Kapitel 5
Magnetismus
Über den Magnetismus weist man heutzutage ziemlich viel.
Ich will hier nur kleine Zusammenfassung von diesem Thema und meine Vorstellung über das magnetische Feld und den Grund dessen Entstehung erläutern.
Die Herkunft vom Magnetit und seine Fähigkeit, Eisen anzuziehen, waren schon im Altertum bekannt, außerdem wurde er schon früh von chinesischen Seefahrern als
Kompass benutzt.
Es werden die Begriffe Magnetfeld, Feldlinie und Flussdichte eingeführt, welche anhand von Eisenfeilspänen in der Umgebung eines Magneten veranschaulicht werden (Abb.41).
Mithilfe kleiner Magnetnadeln (Kompassnadeln) kann man die Kraftwirkung eines Magneten (insbesondere die Richtung dieser Kraft) experimentell bestimmen. Man zeichnet die so gemessenen Hilfslinien auf und nennt sie magnetische Feldlinien.
Abbildung 41: Magnetische Feldlinien
Mithilfe kleiner Magnetnadeln (Kompassnadeln) kann man die Kraftwirkung eines Magneten (insbesondere die Richtung dieser Kraft) experimentell bestimmen. Man zeichnet die so gemessenen Hilfslinien auf und nennt sie magnetische Feldlinien.
„Unter einem "Feld" verstehen die Physiker einen "erregten Raum", der von der sogenannten Feldenergie durchdrungen wird. Für magnetische Feldlinien gilt: Magnetische Feldlinien schneiden sich nicht. Eine hohe Feldliniendichte charakterisiert ein starkes magnetisches Feld und damit eine große magnetische Feldstärke. Für die Orientierung der Feldlinien wurde festgelegt: Am Nordpol eines Magneten treten die Feldlinien aus. Am Südpol eines Magneten treten sie in seine Oberfläche ein.“
„Im Grundwissensblatt über den Dauermagnetismus konnte man sehen, dass bei Teilung eines Magneten immer wieder neue Magnete entstehen. Denkt man sich diesen Prozess sehr oft fortgesetzt, so kann man die Hypothese aufstellen, dass die kleinsten Elemente eines Magneten wiederum Magnete sind, die man als Elementarmagnete bezeichnet.“
Und diese Elementarmagnete sind die Moleküle und Atome des Stoffes!
Wie wir schon wissen, alle Atome bestehen aus der rotierenden u-Quarks und d-Quarks, die Wirbelströme des Vakuums (Gluonen-Substanz) erzeugen und eine verdichtete stabile Hülle bilden.
Wenn wir ein Proton ansehen, kann man ohne Zweifel sagen, dass es ein Elementarmagnet mit dem Magnetfeld, magnetischen Feldlinien und Polen ist. Das Magnetfeld besteht aus dem rotierenden Strom des Vakuums mit dem stammenden Strom auf dem Nordpol (oben) und eingehenden Strom auf den Südpol (Abb.42).
Abbildung 42: Proton ist ein elementarer Mikromagnet
Wenn wir ein Proton ansehen, kann man ohne Zweifel sagen, dass es ein Elementarmagnet mit dem Magnetfeld, magnetischen Feldlinien und Polen ist. Das Magnetfeld besteht aus dem rotierenden Strom des Vakuums mit dem stammenden Strom auf dem Nordpol (oben) und eingehenden Strom auf den Südpol.
Mit diesem Atommodell kann man eine Reihe magnetischer Erscheinungen recht gut verstehen. Wenn zwei Protonen, wie in Abbildung 43 gezeigt sind, sich nähern, ergibt sich eine Anziehungskraft (F1) mit der Bildung des gemeinsamen inneren und äußerlichen Stromes des Vakuums. Die Dichte des Stromes (des Magnetfeldes) steigt und die Stärke des Magnetes verdoppelt sich.
Abbildung 43: Anziehung von zwei Protonen
Andersrum stoßen sich zwei Protonen mit gleichen Polen (Abb.44) ab.
