Magnetfeld
Ein Magnetfeld, auch Vektorfeld genannt, ist die magnetische Wirkung auf bewegte elektrische Ladungen, magnetische Materialien und elektrische Ströme.
Magnetfelder zwingen elektrisch geladene Teilchen, sich auf Kreis- oder Spiralbahnen zu bewegen. Die geladenen Teilchen üben dabei eine Kraft senkrecht zu ihrer eigenen Geschwindigkeit und zum Magnetfeld aus. Ein Magnetfeld lässt sich als die Fläche um einen Magneten beschreiben, in der die magnetische Wirkung spürbar ist.
Ein Magnetfeld kann mit B oder H bezeichnet werden. Mathematisch wird es durch Vektoren dargestellt, die sowohl eine Richtung als auch einen Betrag besitzen.
Zwei verschiedene Vektoren beschreiben ein Magnetfeld: die magnetische Flussdichte (oder magnetische Induktion) und die magnetische Feldstärke (oder magnetische Intensität).
Die Einheit des Magnetfelds ist Tesla, die Basiseinheit ist (Newtonsekunde)/Coulomb. Magnetische Feldlinien kreuzen sich nicht. Sie bilden geschlossene Schleifen, die vom Nordpol zum Südpol verlaufen. Die Dichte der Feldlinien gibt im Allgemeinen die Feldstärke an.
Was ist ein Magnetfeld?
Ein Magnetfeld entsteht durch die Bewegung elektrischer Ladungen.
Es lässt sich als der Bereich um einen Magneten definieren, in dem dessen magnetische Wirkung spürbar ist.
Es ist ein Kraftfeld, das auf Materialien wie Eisen eine Kraft ausübt, wenn diese sich in seiner Nähe befinden.
Magnetfelder benötigen kein Medium zur Ausbreitung; sie können sich sogar im Vakuum ausbreiten.
Ein Magnetfeld besitzt eine höhere Energiespeicherkapazität als ein elektrisches Feld. Dies unterscheidet es von diesem und ermöglicht seine Anwendung in elektromechanischen Geräten wie Transformatoren, Motoren und Generatoren.
Magnetfeld
Ein Magnetfeld ist ein Vektorfeld, das üblicherweise in der Nähe eines Magneten, eines elektrischen Stroms oder eines sich ändernden elektrischen Feldes auftritt, wo magnetische Kräfte messbar sind.
Magnetfeld und elektrisches Feld sind im Allgemeinen zwei verwandte Konzepte und bilden einen wesentlichen Bestandteil der elektromagnetischen Kraft.
Häufig gestellte Fragen
Wie zeichnet man die Magnetfeldlinien eines Stabmagneten?
Bei einem Stabmagneten steigen die Feldlinien vom Nordpol auf und treten am Südpol in den Magneten ein. Anschließend durchdringen sie den Magneten bis zum Nordpol, wo sie wieder austreten.
Geschichte des Magnetfelds
Das Magnetfeld wurde erstmals 1269 untersucht, als der französische Gelehrte Petrus Peregrinus de Maricourt mit Eisennadeln das Magnetfeld auf der Oberfläche eines kugelförmigen Magneten kartierte.
Er beobachtete, dass sich die resultierenden Feldlinien in zwei Punkten schnitten. Diese Punkte wurden „Pole“ genannt. Nach dieser Beobachtung schloss er, dass ein Magnet, egal wie fein er zerkleinert wird, immer einen Nord- und einen Südpol besitzt.
Drei Jahrhunderte später argumentierte William Gilbert, dass die Erde ein Magnet sei.
Laut John Mitchell, einem englischen Priester und Philosophen, ziehen sich Magnetpole an und stoßen sich ab – eine Behauptung, die er 1750 aufstellte.
Charles-Augustin de Coulomb bestätigte 1785 experimentell das Erdmagnetfeld.
Im 19. Jahrhundert entwickelte der französische Mathematiker und Geometer Siméon Denis Poisson das erste Modell des Magnetfelds, das er 1824 veröffentlichte.
Im 19. Jahrhundert stellten neue Entdeckungen die bis dahin geltenden Ansichten in Frage.
Der dänische Physiker und Chemiker Hans Christian Ørsted entdeckte 1819, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld um sich herum erzeugt.
