Physikalisches Grundwissen

Die physikalischen Vorgänge, welche der Wirkungsweise des Magnetpendels zugrunde liegen, sind komplex. Zwei Effekte, die auf den magnetischen Eigenschaften und auf der Leitfähigkeit des Materials beruhen, sind zu berücksichtigen.

Je nachdem, ob die Probe dia- oder paramagnetisch ist, wirkt sich dies durch Kräfte auf die Probe im inhomogenen Magnetfeld des bewegten Pendels aus. (Fälschungen mit ferromagnetischen Legierungsbestandteilen kann man in den Erläuterungen außen vor lassen, da sie vom Pendel sofort stark angezogen werden und sich damit verraten.)

Reiner Diamagnetismus tritt bei Stoffen wie Gold und Silber auf, bei denen sämtliche Elektronen gepaart sind und deren magnetische Momente sich im feldfreien Raum gegenseitig aufheben. Der Stoff zeigt dadurch keinen Magnetismus. Sämtliche diamagnetischen Stoffe haben also eine gerade Ordnungszahl.

 

Wird der Stoff aber in ein Magnetfeld verbracht, so beginnen die Elektronen – wie ein Kreisel zu „taumeln“ – (man nennt den Vorgang Präzession) und es entsteht dadurch ein zusätzlicher Kreisstrom und ein magnetisches Moment.

 

Nach der Regel von Lenz wirkt dieses dem äußeren Feld entgegen und daraus resultiert eine abstoßende Kraft. Im inhomogenen Feld des bewegten Pendels entsteht eine besonders starke, abstoßende Kraft, die das Pendel abbremst bzw. die Probe zu verschieben versucht. Supraleiter sind übrigens die perfekten Diamagneten. Die Präzession der Elektronen im Magnetfeld ist auch für die zusätzliche Kraft auf die Magnetwaage verantwortlich.

Bei paramagnetischen Stoffen ist mindestens ein Elektron pro Atom ungepaart und deshalb hat das Atom auch im feldfreien Raum ein magnetisches Moment. Dass die paramagnetischen Stoffe – ohne äußeres Feld – dennoch unmagnetisch sind liegt daran, dass sich durch die statistisch ungeordnete Verteilung der Momente sich diese in ihrer Gesamtheit aufheben.

 

Unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes richten sich die magnetischen Momente in Richtung des Feldes aus und verstärken es in Ihrer Gesamtheit. Der Stoff verdichtet in seinem Inneren somit die Feldlinien und er wird angezogen. Dadurch ziehen paramagnetische Stoffe das ausgelenkte Pendel an und beschleunigen es in Richtung auf die Probe. Außerdem ist damit die scheinbare Abnahme der Gewichtskraft bei der Magnetwaage zu erklären.

Der zweite physikalische Effekt, der beim Magnetpendel zu berücksichtigen ist, beruht auf der Erzeugung von Wirbelströmen in der Probe. Die Stärke der Wirbelströme hängt vom Material, dessen Leitfähigkeit und der Permeabilität des Stoffes ab. Silber und Gold haben, neben Kupfer, die beste Leitfähigkeit aller Metalle. Diese Eigenschaft führt zu sehr ausgeprägten Wirbelströmen. Diese wiederum bewirken eine starke Abbremsung des Pendels, besonders bei den gut leitenden Edelmetallen.

Mit dem Magnetpendel wird somit auch eine qualitative Leitfähigkeitsmessung durchgeführt. Reine elektronische Leitfähigkeitsmessgeräte arbeiten mit hochfrequenten Wechselströmen im höheren kHz-Bereich. Je höher aber die Frequenz ist, umso geringer ist die Eindringtiefe des Messsignals in das Material. Plastiktaschen für Münzen sind dabei in der Regel hinderlich. Das Magnetpendel schwingt relativ langsam und hat deshalb eine sehr gute Eindringtiefe, detektiert also das Material in der Tiefe.

 

Anhand der obigen Grafik soll die Entstehung der Bremskraft auf das Pendel erläutert werden. Bei der Abbildung ist das Magnetfeld senkrecht in die Zeichenebene hinein orientiert. Durch die Bewegung der grau dargestellten Metallprobe nach rechts wird innerhalb des Metalls – und nur dort – ein elektrischer Strom induziert, da auf die mit der Probe bewegten Elektronen eine Lorenzkraft wirkt. Nach der rechten Hand-Regel ist in der Abbildung die technische Stromrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung und zum Magnetfeld senkrecht nach oben gerichtet. Der Strom bildet einen Ringstrom aus, der über die senkrecht nach unten gerichtete Komponente außerhalb des Feldes geschlossen wird. Außerhalb des Magnetfeldes wird kein Strom induziert. Der Kreisstrom verläuft nach der technischen Stromrichtung in der rechten Hälfte der Probe im Uhrzeigersinn. Auf der linken Seite ist der Induktionsstrom spiegelbildlich entgegengesetzt orientiert. Durch die nach oben gerichteten Ströme erfährt die Probe innerhalb des Magnetfeldes eine Kraftwirkung (Lorenzkraft), die nach der rechten Hand-Regel nach links gerichtet ist und damit die Bewegung hemmt. Man kann die abstoßende, bremsende Kraft auch nach der Regel von Lenz erklären. Diese besagt, dass der Induktionsstrom stets so gerichtet ist, dass er der Ursache, hier der Bewegung der Probe nach rechts, entgegenwirkt. Die Stärke der Bremskraft hängt, wie erwähnt, stark von der Leitfähigkeit des Materials ab. Die zweite Abbildung erläutert die Ausbildung der Wirbelströme beim Magnetpendel in einer Schrägbilddarstellung.

 

Zum Verständnis der Richtung des Kreisstromes ist zu beachten, dass sich die Probe relativ zum Pendel nach rechts bewegt, wenn das Pendel nach links schwingt.

Zusammen mit dem im ersten Teil erläuterten, auf dem Magnetismus beruhenden Effekt, lassen sich mit dem Magnetpendel die gut leitenden Edelmetalle leicht detektieren, da z.B. das paramagnetische Wolfram nur etwa 30% der Leitfähigkeit von Silber bzw. etwa 40% von Gold hat.