Die Magnetostatik ist ein Teilgebiet der Elektrodynamik. Sie behandelt magnetische Gleichfelder, also zeitlich konstante Magnetfelder.
Grundlagen In der Magnetostatik wird die räumliche Verteilung von Magnetfeldern in der Umgebung von Dauermagneten und von stationären Strömen (Konzept des Stromfadens) untersucht. Ein stationärer Strom ist beispielsweise Gleichstrom in einem elektrischen Leiter. Hierzu gehören neben den einzelnen magnetischen Eigenschaften der Stoffe wie Ferromagnetismus, Diamagnetismus etc. auch das Erdmagnetfeld. Außerdem beschreibt die Magnetostatik die Kraftwirkung derartig erzeugter Felder auf Magnete und Ströme. Hierzu gehört das Verhalten eines magnetischen Dipols in einem zeitlich konstanten Magnetfeld, beispielsweise das Verhalten einer (frei beweglichen) Magnetnadel im Erdmagnetfeld.
Die Grundbegriffe sind der Elektrostatik analog. Der positiven und negativen elektrischen Ladung entsprechen Nordpole und Südpole, quantitativ: positive und negative Polstärke. Allerdings können magnetische Pole im Gegensatz zu elektrischen Ladungen nicht isoliert werden, sondern treten in einem Körper immer zusammen auf.
Magnetostatische Kraft
Kraft zwischen zwei geschlossenen, nicht-überlappenden Stromschleifen Das grundlegende Kraftgesetz der Magnetostatik und somit des stationären Elektromagnetismus ist das Graßmann-Ampère’sche Kraftgesetz, welches wie folgt angegeben werden kann:
In dieser Form beschreibt es die Kraft, welche von der geschlossenen Leiterschleife 1 auf die geschlossene Leiterschleife 2 wirkt. Für den Fall, dass die Leiterschleifen endliche Querschnittflächen besitzen ist folgende Form mit den Stromdichten und zu verwenden:
Diese Formulierung versteht sich derart, dass die Kraft herrührend von der Stromschleife 1 (mit Volumen und elektrischer Stromdichte ) auf die Stromschleife 2 (mit Volumen und elektrischer Stromdichte ) wirkt. Die Volumen and sind nicht überlappend. Es wird weiterhin davon ausgegangen, dass es sich um geschlossene Stromschleifen mit endlichen Querschnittsflächen handelt. Diese Annahme impliziert, dass sich die Summe über alle Stromdichte-Vektoren entlang einer jeweiligen Schleife aufhebt (globale Stromerhaltung):
(Um dies zu veranschaulichen, betrachte eine gleichförmige Kreisbewegung: Die Summe aller Geschwindigkeitsvektoren in diesem Fall beträgt ebenfalls gleich dem Nullvektor.)
Unter Verwendung der Graßmann-Identität und der Eigenschaft von geschlossenen Kurvenintegralen im Kontext von Gradientenfeldern zeigt sich, dass der effektive Beitrag zur Kraft einfacher anzugeben ist. Zunächst findet sich mit der Graßmann-Identität:
bzw.
Die Eigenschaft der Integration entlang geschlossener Kurven führt dazu, dass sich jeweils letzterer Term zu Null ergibt. Folglich kann die Kraft auch einfacher beschrieben werden durch:
bzw.
In dieser Form des Kraftgesetzes wird deutlich, dass das 3. Newton’sche Axiom erfüllt ist (). Die Formulierung mit Kreuzprodukt gibt diese Eigenschaft nicht explizit, sondern nur unter der Voraussetzung von geschlossenen Stromlinien. Die differentielle Form hat daher in diesem Sinn keine physikalische Aussagekraft, was jedoch kein Problem darstellt, da in realen Systemen elektrische Stromkreise in der Regel geschlossen sind. Die Begründung für die komplizierter anmutende Formulierung mit Kreuzprodukten liegt darin, dass so die Definition der magnetischen Flussdichte durch das Biot-Savart-Gesetz eleganter durchführbar ist. Bei solcher Formulierung des magnetostatischen Kraftgesetzes gibt es demnach den Freiheitsgrad eines Gradientenfeldes, welches nach der Integration keinen effektiven Beitrag liefert. In der ursprünglichen Formulierung von Ampère wurde z. B. eine andere „Eichung“ gewählt.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Formulierung des Kraftgesetzes mit Stromdichten als allgemeiner anzusehen ist. Anhand dieser Formulierung schließt sich der Bogen vom Graßmann-Ampère’schen Kraftgesetzt zu den Maxwell-Gleichungen der Magnetostatik. Aus dem Kraftgesetzt lässt sich das Biot-Savart-Gesetz entnehmen, und schließlich lässt sich vom Biot-Savart-Gesetz auf die magnetostatischen Maxwell-Gleichungen für die magnetische Flussdichte schließen, in denen die elektrische Stromdichte enthalten ist und nicht etwa ein Linienstrom.