Abbildung 44: Abstoßung zweier Protonen
Aus solchen „kleinen Magneten“ bestehen auch alle Atome, Moleküle, chemische Elemente und Stoffe. Wenn wir z. B. ein Eisenstück mit einem starken Magneten streicheln, passiert Folgendes: Die Mini-Magneten werden vom großen Magnet durch das starke Magnetfeld angezogen und sie in die Richtung der Hauptmagnetfeldlinien (angespannt) ausgerichtet.
Je stärker äußeres Feld ist, desto größer ist der Ausrichtungseffekt. Bei einer hohen Feldstärke tritt Sättigung ein – dann sind alle Moleküle im ferromagnetischen Stoff einheitlich ausgerichtet (das kennt man von der Kompassnadel, wo alle Nägel sich nach Norden ausrichten). Dadurch wird das Eisenstück selbst zum Magneten.
Diesen Vorgang (Abb.40) bezeichnet man als Magnetisierung.
Abbildung 45: Magnetisierungsprozess
Schaltet man das äußere Feld ab, dann bleibt die Ausrichtung der einzelnen Bereiche erhalten. Ein Dauermagnet ist entstanden.
Wird ein magnetisierter Stoff erhitzt, dann nimmt die Wärmebewegung seiner Teilchen zu. Dabei wird auch die Ausrichtung der Moleküle zerstört, bis sie bei sehr hohen Temperaturen schließlich wieder regellos im Stoffverbund angeordnet sind. Dadurch verliert der Stoff seine magnetischen Eigenschaften, er liegt nun wieder im entmagnetisierten Zustand vor.
Nur nicht alle Stoffe können ihren magnetischen Eigenschaften zeigen. Es hängt von der Bildung der Moleküle, ihre Stärke und Beweglichkeit zueinander.
Die Stoffe, in denen sich die innere Mini-Magneten besonders leicht ausrichten lassen, bezeichnet man als magnetisch weich.
Die Stoffe, bei denen, das nicht der Fall ist, nennt man magnetisch hart.
Magnete bestehen zum größten Teil aus Eisen. Das ist der wichtigste magnetische Stoff. Zurzeit wurden noch stärkere Permanentmagnete dargestellt, die aus anderen Stoffen z. B. Neodym bestehen.
Die meisten anderen Gegenstände sind nicht magnetisch. Sogar die meisten Metalle wie Kupfer oder Aluminium sind nicht magnetisch. Es hängt von der molekularen Struktur, ihrer Stärke und Zusammenbildung des Stoffes.
Unsere Erde ist auch ein großer Magnet. Obwohl die mittlere Stärke des Magnetfeldes der Erde relativ gering ist (sie beträgt nur etwa 50 mT), richtet sich eine frei bewegliche Magnetnadel entsprechend dem Verlauf der Feldlinien aus.
Abbildung 46: Erdmagnetfeld
Dieses Erdmagnetfeld (die Vakuumströmung) schützt unsere Erde vor den sehr energiereichen Sonnenstrahlungen, die sowohl aus hochfrequenten Photonen (Gamma Strahlung), als auch aus den geladener Heliumteilchen (Alpha Strahlung) und Protonen (Beta Strahlung) bestehen.
Kapitel 6
Elektromagnetismus
Elektrizität und Magnetismus sind eng miteinander verknüpft. In dieser Folge wird vor allem die magnetische Wirkung von elektrischem Strom behandelt. Aber auch das Phänomen des Dauermagnetismus hat mit den elektrischen Eigenschaften von Atomen zu tun.
Für die gewisse elektromagnetische Eigenschaften, die ich unten vorgestellt habe, und die schon längst durch zahlreiche Experimente und Messungen nachgewiesen und beschrieben wurden, hatte man noch keine glaubwürdigen Erklärungen gefunden.
Viele Wissenschaftler haben vergeblich versucht, diese Phänomene auf der Basis der Quantenmechanik und gegenwärtige Kernphysik (Aufbau der Atome aus dem Atomkern und der Elektronenhülle) zu erklären.
Trotz der vielen widersprüchlichen Unstimmigkeiten, ist dieses theoretische Konzept der Kernphysik leider immer noch aktuell.
Unten versuche ich die elektromagnetischen Eigenschaften auf der neuen Basis des Vakuumsmodells des Atoms kurz und einfach zu erklären.
