Magnetfeld
Eisenlotus, flüssiges Eisen
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Im Magnetismus haben wir mit magnetischen Kräften zu tun, die berührungslos über die Ferne wirken. Diese Fernwirkung kann mit Hilfe eines Magnetfelds, d.h. mit Feldlinien beschrieben werden. Auch hier gilt: Die Feldlinien haben eine Richtung und je enger die Feldlinien sind, desto stärker ist das Magnetfeld.

Der Magnetismus war schon den Griechen und Römern bekannt in Form von bestimmten Gesteinen, an welchen Eisennägel haften blieben.

Magnetit ist magnetisches Gestein
Ein Stück Gestein mit Magnetit hält an einem Magneten
Magnetite sample with neodymium magnet by GOKLuLe, licensed under CC BY-SA 3.0

Erst im Jahr 1820 entdeckte Hans Christian Ørsted (1777 – 1851), ein dänischer Physiker und Chemiker, dass der Magnetismus mit der Elektrizität zusammenhängt. Heute reden wir vom Elektromagnetismus, denn beide Phänomene gehören zusammen. Genauso gehört das Licht zum Elektromagnetismus, da es sich um elektromagnetische Wellen handelt, einer Kombination von elektrischem Feld und Magnetfeld.

Stabmagnet

Der einfachste Magnet ist der Stabmagnet mit Stabform. Er besteht aus einem ferromagnetischen Stoff (Eisen, Nickel oder Kobalt) der magnetisch wirkt und bleibt. Man spricht deshalb auch von einem Permanentmagneten. In der folgenden Skizze sind die Feldlinien des Magnetfelds eines Stabmagneten skizziert.

Zu den Feldlinien eines Magnetfelds können wir Folgendes festhalten:

  • Der Nordpol ist der Pol des Magneten, von welchem aus die Feldlinien ausgehen. Der Nordpol erscheint gewissermassen wie eine Quelle.
  • Der Südpol ist der Pol, in welchem die Feldlinien wieder in den Magneten eintreten: Er erscheint wie eine Senke.
  • Die Feldlinien sind alle geschlossene Schlaufen, wobei wir die Feldlinien im Magneten meistens nicht zeichnen.

Sehr grosse Schlaufen können aus praktischen Gründen nicht geschlossen gezeichnet werden, wie das in der folgenden Skizze mit den vier Enden der Feldlinien rechts der Fall ist. Die Schlaufen werden durch die vier einfallenden Feldlinien links wieder geschlossen.

Feldlinien Stabmagnet
Magnetischer Nord- und Südpol und Magnetfeldlinien bei einem Permanentmagneten (magnetischer Dipol)

Die Feldlinien des Magnetfelds haben eine Richtung: Sie verlaufen vom Nordpol zum Südpol. Je dichter die Feldlinien sind, desto stärker ist das Feld an der betreffenden Stelle.
Magnetfeldlinien sind immer geschlossene Schlaufen, wobei sehr grosse Schlaufen aus praktischen Gründen auch nicht geschlossen gezeichnet werden dürfen.

Hufeisenmagnet

Der altbekannte Hufeisenmagnet ist eigentlich einfach ein gekrümmter Stabmagnet. Die Feldlinien verlaufen wieder vom Nord- zum Südpol. Auch wenn es um den Magneten herum Feldlinien hat und das Magnetfeld nicht ganz verschwindet, so ist das Magnetfeld aussen doch viel schwächer als zwischen den Polen, wo das Magnetfeld annähernd gleichmässig stark ist.

Feldlinien beim Hufeisenmagnet
Magnetischer Nordpol und Südpol und Magnetfeldlinien bei einem Hufeisenmagneten: Das Magnetfeld im Hufeisen ist stark und praktisch homogen.

Stärke des Magnetfelds

Abkürzung: $\vec{B}$ bzw. $B = |\vec{B}|$

Einheit: $[\,B\,] = \mathrm{T} = \; \large\frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{A} \cdot \mathrm{s}^2} \quad$ (Tesla)

Die Stärke von Magnetfeldern wird mit Magnetometern (Hall-Sonde) vorgenommen.

Oft wird $B$ auch die Magnetflussdichte genannt. Integrieren wir $B$ über eine Fläche bzw. multiplizieren wir $B$ mit der betrachteten Fläche, durch welche das Magnetfeld “fliesst”, erhalten wir den magnetischen Fluss $\phi_B$. Tatsächlich ist $B$ der magnetische Fluss pro Fläche, also die Fluss-Dichte.

Beispiele für Magnetfelder und deren Stärken:

  • Magnetfeld der Erde: 30-60 µT
  • Magnetfeld der Sonne: 0.1 mT
  • Hufeisenmagnete, Neodym-Magnete: 0.1 – 1.6 T
  • Stärkste Elektromagnete: 20 T
  • Neutronensterne: 108 T

Elementarmagnete

Wenn wir den Stabmagneten halbieren, ist es nicht so, dass wir plötzlich einen einzelnen Südpol und einen einzelnen Nordpol in der Hand haben. Die Hälfte eines Stabmagneten ist selber wieder ein Stabmagnet mit zwei Polen.

Im Magnetfeld gibt es keine Monopole. Die Pole kommen immer zu zweit vor. Das ist der vermutlich grösste Unterschied zum elektrischen Feld, wo wir mit den Punktladungen durchaus Monopole haben.