Aus letzterer Formulierung der magnetischen Kraft geht hervor, dass bei parallel gerichteten Stromdichten die Kraftwirkung anziehend ist, wohingegen bei antiparallel gerichteten Stromdichten eine abstoßende Kraft wirkt. Verglichen mit dem Coulomb’schen Kraftgesetz der Elektrostatik ist dies ein umgekehrtes Wirkungsprinzip. In der Elektrostatik ziehen sich ungleichnamige Ladungen an und gleichnamige stoßen sich ab.
Es zeigt sich, dass das Ampère’sche Kraftgesetz konservativ ist, was bedeutet, dass eine zugehörige potentielle Energie definiert werden kann. Zur Herleitung stellt man zunächst wie folgt um:
Hier wird das magnetische Vektorpotential eingeführt:
Wobei die Notation der Jacobi-Matrix entspricht. Zur Bemessung der magnetischen Kraft an verschiedenen Orten führt man den Verschiebungsvektor wie folgt ein, sodass sich die Ableitung vor das Integral ziehen lässt:
Entsprechend der Gradienten-Beziehung von Kraft und potentieller Energie , folgt daraus schließlich die potentielle Energie:
bzw. unabhängig von :
Auch hier ist bis auf das negative Vorzeichen die Analogie zur potentiellen Energie in der Elektrostatik erkennbar.
Kraft wirkend auf eine Stromdichte in externem Magnetfeld Durch Definition der magnetischen Flussdichte gemäß dem Biot-Savart-Gesetz:
, überführt sich die weiter oben angegebene Kraft wie folgt:
Wird die Stromdichte als die Kombination von elektrischer Ladungsdichte und einem Geschwindigkeitsfeld gemäß beschrieben, so findet sich hier der direkte Zusammenhang mit der Lorentzkraft im engeren Sinne (für elektrische Punktladung: ).
Kraft wirkend auf ein magnetisiertes Volumen in externem Magnetfeld Die magnetostatische Kraft wirkend auf ein Volumen mit Magnetisierung welches sich in einem Magnetfeld herrührend von einer externen Ursache befindet ist beschrieben durch:
Explizit versteht sich diese Notation wie folgt:
Bei dieser Formulierung wird davon ausgegangen, dass innerhalb des Volumens die Rotation der magnetischen Flussdichte gleich Null ist (). Sind elektrische Ströme innerhalb des Volumens vorhanden, so genügt die hier angegebene Formulierung nicht mehr.
Kraft wirkend auf ein magnetisiertes Volumen herrührend von eingeprägter Stromdichte Wird ein magnetisiertes Volumen mit Magnetisierung von einer von extern eingeprägten Stromdichte durchflossen, so ist die auf das magnetisierte Volumen wirkende Kraft beschrieben durch:
,
wobei .
Polstärke – Beschreibung durch fiktive magnetische Punktladungen Obwohl es keine isolierten magnetischen Ladungen (magnetische Monopole) gibt, können magnetostatische Effekte mit einer Analogie zur Elektrostatik veranschaulicht werden. Dies wird insbesondere in der Schulphysik benutzt: Man betrachtet einen Stabmagneten der Länge l als zwei entgegensetzte magnetische Ladungen (Pole) im Abstand l. Das Analogon zur elektrischen Ladung ist die magnetische Polstärke . Die Polstärke ist so definiert, dass das magnetische Kraftgesetz (auch: magnetostatisches Kraftgesetz) analog zur Coulomb-Kraft formuliert werden kann:
F ist hierbei die magnetische Kraft, die zwischen zwei Magnetpolen der Polstärke und im Abstand wirkt; μ0 ist die magnetische Feldkonstante. Die Polstärke ist von der gleichen Dimension wie der magnetische Fluss und wird somit in der Einheit Weber angegeben.
