispiel für einen elektrischen Dipol. Sie können sich dies als eine "sekundäre Quelle" des Feldes vorstellen, die nicht von der Gesamtladungsmenge abhängt, sondern davon, wie die Ladung innerhalb des Objekts verteilt ist.

  Wenn die Gesamtladungsmenge nicht Null ist, hat die Verteilung der Ladung normalerweise einen ausreichend kleinen Effekt, dass wir uns nicht darum kümmern müssen, aber wenn es keine Nettoladung gibt, wird die Art und Weise der Ladungsverteilung wichtig. Um Physik zu betreiben, brauchen wir natürlich eine physikalische Größe, die die Verteilung beschreibt. Dies ist das elektrische Dipolmoment .

  Tatsächlich können wir das elektrische Dipolmoment eines Objekts messen und es für nützliche Berechnungen verwenden, selbst wenn wir nichts über die Ladungsverteilung wissen – oder sogar wenn es überhaupt keine Ladungsverteilung gibt. Mit anderen Worten, man könnte sich vorstellen, dass es einen unbekannten physikalischen Mechanismus gibt, der völlig unabhängig von der elektrischen Ladung ist und bewirkt, dass ein Objekt ein elektrisches Dipolmoment hat. Es ist also sinnvoll, einen "elektrischen Dipol" als "etwas mit einem elektrischen Dipolmoment ungleich Null" zu definieren, unabhängig davon, ob dieses Ding eine Ladungsverteilung hat oder nicht.

  Dasselbe gilt für magnetische Dipole und das magnetische Dipolmoment . Es funktioniert genauso wie das elektrische Dipolmoment, nur mit dem Magnetfeld und der „magnetischen Ladung“ anstelle von elektrischem Feld und elektrischer Ladung. Die Sache ist, soweit wir wissen, gibt es keine magnetisch geladenen Objekte (die sogenannten „ magnetischen Monopole “). Das magnetische Dipolmoment wird also niemals durch magnetische Ladung maskiert, wie es normalerweise das elektrische Dipolmoment tut.

  Wie beim elektrischen Dipol erzeugt ein magnetischer Dipol jeglicher Art ein Magnetfeld. Eine Art magnetischer Dipol ist eine kleine Stromschleife. Wenn der Strom aus physikalischen Ladungen besteht, die sich kreisförmig bewegen, dann hat er einen gewissen Drehimpuls. Als also entdeckt wurde, dass das Elektron einen intrinsischen Drehimpuls (Spin) hat, fragten sich die Physiker natürlich, ob dieser Drehimpuls auf konstituierende Teilchen zurückzuführen ist, die sich im Inneren des Elektrons im Kreis bewegen. Eine Möglichkeit, diese Theorie zu testen, wäre, das magnetische Dipolmoment des Elektrons zu messen und zu berechnen, ob es der Vorhersage des Stromschleifenmodells entspricht. Wie sich herausstellt, tut es das nicht. Offensichtlich geht also etwas anderes vor sich; das magnetische dipolmoment des elektrons wird nicht nur durch klassische ladungen erzeugt, die sich im kreis bewegen. Es' ist etwas, das dem Elektron innewohnt. (Die Quantenelektrodynamik sagt den genauen Wert des magnetischen Dipolmoments des Elektrons korrekt voraus, bietet aber kein einfaches physikalisches Bild.)

Am Ende ist alles bewegliche Ladung.

Um zu sehen, dass dies auch für das Magnetfeld des Spins gilt, müssen Sie die sogenannte Gordon-Zerlegung auf die Ladungsstromdichte des Elektrons durchführen, wie sie durch die Dirac-Gleichung definiert ist.

siehe zum Beispiel 18.2 in diesem Kapitel meines Buches:

http://physics-quest.org/Book_Chapter_Gordon_Decomposition.pdf

Die Gordon-Zerlegung der Ladungsstromdichte des Elektrons zeigt einen zusätzlichen Anteil aufgrund des magnetischen Moments des Elektrons. Dieser zusätzliche Teil entspricht dem klassischen "Strom aus Magnetisierung" , der gegeben ist durch:

$j=\nabla\times M$

Wobei M die Magnetisierung des Mediums ist. Abbildung 18.1 des obigen Links zeigt, dass dies nur das bekannte Stokes-Theorem in Aktion ist. Die jetzige$j$ist ein effektiver Strom, der durch die Eigenmagnetisierung des Elektronenfelds verursacht wird. Dies ist der Strom, der aufgrund des magnetischen Moments des Elektrons die Quelle des Magnetfelds ist. Zum Stokes-Theorem siehe:

http://www.math.umn.edu/~nykamp/m2374/readings/stokesidea/

Gruß Hans

Ein Magnetfeld entsteht durch Ladungen in Bewegung, denn wenn sich die Ladungen bewegen, ändert sich das elektrische Feld ständig und ein anderer Grund ist, dass sich die Ladungen, wenn sie sich bewegen, wie winzige Magnete verhalten und ein Magnetfeld senkrecht zu ihrer Richtung erzeugen

Beides, aber es sind nicht dieselben Magnetfelder. Als Anhaltspunkt können Sie Rotation und Revolution als „nicht“ zwei verschiedene Phänomene betrachten, aber sogar Revolution ist eine Rotation.