Wir können das Spiel immer weiter fortsetzen, bis wir auf atomarem Massstab angelangt sind. Tatsächlich wirken einzelne Atome wie Elementarmagnete, aber auch diese haben wiederum zwei Pole.

Elementarmagnete als Bausteine der Permanentmagnete
Permanentmagnete sind aufgebaut durch Elementarmagnete. Jeder Teil eines Permanentmagneten hat wieder zwei magnetische Pole.

Wenn wir also einen Permanentmagneten entzweischneiden, wird in unserem Beispiel die linke Schnittfläche grün (Südpol) und die rechte Schnittfläche rot (Nordpol), egal wo genau wir schneiden.

Permanentmagnete bestehen aus Elementarmagneten, die selber immer einen Nord- und einen Südpol haben. Ihre Ausrichtung ist immer gleich, so dass die eine Seite immer zum Nord- und die andere Seite immer zum Südpol wird, selbst wenn ein Stück vom Magneten weggeschnitten wird.

Magnetisierung

Im ferromagnetischen Material könnten wir zwar die Atome als Elementarmagnete anschauen, aber es reicht aus, wenn wir die viel grösseren Domänen (weiss’sche Bezirke) betrachten. Diese Domänen entstehen, wenn die Elementarmagnete die anderen Elementarmagnete in ihrer unmittelbaren Umgebung durch die magnetischen Kräfte ausrichten. Es entstehen so ganze Bezirke mit der gleichen Ausrichtung.

Sind diese Domänen alle zufällig und unterschiedlich ausgerichtet, so heben sich im Mittel alle Magnetfelder der Domänen wieder auf und der Stoff erscheint uns unmagnetisch.

Wir können ihn aber magnetisieren, indem wir die Domänen mit einem sehr starken äusseren Magnetfeld in eine bestimmte Richtung ausrichten. Die Domänen bleiben danach ausgerichtet und erzeugen jetzt ein gemeinsames Magnetfeld.

Magnetisierung ist Ausrichtung der Domänen
Material ist unmagnetisch, wenn die Domänen zufällige Richtungen haben. Durch die Magnetisierung werden die Domänen ausgerichtet und das Material wird magnetisch.

Erhöhen wir die Temperatur so stark, dass die starke Teilchenbewegung die Ordnung wieder zunichte macht, verlieren wir die gemeinsame Ausrichtung und der Permanentmagnet verliert seine magnetische Wirkung.

Bei der Magnetisierung werden die Domänen im ferromagnetischen Material durch ein starkes äusseres Magnetfeld in die gleiche Richtung ausgerichtet. Diese Ausrichtung verbleibt permanent (Permanentmagnet). Durch thermische Bewegung bei einer hohen Temperatur lässt sich die Ausrichtung wieder aufheben, so dass sich die verschiedenen Ausrichtungen der Domänen gegenseitig aufheben: Das Material ist damit entmagnetisiert.

Magnetfeld sichtbar machen

Magnetfelder sind unsichtbar und wir können sie mit unseren Sinnen auch nicht spüren. In der Tierwelt gibt es viele Beispiele von Tierarten, die das Erdmagnetfeld spüren und es für die Orientierung nutzen können. Es gibt Bakterien, die damit oben und unten unterscheiden können. Zugvögel und Brieftauben können sich mit Hilfe des Erdmagnetfelds unglaublich gut orientieren. Für uns gibt es zwei einfache Tricks, um ein Magnetfeld sichtbar zu machen.

Magnetfelder können sichtbar gemacht werden durch:

  • Kompassnadeln: Sie richten sich im Magnetfeld aus und deuten damit die Richtung der Feldlinien an
  • Eisenfeilspäne wirken wie kleinste Kompassnadeln, die sich im Magnetfeld ausrichten und damit die Feldlinien andeuten

Die Ausrichtung einer Kompassnadel (oder eines Eisenfeilspans) geht darauf zurück, dass Kompassnadeln selber kleine Magnete sind. Der Nordpol der Kompassnadel wird vom Südpol des äusseren Felds angezogen. Analog wird der Südpol der Kompassnadel vom Nordpol des äusseren Felds angezogen.

Ausrichtung einer Kompassnadel im Magnetfeld
Ausrichtung einer Kompassnadel (Permanentmagnet) in einem äusseren Magnetfeld

Wenn wir einen Stabmagneten auf viele kleine Kompassnadeln legen, erkennen wir die Richtung des Magnetfelds und können den Verlauf der Feldlinien erahnen.

Feldlinien eines Stabmagneten mit Kompassnadeln
Kleine Kompassnadeln richten sich im Magnetfeld aus und deuten damit den Verlauf der Magnetfeldlinien an
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Ein noch deutlicheres Bild erhalten wir mit den Eisenfeilspänen. Durch ihre Ausrichtung entstehen helle und dunkle Linien, die den Verlauf der Feldlinien sehr deutlich zeigen.

Feldlinien des Magnetfelds mit Eisenfeilspänen
Sichtbar machen der Feldlinien des Magnetfelds mit Hilfe von Eisenfeilspänen, die sich im Feld ausrichten
Iron filings around magnet by Benjamin Crowell, licensed under CC BY-SA 2.0

Aufgabensammlung

  • Feldlinien zwischen zwei Magneten (0138)

  • Stromkabel (0139)