1825 schlug André-Marie Ampère ein Modell des Magnetismus vor, in dem die magnetische Kraft durch kontinuierlich fließende Stromschleifen und nicht durch magnetische Dipole verursacht wird.
Faraday, ein englischer Wissenschaftler, wies 1831 nach, dass ein sich änderndes Magnetfeld ein elektrisches Feld erzeugt. Er entdeckte die elektromagnetische Induktion.
James Clerk Maxwell veröffentlichte zwischen 1861 und 1865 Theorien über Elektrizität und Magnetismus. Daraus entstanden die Maxwell-Gleichungen, die die Wechselwirkung von Elektrizität und Magnetismus detailliert beschreiben.
Abbildung eines Magnetfelds
Ein Magnetfeld lässt sich typischerweise auf zwei Arten darstellen:
- Magnetfeldvektor
- Magnetfeldlinien
Magnetfeldvektor
Mathematisch wird ein Magnetfeld als Vektorfeld beschrieben. Es besitzt sowohl eine Stärke als auch eine Richtung. Ein Vektorfeld kann als Vektorgitter dargestellt werden. Die Länge eines Vektors hängt von der Stärke der magnetischen Anziehungskraft ab.
Magnetfeldlinien
Magnetfeldlinien sind gedachte Linien, die einen Magneten umgeben. Ihre Dichte gibt seine Stärke an. Das Magnetfeld ist an den Nord- und Südpolen eines Magneten am stärksten und nimmt mit zunehmender Entfernung von den Polen ab.
Experiment zu Magnetfeldlinien: Normalerweise ist das Magnetfeld an den Nord- und Südpolen am stärksten und nimmt mit zunehmender Entfernung ab. Das folgende Experiment:
Benötigte Materialien: Ein Blatt weißes Papier, ein Stabmagnet, Eisenspäne
Experiment: Legen Sie ein Blatt weißes Papier auf einen Tisch und platzieren Sie einen Stabmagneten mittig darunter. Streuen Sie Eisenspäne um den Magneten. Klopfen Sie leicht gegen das Papier. Sie werden sehen, dass sich die Eisenspäne in einem präzisen Muster ausrichten, das dem Magnetfeld des Magneten entspricht. Bei genauer Betrachtung der Späne erkennen Sie, dass sie sich in der Nähe der Pole am stärksten konzentrieren, die Konzentration jedoch mit zunehmender Entfernung von den Polen abnimmt.
Quelle: QuantumBoffin
Eigenschaften von Magnetfeldlinien
Einige wichtige Eigenschaften von Magnetfeldlinien sind:
Magnetfeldlinien kreuzen sich niemals.
Sie verlaufen entlang des Weges des geringsten Widerstands zwischen entgegengesetzten Magnetpolen. Die Magnetfeldlinien eines Stabmagneten verlaufen in geschlossenen Schleifen von einem Pol zum anderen.
Die Magnetfeldlinien sind gleich lang.
Die Feldliniendichte nimmt ab, wenn sie sich von einem Bereich höherer Permeabilität zu einem Bereich niedrigerer Permeabilität bewegen.
In einem festen Magnetfeld verlaufen die Feldlinien vom Südpol zum Nordpol, in Luft vom Nordpol zum Südpol.
Die Magnetfeldstärke ändert sich mit dem Abstand vom Pol. Sie nimmt mit zunehmender Entfernung vom Pol ab.
Da ein Magnetfeld sowohl Stärke als auch Richtung besitzt, ist es eine Vektorgröße.
Wie zeichnet man Magnetfeldlinien?
Magnetfeldlinien lassen sich mit einem Kompass, einem Stabmagneten und einem Blatt Papier zeichnen.
Legen Sie das Papier zunächst auf ein Zeichenbrett. Platzieren Sie den Stabmagneten in der Mitte und markieren Sie ihn mit einem Bleistift.
Halten Sie den Kompass nahe an einen der Pole des Magneten. Achten Sie darauf, dass sich keine anderen magnetischen Materialien in der Nähe befinden.
Sie sehen, dass die Kompassnadel in verschiedene Richtungen zeigt. Setzen Sie einen Punkt in diese Richtung.
Bewegen Sie den Kompass von diesem Punkt weg und setzen Sie ihn so auf den Punkt, dass der Nadelansatz auf dem Punkt liegt.
