Grundlagen des Magnetismus

Magnete bestehen meistens aus Stahl, ihr Hauptbestandteil ist also Eisen. Es existieren jedoch auch Magnete, die aus Nickel, Kobalt oder Eisenverbindungen bestehen. Mit Hilfe eines Magneten lassen sich Kräfte auf bestimmte Gegenstände ausüben. Voraussetzung hierfür ist, dass diese Gegenstände magnetische Eigenschaften haben. Die vom Magneten herrührenden Kräfte sind magnetische Kräfte, welche auf Gegenstände wirken, die auch Eisen, Nickel oder Kobalt enthalten. Der Betrag der magnetischen Kraft hängt vom Abstand zwischen dem Magneten und dem Gegenstand ab. Ein Gegenstand, welcher kein Magnet aber magnetisierbar ist, wird von einem Magneten immer angezogen.

Dabei wirkt der Gegenstand im Gegenzug mit einer gleich großen Anziehungskraft auf den Magneten zurück. Die Kraft, welche der Magnet ausüben kann, ist an manchen Stellen größer und an anderen Stellen kleiner. Als Beispiel zur Veranschaulichung dient ein Stabmagnet, welcher in eine Packung Eisennägel gelegt wird. Die meisten Nägel bleiben an den Enden des Magneten haften. In der Mitte dagegen, werden kaum Eisennägel angezogen. An den Enden gibt es also die größten magnetischen Kräfte. Dies ist eine wichtige Eigenschaft eines Magneten: An den Polen ist seine magnetische Kraft immer am größten. Jeder Magnet hat zwei Pole, einen Nordpol und auf der gegenüberliegenden Seite den Südpol. Die Pole wirken immer anziehend auf Gegenstände aus magnetisierbaren Stoffen. Ein besonderes Phänomen bei Magneten ist neben der Anziehung auch die Abstoßung.

Werden zwei Magneten mit ihren Polen einander angenähert, so können sich diese entweder anziehen oder abstoßen. Es gilt die folgende Eigenschaft: gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige Pole ziehen sich an. Ein in der Mitte drehbar gelagerter Magnet reagiert sehr sensibel, bereits auf kleinste magnetische Kräfte. Diese Magnetnadel richtet sich immer in Nord-Süd-Richtung aus. Ihr nach Norden zeigender Pol ist der Nordpol, der nach Süden zeigende Pol ist der Südpol.

Das Magnetfeld

Eine Magnetnadel schlägt schon in der Nähe eines Magneten aus. Der Magnet erzeugt also offenbar auch in seiner unmittelbaren Umgebung eine magnetische Kraftwirkung. Dies ist das magnetische Feld des Magneten. Diese Kraftwirkung wird weder durch Luft noch durch Vakuum behindert. Auch Stoffe, welche nicht magnetisierbar sind, verändern die Wirkung des Magneten auf einen Gegenstand nicht. Lediglich Gegenstände, welche ebenfalls aus magnetisierbaren Stoffen bestehen, verändern die Wirkung des Magneten im Raum hinter ihnen.
Das Magnetfeld der Erde

In der Mitte drehbar gelagerte Magnete richten sich immer in Nord-Süd-Richtung aus. Daraus folgt, dass die Erde und die Magnete wechselseitige Kräfte aufeinander aus. Die magnetischen Pole der Erde liegen in der Nähe der geografischen Pole des Planeten. Eine Magetnadel richtet sich jedoch nie exakt aus, die Abweichung von der Nordrichtung beträgt ungefähr 2°-6°. Die Feldlinien des Erdmagnetfeldes sind gegenüber der Horizontalen geneigt. Eine Magnetnadel mit horizontaler Drehachse zeigt an, dass sie mit 63°-69° gegenüber der Horizontalen in den Boden tauchen.

