mini|Magnetfeld eines idealen zylindrischen Magneten mit der Symmetrieachse in der Bildebene Der Magnetismus ist eine physikalische Erscheinung, die sich unter anderem als Kraftwirkung zwischen Magneten, magnetisierten bzw. magnetisierbaren Gegenständen und bewegten elektrischen Ladungen äußert. Er lässt sich beschreiben durch ein Feld (Magnetfeld), das einerseits von diesen Objekten erzeugt wird und andererseits auf sie wirkt.
Magnetfelder entstehen zum einen bei jeder Bewegung von elektrischen Ladungen. Das ist Grundlage von Elektromagneten und wegen des Induktionsgesetzes auch der induktiven elektronischen Bauelemente. Zum anderen existiert das magnetische (Dipol-)moment von Elementarteilchen als Folge ihres Spins, was zu Dauermagneten und anderen magnetischen Eigenschaften von Festkörpern, aber auch Flüssigkeiten und Gasen führt.
Der Magnetismus ist ein Teilgebiet des Elektromagnetismus. Die zugrundeliegende Grundkraft heißt elektromagnetische Wechselwirkung.
Magnetfelder und Feldlinien mini|Eisenfeilspäne auf Papier, die sich entsprechend dem Feld eines darunter befindlichen Stabmagneten ausgerichtet haben, zeigen den Verlauf der magnetischen Feldlinien. Die Buchstaben N und S dienen lediglich der Erklärung. mini|thumbtime=35|Magnetfeld eines Stabmagneten (Nordpol blau, Südpol rot)
Um die Erscheinungen des Magnetismus zu beschreiben, führte man den Begriff des Magnetfelds ein. Magnetfelder können verursacht werden durch magnetische Materialien, etwa einen Dauermagneten, elektrische Ströme, z. B. eine stromdurchflossene Spule, oder zeitliche Änderung eines elektrischen Feldes.
Magnetische Feldlinien veranschaulichen in jedem Punkt des Feldes Richtung und Richtungssinn des Magnetfeldes bzw. des magnetischen Flusses. Diese Richtung wird dahin festgelegt, wie sich der Nordpol eines Probemagneten ausrichten würde. Die Stärke des Magnetfeldes ist proportional zum Drehmoment, das dieser Probemagnet erfahren würde, wenn man ihn um einen bestimmten Winkel aus dieser Richtung auslenkt. Der Abstand der Feldlinien zeigt die Stärke des Magnetfeldes an: Je dichter die Feldlinien, desto stärker das Feld.
In der Magnetostatik gibt es im Gegensatz zur Elektrostatik keine Ladungen – echte magnetische Monopole sind zwar theoretisch nicht auszuschließen, alle experimentellen Tatsachen sprechen aber gegen ihre Existenz. Somit ist das Magnetfeld quellenfrei.Die Quellenfreiheit gilt – genau genommen – immer für die magnetische Flussdichte , nicht aber für die magnetische Feldstärke , siehe unten. Magnetische Feldlinien haben daher keinen Anfang und kein Ende.Mathematisch ausgedrückt: Magnetfelder sind stets Wirbelfelder, während elektrostatische Felder stets Gradientenfelder sind (man kann jedes Vektorfeld in einen Gradientenanteil (wirbelfreien Anteil) und einen Wirbelanteil (quellenfreien Anteil) aufspalten).P. J. Morrison: Magnetic Field lines, Hamiltonian Dynamics, and Nontwist Systems. Physics of Plasmas, Vol. 7 No. 6, June2000, pp. 2279 – 2289. Der Artikel zeigt, dass in dreidimensionalen Anordnungen ohne besondere Symmetrie geschlossene Feldlinien sogar vergleichsweise selten auftreten. Dies legt auch das folgende Paradoxon nahe: Es wird ein Stabmagnet aus flexiblem Material betrachtet, in den jemand vor dem Aufmagnetisieren eine einfache Schlinge geknotet hat. Seine Feldlinien verlaufen im Innern vom S-Pol zum N-Pol entlang des Knotens und schließen sich außerhalb des Magneten im freien Raum. Nun wird der Magnet langsam aufgeknotet. Seine Feldlinien seien dabei ständig geschlossen. Da ein Knoten in einer geschlossenen Schleife aus topologischen Gründen nicht verschwinden kann, müssten nun die den gestreckten Stabmagneten umgebenden Feldlinien einen Knoten enthalten, was nicht möglich ist. Das Paradoxon lässt sich auflösen, indem man die Vorstellung geschlossener Feldlinien aufgibt.