Setzen Sie einen neuen Punkt in die Richtung, in die die Kompassnadel nun zeigt.
Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis der Kompass den gegenüberliegenden Pol des Magneten erreicht. Verbinden Sie die Punkte. Gehen Sie zurück zur vorherigen Position und wiederholen Sie den Vorgang von der neuen Position aus.
Nachdem Sie einige Linien gezeichnet haben, wird deutlich, dass die Linien eine geschlossene Schleife bilden, die an einem Pol des Magneten zu beginnen und am anderen zu enden scheint. So werden Magnetfeldlinien gezeichnet.
Magnetfeldlinien variieren je nach Art des verwendeten Magneten.
Quelle: vt.physics
Wie entsteht ein Magnetfeld?
Ein Magnetfeld kann nicht nur durch einen Magneten, sondern auch durch eine bewegte Ladung oder elektrische Ströme erzeugt werden. Materie besteht bekanntlich aus kleinen Bausteinen, den Atomen. Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, um den Elektronen kreisen.
Ein Magnetfeld entsteht durch die Rotation und Gyration von Protonen und Neutronen bzw. des Atomkerns. Die Richtung des Magnetfelds wird durch die Bahn- und Rotationsrichtung bestimmt. Mathematisch wird das Magnetfeld mit dem Buchstaben „B“ bezeichnet. Die Einheit des Magnetfelds ist Tesla (T).
Magnetische Feldstärke
Die magnetische Feldstärke kann auch als Magnetfeldintensität oder magnetische Intensität definiert werden.
Wir bezeichnen die magnetische Feldstärke mit dem Vektor H.
Die magnetische Feldstärke ist definiert als das Verhältnis der Stromstärke, die erforderlich ist, um in einem bestimmten Material eine bestimmte Flussdichte (B) zu erzeugen, zur Längeneinheit dieses Materials.
Die magnetische Feldstärke wird in Ampere pro Meter gemessen.
Die Formel für die magnetische Feldstärke lautet:
H = B/μ − M
Dabei gilt:
B = magnetische Flussdichte
M = Magnetisierung
μ = magnetische Permeabilität
Tesla ist die Einheit der magnetischen Feldstärke. Ein Tesla (1 T) entspricht der Feldstärke, die eine Kraft von einem Newton pro Ampere Stromstärke und Meter Leiter erzeugt.
Wie kann ein Magnetfeld sonst noch erzeugt werden?
Ein Magnetfeld entsteht, wenn sich eine Ladung bewegt. Es gibt zwei weitere Möglichkeiten, die Ladung so anzuordnen, dass sie sich bewegt und dennoch ein nutzbares Magnetfeld erzeugt.
Ein Magnetfeld entsteht immer dann, wenn sich eine elektrische Ladung bewegt. Permanentmagnete funktionieren durch die Bewegung von Elektronen um ihren Atomkern. Nur bestimmte Materialien eignen sich als Magnete, und manche sind deutlich stärker als andere.
Das Erdmagnetfeld
Sir William Gilbert kartierte das Erdmagnetfeld erstmals im Jahr 1600. Durch seine Experimente entdeckte er, dass die Erde magnetische Eigenschaften und ein Magnetfeld besitzt. Wird ein Magnet frei aufgehängt und horizontal gedreht, richtet er sich automatisch in Nord-Süd-Richtung aus und kommt zum Stillstand.
Der Magnet wird so ausgerichtet, dass der Nordpol vom geographischen Süden und der Südpol vom geographischen Norden angezogen wird.
Hypothese zur Entstehung des Erdmagnetfelds
Der Erdkern ist eine heiße, geschmolzene Flüssigkeit, die Ionen enthält. Diese Ionen zirkulieren in Form von Stromschleifen im Kern und erzeugen so ein Magnetfeld. Die Erde rotiert um ihre Achse, und die Materie auf dem Planeten besteht aus geladenen Teilchen. Diese geladenen Teilchen rotieren ebenfalls in Form von Stromschleifen um die Erdachse und erzeugen das Magnetfeld. Ionisierte Gase bilden die äußere Schicht der Erde. Durch die Erdrotation erzeugt die Bewegung der Ionen einen elektrischen Strom, der wiederum ein Magnetfeld erzeugt. Mehr über das Erdmagnetfeld erfahren Sie in einem separaten Artikel.