Der innere Aufbau eines Magneten

Gegenstände, welche aus Eisen bestehen, können durch Berühren mit einem Magneten magnetisiert werden. An einen Eisennägel, der an einem Magnetpol hängt, können weitere Eisennägel angehängt werden, als wäre jeder Eisennagel selbst ein Magnet. Jeder Magnet lässt sich in unendlich viele kleinere Magnete zerlegen und im Umkehrschluss auch aus unendlich vielen kleinen Magneten zusammen setzen. Zerbricht eine Magnetnadel, so entstehen zwei Magneten. An der vorher wenig magnetischen Mitte befindet sich nun jeweils ein Pol. Zerbricht man diese Stücke erneut, so entstehen weitere Magneten mit diesen Eigenschaften. Daraus folgt, dass alle magnetisierbaren Stoffe aus winzigen Bereichen bestehen, welche sich wie kleine Magneten verhalten, sie stellen die Elementarmagneten dar.

Magnetische Influenz

Mit Hilfe der Elementarmagnetvorstellung zur Übertragung von magnetischer Wirkung durch ein magnetisches Feld, lässt sich erklären, warum ein Eisenklotz selbst zu einem Magnet wird, wenn er sich in der Nähe eines Magneten befindet. Die Elementarmagnete des Eisenklotzes werden von den Kräften, welche durch das Feld auf sie wirken, zum Teil gleichgerichtet. Dadurch entsteht ein Magnet, durch die magnetische Influenz. Lassen sich die Elementarmagneten leicht ausrichten, so ist der Stoff magnetisch weich, andernfalls magnetisch hart. Die einheitliche Ausrichtung der Elementarmagnete geht komplett verloren, wenn der Magnet stark erhitzt wird, hier sind mindestens 600° Celsius nötig oder wenn der Magnet starken Erschütterungen ausgesetzt ist.

Elektromagnetismus

Elektrischer Strom hat magnetische Eigenschaften. Dies wurde vom Physiker Hand Christian Oersted entdeckt. Ein Magnet erfährt in der Nähe eines elektrischen Stromes eine Kraft. Diese muss von einem Magnetfeld stammen, welches mit dem Einschalten des Stromes entsteht und mit Ausschalten des Stromes verschwindet. Jeder elektrische Strom ist stets von einem Magnetfeld umgeben. Die magnetischen Feldlinien eines Stromes in einem Leiter gehen durch einen gemeinsamen Mittelpunkt dieser Kreise und stehen senkrecht auf den Kreisflächen. Feldlinien sind im Prinzip unendlich lang, sie besitzen keinen Anfang und kein Ende.

Die Nordpole der Magnetnadeln zeigen die Richtung der Feldlinien an. Wird die elektrische Polung umgeändert, so zeigen die Magnetnadeln in die andere Richtung. Die Richtung der magnetischen Feldlinien hängt also von der Polung der Anschlüsse an der elektrischen Stromquelle ab. Als Merkhilfe dient die sogenannte Linke-Hand-Regel: Wird ein Leiter mit der linken Hand so umfasst, dass der ausgestreckte Daumen in Richtung des Leiters zum Pluspol zeigt, so zeigen die gekrümmten Finger der Hand die Richtung der magnetischen Feldlinien an.

Das Magnetfeld einer Spule

Eine Spule kann aus mehreren Leiterschleifen zusammengebaut werden. Wird die Spule mit einer elektrischen Stromquelle verbunden, so entsteht innerhalb dieser Spule und um sie herum ein Magnetfeld. Innerhalb der Spule verlaufen die Feldlinien fast parallel. Das Magnetfeld ist dort überall annähernd gleich groß. Es handelt sich also um ein homogenes Magnetfeld. Am Ende der Spule treten die Feldlinien heraus und laufen zum anderen Ende. Die Feldlinien sind geschlossen. Außerhalb der Spule ist das Magnetfeld fast wie das eines Stabmagneten. Die Seite, an der die Feldlinien aus der Spule kommen, ist wie der Nordpol eines Magneten, die andere wie ein Südpol. Das Magnetfeld der Spule kann sehr stark verstärkt werden, wenn ein Eisenkern in die Spule eingeführt wird.