Der Verlauf magnetischer Feldlinien kann durch die Ausrichtung von Eisenfeilspänen oder einer Kompassnadel sichtbar gemacht werden; für dreidimensionale Demonstrationen kann man die Eisenfeilspäne zum Beispiel in Silikonöl suspendieren.
Hall-Sonden sind elektronische Sensoren auf Basis des Hall-Effektes, die Stärke und oft auch Richtung der Magnetfelder messen können.
Nord- und Südpol Ein Stabmagnet an der Erdoberfläche richtet sich bei Fehlen anderer Kräfte so aus, dass eines seiner Enden in Richtung Norden, zum arktischen Magnetpol, und das andere in Richtung des antarktischen Magnetpols zeigt. Das nach Norden zeigende Ende wird Nordpol des Magneten genannt. Durch Definition wurde festgelegt, dass am Nordpol eines Magneten die Feldlinien aus dem Magneten aus- und an seinem Südpol in ihn eintreten. Deshalb bezeichnet man allgemein bei Elektromagneten oder Permanentmagneten Gebiete, aus denen die Feldlinien austreten, als Nordpol und Gebiete, in die sie eintreten, als Südpol.
Da der Nordpol eines Magneten vom arktischen Erd-Magnetpol angezogen wird, ist der arktische Erd-Magnetpol ein magnetischer Südpol. Entsprechend wird der Südpol eines Magneten vom antarktischen Erd-Magnetpol angezogen, der ein magnetischer Nordpol ist.
Magnetische Kraftwirkungen Das magnetische Feld übt auf bewegte elektrische Ladungen die sogenannte Lorentzkraft aus. Sie ist proportional zur Geschwindigkeit , wirkt senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfeldes und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung. Sie ist die Grundlage von Elektromotoren und Generatoren sowie der Ablenkung bewegter geladener Teilchen (z. B. mit Ablenkspulen). Mit einem statischen Magnetfeld wird dabei keine Energie ausgetauscht.
Das magnetische Feld übt ferner Kräfte auf Magnete und magnetisierbare Körper (Ferrimagnetismus bestimmter nichtmetallischer Festkörper, sog. Ferrite, und Ferromagnetismus von Metallen wie Eisen) aus. Magnete und gestreckte Probekörper aus magnetisierbaren Materialien richten sich immer längs der Feldlinien beziehungsweise antiparallel zu diesen aus, das heißt, der magnetische Südpol eines Probemagneten richtet sich entlang der Feldlinien zum Nordpol des erzeugenden Feldes aus. Dieser Effekt wird zum Beispiel beim magnetischen Kompass ausgenutzt, bei dem sich die Kompassnadel, ein magnetischer Dipol, nach dem Erdmagnetfeld ausrichtet. Zudem werden in inhomogenen Feldern magnetisierbare Körper in Richtung steigender Feldstärke gezogen, siehe Gradient, Anwendungen sind Elektromagnete und der Reluktanzmotor. Das gilt auch für Magnete, die sich frei ausrichten können. In entgegengesetzter Richtung orientierte Magnete werden dagegen abgestoßen.
Ursache für diese Beobachtungen ist, dass ein energieärmerer Zustand eingenommen wird – die Kräfte und Drehmomente wirken stets so, dass die Gesamtenergie des Feldes abnimmt, wenn die Körper ihnen folgen, wobei die Bindungsenergie als mechanische Arbeit frei wird. Umgekehrt wird an den Körpern Arbeit verrichtet, wenn sie gegen die Kräfte bewegt werden. Die Arbeit senkt bzw. erhöht die Energie des Feldes. Sind Spulen beteiligt, so kann auch Elektroenergie zu- oder abgeführt werden.
Größen und Einheiten
Die Stärke eines Magnetfeldes wird durch die magnetische Flussdichte beschrieben. Ihre Maßeinheit ist das Tesla (SI) bzw. das Gauß (CGS). Zur Beschreibung des Magnetfelds in Materie wird hilfsweise ein zweites Feld definiert, die magnetische Feldstärke oder magnetische ErregungDie Bezeichnung „magnetische Feldstärke“ für das Feld ist unglücklich gewählt. Eigentlich müsste das -Feld so heißen, weil es wie die elektrische Feldstärke durch die Kraft definiert ist, die auf elektrische Ladungen wirkt. Zur Verringerung der Konfusion wird auch als „magnetische Erregung“ bezeichnet. mit der Maßeinheit A/m (SI) bzw. Oersted (CGS).