Betrachten wir einige der Tatsachen des Elektromagnetismus, die immer noch unbestreitbar und leicht nachprüfbar sind:
1. Um jeden stromdurchflossenen Leiter bildet sich ein Magnetfeld (Abb.42). Man nennt diesen Effekt Elektromagnetismus.
Abbildung 47: Magnetfeld um einen Leiter, der unter dem elektrischen Strom steht
Die elektromagnetischen Feldlinien befinden sich um den Leiter. Die Richtung der Feldlinien wird von der Stromrichtung bestimmt (Schraubenregel). Wird die Stromrichtung geändert, so ändert sich die Richtung der Magnetfelder auch.
Diese Tatsache verrät uns, dass die Atome, die sich an den oberen Schichten des Leiters befinden, in eine Richtung ausgerichtet sind. Ihre inneren Wirbelströme summieren sich und bilden damit an der oberen Schichte des Leiters ein stark umkreisendes Magnetfeld.
Wir wissen schon, dass alle Atome und Moleküle als „kleine Magnete“ betrachtet werden können. Auf der Abbildung 48 wird einen Querschnitt des Leiters prinzipiell dargestellt. Ein elektrischer Strom fließt in die Richtung des Betrachters.
Abbildung 47: Magnetfeld um einen Leiter, der unter dem elektrischen Strom steht
Die elektromagnetischen Feldlinien befinden sich um den Leiter. Die Richtung der Feldlinien wird von der Stromrichtung bestimmt (Schraubenregel). Wird die Stromrichtung geändert, so ändert sich die Richtung der Magnetfelder auch.
Diese Tatsache verrät uns, dass die Atome, die sich an den oberen Schichten des Leiters befinden, in eine Richtung ausgerichtet sind. Ihre inneren Wirbelströme summieren sich und bilden damit an der oberen Schichte des Leiters ein stark umkreisendes Magnetfeld.
Wir wissen schon, dass alle Atome und Moleküle als „kleine Magnete“ betrachtet werden können. Auf der Abbildung 48 wird einen Querschnitt des Leiters prinzipiell dargestellt. Ein elektrischer Strom fließt in die Richtung des Betrachters.
2. Durchflossener Leiter im Magnetfeld
Wird eine Leiterschleife senkrecht zu den Feldlinien eines homogenen Magnetfeldes bewegt, wird in ihr während der Bewegungsdauer eine Spannung erzeugt. Dieses Phänomen nennt man Induktion.
Abbildung 49: Leiterbewegung in einem gleichmäßigen Magnetfeld
Die Polarität der erzeugten Spannung hängt sowohl von der Bewegungsrichtung des Leiters, als auch von der Richtung des Magnetfeldes ab.
Die Größe der erzeugten Spannung hängt von der Geschwindigkeit des senkrecht bewegten Drahtes und von der Stärke des Magnetischen Feldes ab. Wie ist das logisch zu erklären?
Wie wir wissen besteht jeder Stoff aus Atomen und Molekülen, die als „kleine Magnete“ betrachtet werden können. Im Ruhezustand befinden sich die Moleküle in ihren normalen Positionen und ihre Strömungen des Vakuums sind chaotisch ausgerichtet und der gesamte elektrische Zustand des Stoffes ist neutral. Wenn wir jetzt eine Leiterschleife durch das Magnetische Feld, wie in Abbildung 49 gezeigt ist, nach rechts bewegen würden, passiert folgendes:
Das magnetische Feld des Stamm-Magneten fließt vom Nord-, zum Südpol.
Wenn man eine Leiterschleife senkrecht zu den Feldlinien des Magneten bewegt, richtet das Stamm-Magnetfeld (wie ein Kamm orientiert die Haare in die Bewegungsrichtung) die chaotisch ausgerichteten Gluonen Strömungen der Atome und Molekülen der Leiterschleife in die entgegengesetzte Bewegungsrichtung aus.
In unserem Fall wandelt sich die obere Schicht des Leiters in einen geordneten Gluonen Fluss von rechts nach links.
Nach einer der „Schraubenregeln“ kann man sagen, dass der Pluspol (+) hinten der Leiterschleife und der Minuspol (-) vorne entstehen wird.
Bleibt die Leiterschleife nun stehen, so verschwindet zwischen beiden Enden der Leiterschleife die elektrische Spannung wieder. Dank der inneren natürlichen Bildungskräfte zwischen den Molekülen und Atomen werden sie in ihren ursprünglichen, normalen Zustand zurückversetzt und der Leiter wird somit wieder neutral.
Wenn wir jetzt diese Leiterschleife nach links bewegen werden, entsteht eine elektrische Spannung entgegengesetzter Polarität. Bei der dauerhaften Bewegung der Schleife hin und zurück entsteht die Wechselspannung, die von der Geschwindigkeit der Leiterschleife und der Stärke des magnetischen Feldes abhängig ist.
Je stärker das magnetische Feld des Stammmagneten ist, desto mehrere atomare Schichten des Stoffes können mitgezogen werden. Und je höher die Geschwindigkeit der Leiterschleife ist, desto präzise werden die Moleküle ausgerichtet. Das alles führt zu einer Vergrößerung ihrer gemeinsamen Strömungen des Vakuums und letztendlich zur Erhöhung der Spannung.
Es kam ein sehr passender Moment, um zu erklären, was ein elektrischer Widerstand eines Stoffes ist.
Je leichter und genauer sich die Moleküle eines Stoffes beim Anlegen einer bestimmten elektrischen Spannung neu ausrichten, desto geringer ist sein elektrischer Widerstand.
Und noch eine Bemerkung:
In unserem Fall ist die Richtung des magnetischen Flusses des Permanentmagneten von oben nach unten gerichtet. Deswegen wird seine Wirkung auf die Moleküle des Leiters, der sich senkrecht die Kraftlinien bewegt, nur in seiner oberen Hälfte bereitgestellt. Der untere Teil des Leiters vor dem Einfluss der Kraftlinien des Permanentmagneten wird durch seine obere Hälfte geschützt.
Infolge des wiederholt verstärkten und gerichteten Vakuumflusses der oberen Schicht des Leiters, werden auch die unteren Moleküle des Stabs in den allgemeinen Fluss involviert sein, was zur kreisförmigen Rotation des Gluonenflusses nicht nur innerhalb des Leiters, sondern auch außerhalb führt (Abb. 50).
Abbildung 50: Gluonfluss, der an der gesamten Kreisrotation beteiligt ist
Wenn solche Leiterschleife eine bestimmte Zeit durch das Magnetische Feld des Stamm-Magneten in Bewegung bleibt (wie bei den Elektrogeneratoren der Fall ist), wird eine dauerhafte Spannung zwischen den beiden Enden der Schleife entstehen.
Wir können also sagen, dass wir eine kleine elektrische Spannungsquelle (Stromquelle) geschaffen haben.
In den elektrischen Batterien solche erzwungene Änderungen der Molekularen Ausrichtungen werden durch eine chemische Reaktion erreicht.
Jetzt verbinden wir mit Hilfe von zwei Leitern einen bestimmten Widerstand (R) mit dieser "Batterie". Die gesamte Energie, die für die Änderung der inneren Ausrichtung der Spannungsquellen Moleküle aufgewendet wurde, wird an einen geschlossenen Stromkreis angelegt, wodurch die Moleküle des gesamten Stromkreises gezwungen werden, sich an der entsprechenden Position zu entfalten.
Der Grad der Neuorientierung der Moleküle hängt vom Gesamtwiderstandswert des geschlossenen Stromkreises ab. Diese Umorientierung der Vakuumströme wird mit Lichtgeschwindigkeit übertragen. (Abb. 51).
Abbildung 51: Vereinfachtes geschlossenes Schaltbild
Der Widerstand R des Verbrauchers ist üblicherweise viel höher als der Widerstand der Anschlussleiter. Je größer der Widerstand des Verbrauchers ist, desto höher müssen die Spannung und die Energiekapazität der Batterie angeschlossen werden, um die Moleküle in einer bestimmten Position auszurichten und zu halten und um einen bestimmten elektrischen Strom aufrechtzuerhalten.
