Das magnetische Feld I

Die Benützung eines Kompasses zur Navigation ist für viele selbstverständlich. Anhand des Erdmagnetfeldes bestimmt er stets die Nordrichtung und daraus alle anderen Himmelsrichtungen. Doch auch in der Technik ist das magnetische Feld unverzichtbar. Viele Anwendungen würde es ohne diese Erscheinung nicht geben.

Das Magnetfeld

Das magnetische Feld ist ein physikalischer Zustand in der Umgebung eines Magneten. Man kennt die Magnetwirkung beispielsweise von Magnetverschlüssen bei Kleidung und Möbeltüren oder Magnettafeln. Ein Magnet hat zwei Pole, einen Nord- und einen Südpol. Teilt man einen Stabmagneten in zwei Teile, so entstehen wiederum zwei neue Stabmagnete, welche ebenfalls Nord- und Südpole besitzen. Zwei gleiche Pole stoßen sich ab, während sich Nord- und Südpol anziehen. Ein magnetisches Feld kann aber auch elektrisch erzeugt werden. Eine Anwendung ist zum Beispiel der Elektromagnet.

Magnetismus durch bewegte Ladung

Magnetismus ist eine Erscheinung, die sich als Kraftwirkung zwischen Magneten und magnetisierten Gegenständen äußert. Ein magnetisches Feld kann aber auch technisch erzeugt werden. Bereits 1820 entdeckte Hans Christian Ørsted (dänischer Physiker, Chemiker und Naturphilosoph) die Ablenkung einer Kompassnadel in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters. Magnetische Erscheinungen werden heute im Wesentlichen als Folge von bewegten elektrischen Ladungen erklärt. Anders formuliert erzeugen elektrische Ströme, in ihrer Umgebung, immer ein magnetisches Feld.

Grafische Darstellung des magnetischen Feldes

Das magnetische Feld lässt sich in Form von Feldlinien darstellen. Diese beschreiben die Richtung sowie die Stärke des Feldes. Je kleiner der Abstand zwischen den Linien, also je dichter diese dargestellt sind, umso stärker ist das magnetische Feld. Sie verlaufen immer vom Nordpol zum Südpol des Magneten und sind in sich geschlossen. Das bedeutet: Bei einem Magneten treten die Feldlinien an der Nordpolfläche aus, gehen durch den Raum zurück zum Südpol, treten dort wieder ein und schließen sich im Inneren des Magneten. Folgende Abbildungen zeigen das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters sowie eines Stabmagneten:

Die magnetische Feldstärke H

Die magnetische Feldstärke ist ein Vektor, sie besitzt also eine Richtung und einen Betrag. Sie charakterisiert das magnetische Feld. Die magnetische Feldstärke H eines idealen, unendlich langen und geradlinigen Leiters ist proportional zum Strom I durch den Leiter und indirekt zum Abstand r vom Mittelpunkt des Leiters. Dies lässt sich mit folgender Formel beweisen:

Doch in der Technik wird selten nur ein Leiter oder eine Leiterschleife zur Magnetfelderzeugung verwendet. Bei einer Zylinderspule etwa werden viele Windungen auf einem zylindrischen Träger gewickelt. Das entstehende Magnetfeld gleicht dem eines Stabmagneten: An einem Ende der Spule treten die Feldlinien aus, treten dann am anderen Ende wieder ein und schließen sich im Inneren der Spule. Die magnetische Feldstärke im Inneren der Zylinderspule lässt sich mit folgender Formel berechnen:

In der Technik treten aber viel komplexere Anordnungen auf, die eine aufwendigere Berechnung erfordern.

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