Im Vakuum sind beide Felder gleichwertig; sie unterscheiden sich nur durch einen konstanten Faktor, der vom verwendeten Größen- und Einheitensystem abhängt. Im SI ist dieser Faktor die magnetische Feldkonstante : , im gaußschen CGS-Einheitensystem ist er einfach die Zahl Eins.
In Materie ist der Zusammenhang komplizierter: In diesem Fall ist über einen Querspalt hinweg stetig, über einen Längsspalt. Messungen mit einer Magnetfeld-Sonde in Quer- und Längsspalt können wesentlich verschieden ausfallen. Die Größe ist immer quellenfrei, während dies für nicht gilt. Während die magnetische Feldstärke bei Berechnungen mit elektrischen Strömen oder bei ferromagnetischem oder ferrimagnetischem Material von Vorteil ist, verwendet man die magnetische Flussdichte zum Berechnen von induzierten Spannungen oder der Lorentzkraft. Die beiden Feldgrößen sind über eine der Materialgleichungen der Elektrodynamik miteinander verknüpft, welche sich im einfachsten Fall über einen Faktor, die Permeabilitätszahl , ausdrücken lässt: .
In anisotropen Materialien ist nicht unbedingt parallel zu .
Es gilt wobei die Magnetisierung des Materials ist. Quellenfreiheit von und Wirbelfreiheit von – letztere nur im Falle der Abwesenheit elektrischer Ströme, – drücken sich mathematisch durch die Gleichungen bzw. aus. Dabei sind und die Differentialoperatoren für die Divergenz bzw. die Rotation, also für die Quellen- bzw. die Wirbeldichte eines Feldes.
Beispiele für Magnetfelder Das intergalaktische Magnetfeld schätzt man auf weniger als 0,1 nT (10−10 T), das der Milchstraße auf 30 nT. Das Magnetfeld der Erde hat an der Oberfläche eine Stärke um 40 µT, bzw. 0,4 Gauss. Die magnetische Flussdichte der Sonnenflecken liegt unter 1 mT. Auf der Oberfläche von Neutronensternen, wie z. B. Pulsaren, herrschen dagegen typischerweise Flussdichten von 108 Tesla, bei Magnetaren, einer speziellen Sorte von Neutronensternen, sogar 1011 Tesla.
Das mit 1 nT derzeit (2009) schwächste Magnetfeld auf der Erde findet man in einem speziell abgeschirmten kubischen Gebäude der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin.Magnetfeldmessung am menschlichen Herzen mit kleinen Sensoren bei Raumtemperatur (Pressemeldung der PTB vom 11. Dezember 2009). Zweck des Kubus ist die Messung der schwachen Hirnströme und der Herzsignale von Menschen.
Am National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee (Florida) wird das mit 45 T derzeit stärkste zeitlich konstante Magnetfeld auf der Erde erzeugt. Noch höhere Magnetfelder sind mit Elektromagneten in kurzen Pulsen erreichbar. Den Weltrekord für zerstörungsfreie Magnetbauweisen hält derzeit (2012) das National High Magnetic Field Laboratory in Los Alamos, USA mit 100,75 T., Pressemitteilung des Los Alamos National Laboratory vom 22. März 2012.
Hohe Magnetfelder von beispielsweise 2800 TPräsentation der TU Dresden (PDF-Datei, 8,2 MB, abgerufen am 30. Juni 2011) lassen sich mit Stromimpulsen erzeugen, wenn in Kauf genommen wird, dass die Spule dabei zerstört wird. Eine zusätzliche Steigerung der Flussdichte kann bei gleichzeitiger Komprimierung der Spule bzw. des Feldes mittels Sprengladungen erreicht werden; siehe auch Flusskompressionsgenerator. Mittels intensiver Laserstrahlung lassen sich für wenige Pikosekunden Flussdichten von bis zu 34 kT erzeugen.
Magnetische Energie Jedes Magnetfeld enthält Energie. Die Energiedichte an einem beliebigen Punkt eines Magnetfelds im Vakuum ist gegeben durch
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Die Gesamtenergie des Magnetfelds einer stromdurchflossenen Spule beträgt
.
Hier steht für die Induktivität der Spule und für die Stromstärke.
Elektromagnetismus