12.1 Magnetismus
Sicher hast du einen oder sogar mehrere Magnete bei dir zu Hause, zum Beispiel einen Kühlschrankmagnet. Jeder von uns hat schon grundlegende Erfahrungen mit der Wirkung von Magneten gesammelt (Bild 12.2).
In diesem Kapitel geht es um das Verhalten von Dauermagneten (Permanentmagneten), ihre Pole und ihr Feld.
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12.1.1 Natürliche Magnete
In Bild 12.3 siehst du natürlich vorkommendes Magnetit (Magneteisenstein, \(\mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4\)). Von diesem Mineral war schon vor der Antike bekannt, dass es Stoffe wie Eisen anzieht.
Bild 12.3: Magneteisenstein (grau) auf Chalkopyrit (goldgelb)
Nur ferromagnetische Stoffe werden merkbar von Magneten beeinflusst. Neben Eisen sind das noch die Metalle Kobalt und Nickel. Andere Stoffe, auch andere Metalle, werden nicht beeinflusst. Aluminium zum Beispiel ist zwar ein Metall aber unmagnetisch, wie du leicht mit Hilfe eines Magneten und einer Alufolie selbst überprüfen kannst.
12.1.2 Pole eines Dauermagneten
Jeder Dauermagnet – egal welcher Form – besitzt zwei Stellen, an denen die Kraft besonders stark ist. Diese Stellen werden als Pole des Magneten bezeichnet. Experimente mit zwei Magneten zeigen, dass es sowohl anziehende als auch abstoßende Kräfte gibt. Jeder Dauermagnet hat zwei unterschiedliche Pole. Sie werden als Nordpol und Südpol bezeichnet.
Wie für elektrische Ladungen (11.1.1) gilt auch für magnetische Pole:
- gleichnamige Pole stoßen einander ab (Nordpol-Nordpol, Südpol-Südpol)
- ungleichnamige Pole ziehen einander an (Nordpol-Südpol, Südpol-Nordpol)
Um die Polung eines Magnets sofort zu erkennen, werden sie meist farblich markiert (Bild 12.4): Üblich sind
- magnetischer Nordpol: Rot (Merkhilfe: Beide Worte haben den Buchstaben o)
- magnetischer Südpol: Grün (Merkhilfe: Beide Worte haben den Buchstaben ü)
12.1.3 Trennung von Magnetpolen
Elektrisch positive Ladungen können von negativen getrennt werden (11.1.6). Zum Beispiel besitzt ein Elektron eine einzelne negative Elementarladung (11.1.2). Im Gegensatz dazu lassen sich Magnetpole nicht trennen.
Teilst du wiederholt einen Magnet, erhältst du immer einen kleineren Magnet mit zwei Polen (magnetischer Dipol, Bild 12.5). Es gibt keine magnetischen Monopole!
12.1.4 Ampèresche Elementarmagnete
Die Vorstellung, dass Materie aus vielen kleinen Magneten aufgebaut ist, geht auf André-Marie Ampère zurück. Mit Hilfe des Modells der Elementarmagneten lässt sich das Teilungsverhalten eines Magneten verstehen – jedes Teilstück besteht eben immer noch aus einer Vielzahl von Elementarmagneten.
Auch die Magnetisierung von ferromagnetischen Stoffen lässt sich mit diesem Modell einfach erklären. Sind die atomaren magnetischen Dipole (Elementarmagneten) eines Stück Eisens zufällig orientiert, heben sich die magnetischen Wirkungen dieser Elementarmagnete gegenseitig auf und es kommt zu keiner makroskopischen Magnetwirkung (Bild 12.6 (a)) – das Eisen ist unmagnetisiert.
Bei einem magnetisierten Stück Eisen sind die atomaren magnetischen Dipole gleich ausgerichtet und die magnetischen Wirkungen der atomaren magnetischen Dipole verstärken sich. Es kommt zu einer makroskopischen Magnetwirkung. Sind alle Elementarmagnete vollständig ausgerichtet (Sättigungsmagnetisierung), ist das Feld am stärksten (Bild 12.6 (b)).
12.1.5 Das Magnetfeld
So wie die elektrische Kraft (11.2.6) einer Ladungsanordnung durch das elektrisches Feld \(E\) (11.3.1) beschrieben werden kann, kann die magnetische Kraft durch das magnetische Feld \(B\) (engl. magnetic field) beschrieben werden.
Legst du eine Glasplatte auf zwei Stabmagnete mit ungleichnamig zugewendeten Polen und streust Eisenfeilspäne darauf, erhältst du eine Vorstellung von dem Verlauf der Feldlinien (Bild 12.7).
Die Richtung der magnetischen Feldlinien ist durch die Nordrichtung einer Kompassnadel im Feld festgelegt (Bild 12.8).
Im Gegensatz zu elektrischen Feldlinien, die an elektrischen Ladungen entspringen oder enden, sind magnetische Feldlinien immer geschlossen – haben also keinen Anfang und kein Ende! Die Magnetfeldlinien verlaufen daher innerhalb von Magneten weiter (Bild 12.9).
12.1.6 Das Magnetfeld eines Stabmagneten
Das Magnetfeld eines Stabmagneten (engl. bar magnet) siehst du in Bild 12.10.
Bei einem Stabmagnet verlaufen die Feldlinien im Außenraum vom Nord- zum Südpol.
12.1.7 Das Magnetfeld eines Hufeisenmagneten
Neben dem Stabmagnet ist der Hufeisenmagnet (engl. horseshoe magnet) eine weitere häufige Bauform eines Magneten. Sein Magnetfeld siehst du in Bild 12.11
Beachte den Bereich zwischen den beiden Polen. Dort befindet sich ein fast homogener Feldbereich, in dem die Feldlinien zu einander parallel verlaufen.
12.1.8 Magnetfeld der Erde
Die Erde besitzt ein Magnetfeld, dessen Form dem Magnetfeld eines Stabmagneten ähnelt (Bild 12.12).
Befindet sich eine Magnetnadel in diesem Feld richtet sie sich in Nord-Süd-Richtung der Erde aus. Dieses Verhalten eines Magneten führte zur ersten praktischen Anwendung: dem Magnetkompass (Bild 12.13) der zur Navigation genutzt werden kann.
Als magnetischer Nordpol einer Kompassnadel wurde jener Magnetpol festgelegt, der zum geografischen Nordpol zeigt. Da aber ungleichnamige Pole einander anziehen, muss sich am geografischen Nordpol der magnetische Südpol der Erde befinden!
Die Lage der geografischen Pole (Durchstoßpunkte der Drehachse mit der Erdoberfläche) und der magnetischen Pole der Erde ist nicht gleich. Diese Abweichung wird Missweisung (oder Deklination) genannt. Der Fehler ist umso größer, je näher sich der Magnetkompass bei einem der beiden Pole befindet.
Die Erde ist kein Dauermagnet. Das kann schon deswegen nicht so sein, weil der äußere Erdkern flüssig ist und die Temperatur über der Curie-Temperatur (Temperatur, bei der die magnetische Eigenschaft eines Dauermagneten verschwindet) aller Stoffe liegt. Gesteinsuntersuchungen belegen außerdem, dass es in der Geschichte der Erde mehrmals zu einer Polumkehr gekommen ist, bei der magnetischer Nord- und Südpol ihre Lage tauschen. In Bild 12.14 siehst du das Erdmagnetfeld vor und während einer Polumkehr (keine eindeutigen Magnetpole) in einer Simulation. Das Erdmagnetfeld besitzt in dieser Zeit keine eindeutigen Magnetpole.
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Die Ursache für das Magnetfeld der Erde sind elektrische Ströme im Erdkern (Geodynamo). Wie ein Magnetfeld durch einen Stromfluss entsteht, erfährst du in einem späteren Kapitel Magnetfelder durch Stromfluss (12.4).