Einführung Magnetisches Feld
Grundlagen
- Ein Körper, der Eisen, Nickel, Kobalt und bestimmte Legierungen anzieht, heißt Magnet.
- Eisen, Nickel und Kobalt werden als ferromagnetische Stoffe bezeichnet.
- Die Stellen, an denen beim Magneten die größte Anziehung beobachtet wird, bezeichnet man als Pole.
- Hängt man einen Stabmagneten frei drehbar auf, richtet er sich im Magnetfeld der Erde aus. Das Ende, das nach Norden weist, wird als magnetischer Nordpol des Stabmagneten bezeichnet. Das andere Ende wird magnetischer Südpol genannt.
- Gleichnamige Magnetpole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.
- Da sich ungleichnamige Magnetpole anziehen, besitzt die Erde am geographischen Nordpol einen magnetischen Südpol.
- Es gibt keine magnetischen Monopole, sondern nur Dipole (im Gegensatz zu den elektrischen Ladungen).
- Magnetische Kräfte wirken, genauso wie elektrostatische Kräfte, auch im materiefreien Raum.
- Mit zunehmendem Abstand vom Magnetpol nehmen die magnetischen Kräfte stark ab.
- Die Eigenschaft des Raumes in der Umgebung eines Magneten, auf ferromagnetische Stoffe oder andere Magnete Kräfte auszuüben, wird als Magnetfeld oder magnetisches Feld bezeichnet.
- Mit Hilfe von Magnetfeldlinen kann man die Struktur von Magnetfeldern darstellen. Die Richtung der Feldlinien wird mit einem kleinen Probemagneten festgestellt. Er richtet sich entlang der Feldlinien aus. Der Nordpol des Probemagneten zeigt in die Richtung der Feldlinen. Außerhalb eines Magneten verlaufen die Feldlinen deshalb vom Nordpol zum Südpol.
Das Magnetfeld eines Stabmagneten
Die Magnetfeldlinien verschiedener Magnetfelder können mit Hilfe von Eisenfeilspänen, oder wie hier, mit kleinen, drehbar montierten Magneten sichtbar gemacht werden.
Das Magnetfeld eines Hufeisenmagneten
Eine genauere, quantitative Untersuchung der Kräfte, die beim Magnetfeld auf die Probemagneten wirken, ist an dieser Stelle nicht möglich. Dazu müssten wir die Kraft auf einen magnetischen Monopol untersuchen, den es jedoch, wie wir wissen, nicht gibt. Aus diesem Grund werden wir in einem späteren Kapitel werden von einer andere Kraftwirkung im magnetischen Feld ausgehen.
Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus
Im Jahr 1820 entdeckte Hans Christian Oersted einen Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus. Ampère wiederholte die Versuche von Oersted noch im gleichen Jahr und stellte zusammengefasst fest: „Magentische Felder werden durch bewegte geladene Teilchen hervorgerufen.“ Wie Magnetfelder aussehen, die durch bewegte geladene Teilchen, also durch Stromfluss, entstehen, werden wir in den folgenden Beispielen sehen.
Das Magnetfeld eines stromdurchflossenen geraden Leiters
Zur Sichtbarmachung der Feldlinien um einen stromdurchflossenen Leiter wird ein Metalldraht durch ein Loch in einer durchsichtigen Kunststoffplatte gesteckt, auf der drehbar gelagerte Magnetnadeln angebracht sind. An den Metalldraht wird eine Stromquelle angschlossen, die eine konstante Stromstärke liefert. Das entstehende Feld ist ein sich nicht änderndes Magnetfeld, ein sogenanntes magnetostatisches Feld.
Die magnetischen Feldlinien eines stromdurchflossenen geraden Leiters sind konzentrische Kreise, die in Ebenen senkrecht zum Leiter liegen. Die Richtung der Feldlinien lässt sich mit Hilfe der „Rechte-Hand-Regel“ angeben:
„Umfasst man einen Leiter mit der rechten Hand und zeigt der Daumen in die technische Stromrichtung, so geben die Finger die Richtung der magnetischen Feldlinien an.“
Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Leiterschleife
Biegt man einen Draht zu einer Schleife (Windung), treten die magnetischen Feldlinien nach der „Rechte-Hand-Regel“ auf der einen Seite der Schleifenfläche (hier rechts) ein und auf der anderen Seite heraus.
Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule
Wickelt man einen Draht zu einer Spule, addieren sich die Magnetfelder der Einzelwindungen und es entsteht außen ein Magnetfeld, das dem eines Stabmagneten stark ähnelt. Im Inneren der Spule verlaufen die Feldlinien von Süd nach Nord und bilden ein starkes, nahezu homogenes Magnetfeld.
Elementarströme im Permanentmagneten
Auch im Permanentmagneten wird das magnetische Feld durch bewegte elektrische Ladungen, sogenannte Elementarströme, hervorgerufen (Ampère, 1823). Im Gegensatz zu einem unmagnetisiertem Metallstab sind die Atome in einem Permanentmagneten vorwiegend so angeordnet, dass die Kreisströme in einer senk-rechten Ebene zur Stabachse fließen und überwiegend den gleichen Umlaufsinn besitzen. Die Elementarströme im Inneren heben sich auf und die verbleibenden Ströme an der Oberfläche bewirken ein Magnetfeld, das dem einer Spule entspricht.