Aus der Definition folgt z. B. bei einem homogenen Feld mit bekannter Flussdichte B und Fläche A für die Kraft:
Feldtheorie Die Feldtheorie der Magnetostatik ist didaktisch auf im Wesentlichen zwei unterschiedliche Arten zu vermitteln. Der historische (oder induktive) Ansatz geht zunächst von der Naturbeobachtung von Kräften aus, deren Wirkungsprinzip folglich anhand von Experimenten tiefer untersucht, und schlussendlich in einem physikalischen Kraft-Gesetz auf eine möglichst einfache und allgemeine Weise mathematisch formuliert wird. Durch weitere mathematische Untersuchung des Kraftgesetzes im Sinne der Trennung von Ursache und Wirkung finden sich dann die Feldgleichungen (Maxwell-Gleichungen). Der deduktive Ansatz geht davon aus, dass die Maxwell-Gleichungen bereits bekannt sind.
Herleitung der Maxwell-Gleichungen aus dem Ampère’schen Kraftgesetz Ausgegangen wird vom Graßmann-Ampère’schen Kraftgesetz:
,
bei welchem in dieser Form die elektrische Stromdichte als Ursache der magnetischen Kraft angesehen wird, welche auf die elektrische Stromdichte wirkt. An dieser Stelle ist die Miteinbeziehung der Ladungserhaltung von wichtiger Bedeutung, welche sich in der Divergenzfreiheit der Stromdichten niederschlägt (). wird die magnetische Flussdichte entnommen. Diese Form der magnetischen Flussdichte wird als Biot-Savart-Gesetz bezeichnet:
Somit schreibt sich das Graßmann-Ampère’sche Kraftgesetz wie folgt:
Die weitere Untersuchung widmet sich nun dem Biot-Savart-Gesetz (zur Einfachheit verzichten wir auf den Index). Es zeigt sich zunächst, dass das Biot-Savart-Gesetz sich ebenfalls darstellen lässt durch:
Dies impliziert bereits die Divergenzfreiheit der magnetischen Flussdichte: .
Die Rotation der magnetischen Flussdichte findet sich ebenfalls:
Die Rotation der magnetischen Flussdichte entspricht folglich: (Ampèresches Gesetz).
Man beachte, dass in dieser Herleitung die Ladungserhaltung gemäß , die Laplace-Identität , und die Identität verwendet wurden.
Zusammengefasst erhält man die Maxwellgleichungen der Magnetostatik in differentieller Form:
Definiert man weiterhin das magnetische Vektorpotential:
, sodass , so wird aus der obigen Herleitung klar, dass die Divergenz des magnetischen Vektorpotentials ebenfalls verschwinden muss. Die Coulomb-Eichung des magnetischen Vektorpotentials, welche im nächsten Abschnitt bei der Herleitung der magnetischen Flussdichte aus den Maxwell-Gleichungen Verwendung findet, ist somit in dieser Herangehensweise eine Schlussfolgerung aus der Ladungserhaltung. Für das Vektorpotential gilt schließlich die Poisson-Gleichung .
Herleitung des magnetischen Feldes mit elektrischer Stromdichte als Ursache Für zeitlich konstante Felder „entkoppeln“ die Gleichungen für elektrische (E) und magnetische (B) Felder: setzt man in den Maxwellgleichungen alle Zeitableitungen gleich 0, so entstehen Gleichungen, die nicht gleichzeitig E und B enthalten. Die Phänomene der Magnetostatik lassen sich mit folgenden zwei reduzierten Maxwell-Gleichungen beschreiben:
Beachtenswert ist, dass in dieser stationären Betrachtung (zeitlich konstant, statisch) die Divergenz der elektrische Stromdichte stets gleich Null ist. Dieser Aspekt steht im Zusammenhang mit der Kontinuitätsgleichung für die elektrische Stromdichte, wobei die elektrische Volumenladungsdichte repräsentiert. D.h., im hier betrachteten statischen Fall gilt: .
Man führt das Vektorpotential als Hilfsfeld mit folgender Definition ein:
Dadurch wird automatisch die Gleichung erfüllt, da die Divergenz eines Rotationsfeldes identisch 0 ist .
ist jedoch nicht eindeutig bestimmt, da invariant ist unter einer Eichtransformation mit . D. h. die durch A und A’ festgelegten B-Felder sind identisch. Dies ergibt sich aus , da die Rotation des Gradienten eines Skalarfeldes verschwindet.
Setzt man in die inhomogene Maxwellgleichung (obige Gleichung 2)
ein ( ist der Laplace-Operator), so ergibt sich mit der Coulomb-Eichung die besonders einfache Form:
Dies stellt für jede Komponente eine Poisson-Gleichung dar, die durch
gelöst wird.
Wendet man die Rotation auf A an so erhält man das Biot-Savart-Gesetz für das physikalisch relevante B-Feld
Für einen Stromfaden geht zu über: