Richard Feynman wurde einmal eine sehr ähnliche Frage gestellt; Warum ziehen Magnete an? (Richard Feynman:) Seine Antwort ist faszinierend und erklärt die vielen Ebenen dieser Frage. Es gibt bereits einige sehr schöne Antworten auf diese Frage, daher möchte ich den bereits hervorragenden Antworten eine etwas extra scharfe Sauce anbieten.
Magnete scheinen die Menschen immer wieder zu faszinieren, weil die erlebten Kräfte aus der Ferne zu wirken scheinen. Wir sind es gewohnt, Kraft anzuwenden, indem wir etwas berühren, und wir haben ein angeborenes Verständnis dafür, was Berührung bedeutet. Im Gegensatz dazu scheinen die von Magneten ausgestellten Kräfte auf eine unsichtbare Sache zurückzuführen zu sein, die sich scheinbar dem Verständnis entzieht. Kein Wunder, dass Magnetismus und insbesondere Magnete oft mit falschen und sogar betrügerischen Technologien in Verbindung gebracht werden.
Aus historischer Sicht wurden natürlich vorkommende Magnete zuerst von den Alten entdeckt und zur Herstellung von Kompassen für die Navigation verwendet. Später wurde entdeckt, dass ein stromführender Draht ein Feld erzeugte, das eine Kompassnadel neu ausrichtete, und so wurde entdeckt, dass mit dem Strom in einem Draht ein Magnetfeld verbunden war. Es war auch bekannt, dass Ladung ein anderes Feld erzeugt, das das elektrische Feld ist. Das elektrische Feld selbst hatte keinen Einfluss auf eine Kompassnadel und scheint daher ein anderes Feld zu sein. Es wurde jedoch bald entdeckt, dass sie die verschiedenen Aspekte desselben Feldes waren. Dies kann anhand des Relativitätsprinzips gesehen werden, da eine statische Ladung als eine sich bewegende Änderung in einem sich bewegenden Referenzrahmen angesehen werden kann. Das Feld, das einem Referenzrahmen zugeordnet ist, in dem nur statische Ladungen vorhanden sind, sollte also die gleiche Wirkung haben (oder die gleiche Kraft hervorrufen) wie das Feld, das einem sich bewegenden Referenzrahmen zugeordnet ist, in dem die Ladung nicht statisch ist, sondern sich bewegt und daher ein Magnetfeld erzeugt. Das Relativitätsprinzip vereinigt also sowohl das elektrische als auch das magnetische Feld zu einem elektromagnetischen Feld. Dies untermauert unser klassisches Verständnis von Elektrizität und Magnetismus.
Der Fall ist jedoch noch nicht geschlossen, da Magnete nicht geladen sind, sondern ein Feld erzeugen, das zwei Polen zugeordnet ist, die wir als Nord- und Südpol bezeichnen. Die anderen Antworten gehen sehr detailliert auf ausgerichtete magnetische Domänen und sogar auf das zugrunde liegende atomare Prinzip ein.
Wir nennen das Magnetfeld dipolar, weil es zwei Pole hat. Klassisch erzeugt ein Kreisstrom ein dipolares Feld. Wir nutzen diesen Effekt, um Elektromagnete herzustellen.
Wenn wir das Bohr-Modell des Atoms betrachten würden, hätten die Elektronen kreisförmige Bahnen und es würde daher erwartet, dass sie ein dipolares Magnetfeld erzeugen. Wir wissen jedoch, dass dies nicht der Fall ist, da Atome Quantenobjekte sind und als solche nicht mit genau definierten klassischen Bahnen assoziiert werden können. Dennoch haben die einzelnen Atome in einem Magneten ein zugehöriges Magnetfeld und das äußere Feld, das wir beobachten, ist eine Manifestation all dieser Felder, die ausgerichtet sind.