Da der Widerstand der Verbindungsdrähte sehr klein ist, wird fast die gesamte Spannung der Batterie an den Widerstand R angelegt. Wenn die Stromquelle über ausreichend Energie (Spannung und Leistung) verfügt, tretten in den oberen Schichten und auch außerhalb des Widerstands die kreisenden Strömungen des Vakuums (elektrischer Strom) auf, der mit der Zeit abnimmt und die Batterie entlädt.
Jetzt möchte ich den Begriff „ein Widerstand des Stoffes“ und die Höhe des elektrischen Stromes klären.
Wie wird heutzutage elektrischer Widerstand definiert?
„Der elektrische Widerstand ist ein Maß dafür, welche elektrische Spannung erforderlich ist, um eine bestimmte elektrische Stromstärke durch einen elektrischen Leiter (Widerstand) fließen zu lassen.“
Mit dieser Definition des elektrischen Widerstands stimme ich voll und ganz überein. Die Frage ist nur, welche physikalischen Prozesse dahinter stecken.
Unter dem elektrischen Widerstand eines Stoffes wird verstanden, wie schwierig es für Atome und Moleküle eines Stoffes ist, sich durch die an ihn angelegte elektrische Spannung ordnungsgemäß neu auszurichten.
Infolge einer solchen Neuorientierung wird ein rotierender geordneter Vakuumfluss erzeugt, der als elektrischer Strom bezeichnet wird. Die Höhe des elektrischen Stroms hängt von der Spannung und dem Widersdand des gesamten Stromkreises ab:
𝑰 = 𝑼/𝑹
Anhand der folgenden Abbildungen (Abb. 52) kann man diese Veränderungen der inneren Orientierung von Molekülen und ihrer Gluonen Flüsse in einem Verbraucher in Abhängigkeit von ihrem Widerstandswert R verfolgen.
Je größer die Batteriekapazität ist, desto länger kann der Verbraucher mit Energie versorgt werden und seine Funktionen ausführen (bis die Batterie leer ist).
Abbildung 52: Interne Orientierung der Moleküle bei der verschiedene Verbraucher
Je höher die Spannung der Batterie ist, desto größer ist die Anstrengung, die Richtungsorientierung der Verbrauchermoleküle zu ändern. Dies führt wiederum dazu, dass eine größere Anzahl von Molekülen aus noch tieferen Schichten des Widerstands von dem allgemeinen zirkulierenden Vakuumfluss angezogen wird, was eine Erhöhung des elektrischen Stroms bedeutet.
Eine Erhöhung des elektrischen Stroms im Inneren der Verbraucher führt zu einer Erhöhung des Gluonenflusses außerhalb des Widerstands.
Da eine noch größere Anzahl von Gluonen außerhalb des Widerstands an dieser zirkulierenden Strömung angebracht worden ist, nimmt der Vakuumdruck um den Widerstand ab.
Dieser Druckverlust um den nahliegenden äußeren Bereich des Widerstands führt zu einer Erhöhung der Dichte des Vakuums. Diese erhöhte Vakuumdichte um den Widerstand führt letztendlich zu einer Erhöhung seiner Temperatur.
3. Elektromotorisches Prinzip
Es ist bekannt, dass eine Lorentz-Kraft (F) auf einen Leiter mit einem Strom wirkt, der in einem konstanten Magnetfeld angeordnet ist.
Die Richtung dieser Kraft kann mit der Regel der linken Hand bestimmt werden. Aus der Abb. 53 können Sie den Ursprung der Lorentz-Kraft verstehen.
Abbildung 53: Erklärung des Ursprungs der Lorentzkraft
Wenn zwei senkrecht zueinander stehende Gluonenströme (Magnetfelder) aufeinander treffen, entsteht zwischen ihnen eine natürliche Abstoßungskraft (F), die senkrecht zum Magnetfeld des Permanentmagneten wirkt.
Jetzt brauchen Sie sich nicht mehr an die Regel erinnern, welche Hand Sie in bestimmten Fällen anwenden müssen. Alle Kräfte können logisch dargestellt und berechnet werden.