Es ist verlockend, sich ein Atom als einen einzelnen Magneten vorzustellen, der sich ähnlich verhält wie eine Kompassnadel, wenn er in einem externen Magnetfeld platziert wird. Dies ist jedoch nicht der Fall. Atome sind Quantenobjekte und ihre magnetischen Eigenschaften sind tatsächlich Quantenzustandseigenschaften. Es kommt einfach so vor, dass der Drehimpuls mit einer genau definierten Quantenzahl verbunden ist, die nur diskrete halbzahlige Werte annehmen kann. Das magnetische Moment eines Atoms ist direkt proportional zum Gesamtdrehimpuls des Atoms. Somit ist jede Messung des magnetischen Moments eines Atoms in der Tat eine Messung des Drehimpulses des Atoms und wird nur bestimmte diskrete Werte haben, und noch interessanter, nur diskrete Orientierungen! Dies ist offensichtlich Quantenverhalten, kein klassisches Verhalten. Für einen klassischen Dipol kann seine räumliche Orientierung einen beliebigen Wert annehmen, der mit dem Zeigen in eine beliebige zufällige Richtung im Raum verbunden ist. Dies bietet ein Mittel zur direkten Unterscheidung zwischen einem Quanten- und einem klassischen Objekt. Dies wurde zuerst im Stern-Gerlach-Experiment Pionierarbeit geleistet.
Das Stern-Gerlach-Experiment arbeitete, indem es neutrale Atome durch ein ungleichmäßiges Magnetfeld schickte. Der Magnetfeldgradient führt ein variierendes Potential für die Ausrichtung des magnetischen Dipols ein, was zu einer ausrichtungsabhängigen Kraft führt, die den Weg des Atoms durch das Feld ablenkt. Wenn sich jedes Atom wie ein klassischer Dipolmagnet verhält, würde seine zufällige Orientierung im Raum zu einer gleichmäßigen Verteilung der Kräfte führen, was zu einer Dehnung der Atomwolke entlang der Richtung des Feldgradienten führt. Die Vorrichtung führt jedoch tatsächlich eine Orientierungsmessung des magnetischen Moments des Atoms durch, das quantisiert wird, und so besteht das tatsächlich beobachtete Muster darin, dass sich die Atomwolke in verschiedene diskrete Pakete aufteilt. Dies war (und ist immer noch) eine erstaunliche Demonstration der Quantennatur von Atomen.
Daher ist der bescheidene Magnet viel wunderbarer, als es zunächst scheint. Es stellt die Ausrichtung unzähliger einzelner Quantenobjekte dar, um das vertraute Material zu erhalten, mit dem wir Nachrichten und Bilder an unseren Kühlschrank kleben.
Gehen wir noch ein wenig weiter. Ein Magnetfeld ist mit einer elektrischen Ladung verbunden. Es gibt eine merkwürdige Quanteneigenschaft namens Spin, die mit dem magnetischen Moment einzelner Teilchen verbunden ist, aus denen Atome bestehen. Hier können wir uns nicht einmal ein Elektron vorstellen, das einen Kern umkreist, da jeder Komponente des Atoms auch ein Spin zugeordnet ist: Elektronen, Protonen und Neutronen. Es ist verlockend zu glauben, dass sich diese Teilchen tatsächlich um ihre dipolare Achse drehen, dies ist jedoch nicht korrekt. Auf der Ebene der fundamentalen Teilchen kann man nichts mehr sagen, als dass sie ein magnetisches Moment haben. Dies kann tatsächlich in einer Apparatur ähnlich der des Stern-Gerlach-Experiments demonstriert werden. Für fundamentale Teilchen ist der Spin eine Hälfte und es gibt nur zwei mögliche Orientierungen, entsprechend nach oben oder unten.
In allen Fällen ist ein intrinsisches magnetisches Moment mit einem Teilchen verbunden, das sowohl Ladung als auch Spin besitzt. Aus klassischen Eigenschaften wurde gezeigt, dass das Magnetfeld nur eine weitere Manifestation des elektrischen Feldes ist und dies erfordert, dass Ladungen vorhanden sind. Tatsächlich wurde erwartet, dass nur geladene Teilchen mit Spin ein magnetisches Moment haben. Es war jedoch möglich, das magnetische Moment des Neutrons, das keine Nettoladung aufweist, direkt zu messen. Diese bemerkenswerte Entdeckung ist ein direkter Hinweis darauf, dass das Neutron kein fundamentales Teilchen ist, sondern selbst ein zusammengesetztes Quantenobjekt. Es dauerte 20 Jahre, bis dies mit dem Quarkmodell tatsächlich gelöst wurde. So war es der mysteriöse Magnetismus, der zur Entwicklung des Quarkmodells der Teilchenphysik führte. Ich denke, das ist ziemlich erstaunlich!