4. Magnetische Wirkung auf parallele Leiter mit dem Strom
Abbildung 54: Wechselwirkung zweier Leiter unter dem Strom
Liegen zwei Leiter mit den gleichen Stromrichtungen nebeneinander, so ziehen sie sich an. Die oberen und unteren Strömungen des Vakuums der beiden Leitern bewegen sich in die gleichen Richtungen und werden deshalb zueinander hingezogen und bilden eine gemeinsame Strömung. Liegen zwei Leiter unterschiedlicher Stromrichtungen nebeneinander, so stoßen sie sich voneinander ab (Abb.54).
5. Magnetfeld einer Spule
Bei einer Spule (Abb.55) verbinden sich die Magnetfelder der einzelnen Windungen in eine gemeinsame Magnetströmung. Ihr Magnetfeld gleicht dem eines Stabmagneten.
Abbildung 55: Bildung des gesamten Gluonenflusses in einer Stromspule
Jetzt lassen sich auf der neuen Grundlage des Vakuum Modells des Atoms alle komplizierte elektromagnetische Erscheinungen besser zu verstehen und mit logischer Begründung zu erklären.
Zusammenfassung:
- Ein elektrischer Strom ist eine gerichtete kreisförmige Drehung eines Vakuumflusses (elektromagnetisches Feld) in geschlossenen Stromkreisen.
- Dieser gerichtete Gluonenfluss entsteht aufgrund der inneren Neuorientierung der Leitermoleküle in eine bestimmte Richtung und der Vereinigung ihrer inneren Vakuumflüsse zu einem gemeinsamen, wiederholt verstärkten und um diesen Leiter zirkulierenden Fluss. Die innere Zwangsumdrehung der Leitermoleküle, die ihren natürlichen Zustand verletzt, erfolgt durch Anschließen einer Spannungsquelle.
- Der Strom des Kreises ist von der Höhe der elektrischen Spannung, ihrer Form und dem elektrischen Widerstand des Leiters abhängig.
- Damit der Stromfluss aufrechterhalten werden kann und nicht abklingt, braucht man eine Kraft der elektrischen Erzeuger. Als elektrische Spannungsquellen kommen in der Regel Batterien, Solarmodule oder Generatoren in Frage.
- In einer Batterie infolge einer chemischen Reaktion entsteht eine innere Kraft, die auf alle Atome und Moleküle der Batterie ausübt. Es sieht so aus, als ob in der Batterie eine Art vom Druck (wie bei einem angespannten Federantrieb) aufgebaut wird, der beim eingeschlossenen elektrischen Stromkreis auf den Verbraucher angewendet wird.
- Wenn ein Stromverbraucher an eine Batterie angeschlossen wird (unbedingt an beide Anschlüsse), entsteht ein geschlossener Stromkreis. Von diesem Moment an beeinflusst die Batteriespannung die Moleküle des Stromkreises und veranlasst sie, sich neu auszurichten und dadurch einen elektrischen Strom zu erzeugen.
- Um die Moleküle des Stromkreises ständig in einem "gespannten" Zustand zu halten und die natürlichen inneren Molekülbindungen des Stoffes zu überwinden, die dazu neigen, ihre Moleküle in ihre ursprüngliche neutrale Positionen zurückzubringen, braucht man die stabile Spannung und die große Kapazität der Batterie.
- Ein Wechselstromgenerator erzeugt bei einer bestimmten Frequenz (z. B. 50 Hz) eine Wechselspannung, die an die Last angeschlossen werden kann und die auch molekularen Ausrichtungen eines geschlossenen Stromkreises beeinflussen wird.
Intern gerichtete molekulare Vakuumströme werden ständig ihre Richtungen ändern, abhängig von der Frequenz des Generators. Je höher die Frequenz, desto weniger Zeit verbleibt für die Bildung und Verstärkung des Magnetfeldes außerhalb der elektrischen Leiter. Dies führt wiederum zu einer Abnahme der Vakuumdichte außerhalb des Leiters und letztendlich zu einer Abnahme seiner Temperatur. Somit führt eine Erhöhung der Frequenz des Generators zu einer Verringerung der Energieverluste.
Je höher ist die Frequenz der Stromversorgung, desto größere Entfernungen und mit Hilfe der dünneren elektrischen Kabel ist es möglich, Elektrizität zu übertragen.
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