C.1 Grundlagen
In den vorangegangenen Erläuterungen ist bereits mehrfach der Begriff des Magnetfeldes gefallen, der nun noch genauer erläutert werden soll. Das Magnetfeld bezeichnet den Raum um einen Magneten, innerhalb dessen andere Materialien eine magnetische Kraftwirkung erfahren.
Michael Faraday prägte im 19 Jahrhundert den Begriff des magnetischen Feldes, da er nach einer Veranschaulichung suchte, diesen Bereich rund um einen Magnet zu beschreiben und ebenso die Wechselwirkung, die sich mit anderen Materialien in Form einer Kraftwirkung ergibt. Entsprechend wird dieser Raum um einen Magneten herum als ein solches Kraftfeld beschrieben, das Objekte durchdringen kann und seine Ausrichtung und Stärke in Form von Feldlinien visualisiert wird.
Magnetische Feldlinien
Magnetische Feldlinien veranschaulichen die Richtung der magnetischen Kraftwirkung. Das bedeutet: Wird ein kleiner Probemagnet wie beispielsweise eine Kompassnadel an eine Stelle auf der Feldlinie gebracht, so richtet sie sich entsprechend des Verlaufs der Feldlinie aus. In Abbildung C1 ist dies für eine Kompassnadel auf verschiedenen Positionen im Magnetfeld eines Quadermagneten dargestellt. Der Nordpol der jeweiligen Kompassnadel wird vom Nordpol des Magneten abgestoßen und von seinem Südpol angezogen. Das Umgekehrte gilt für den Südpol der Kompassnadel.
Insgesamt wirkt eine Kraft auf die Kompassnadel, die sie in einer bestimmten Richtung auslenkt. Werden viele Kompassnadeln entlang einer jeweiligen Feldlinie aufgestellt, weisen alle Kompassnadeln in Richtung dieser Linie, wie im Video C1 zu sehen ist. (Achtung: eine kleine Irritation taucht dabei in einem Videoabschnitt auf – woran liegt es?)
Video C1: Magnetfeld eines Stabmagneten (sichtbar mit Kompassnadeln).
Wird das Muster der Feldlinien um den Magneten betrachtet, dann lässt sich auch die Stärke der magnetischen Wirkung an einem Ort ablesen: Je dichter die Feldlinien beieinander sind, (z.B. an den Polen), desto stärker die magnetische Kraftwirkung. In der Mitte des Quadermagneten sind die Feldlinien relativ weit auseinander. Hier ist die Kraftwirkung eher gering (s.u. und Abbildung C2).
Magnetfeld eines Magneten
Die Magnetfeldlinien eines Magneten laufen außerhalb des Magneten vom Nordpol zum Südpol und innerhalb des Magneten vom Süd- zum Nordpol zurück. Anders als elektrische Feldlinien sind die magnetischen also stets geschlossen. Dies hängt damit zusammen, dass es keine magnetischen Monopole gibt.
Die Magnetfeldlinien lassen sich auch gut mit feinen Eisenfeilspänen zeigen, die sich ebenfalls entlang der Feldlinien ausrichten (siehe Abbildung C3 und Video C2).
Video C2: Magnetfeldlinien eines Hufeisenmagneten.
Abschirmen und Umlenken eines Magnetfeldes
Ein Magnetfeld kann sich mit weiteren Magnetfeldern überlagern. Das resultierende Gesamtfeld entspricht dann an jedem Ort der Summe der Kraftwirkungen in die unterschiedlichen Richtungen. In Abbildung C4 ist dies für das resultierende Magnetfeld zweier Stabmagnete gezeigt, die einander angenähert werden.
Abb. C4: Magnetfeld von zwei Stabmagneten.
Da ein Magnetfeld in Materie immer eine Ausrichtung der bestehenden magnetischen Momente hervorruft (ferro und para) oder magnetische Momente induziert (dia), kommt es auch hier zu einer Überlagerung von ursprünglichem Magnetfeld und dem neu entstandenen Magnetfeld der Materie. Das Magnetfeld verändert sich also. Bei Para- und Diamagnetika ist der Effekt aufgrund der schwachen magnetischen Wirkung vernachlässigbar klein. Daher wird hier auch davon gesprochen, dass das Magnetfeld solche Materialien „durchdringen“ kann. Beispielsweise kann daher ein Papierzettel mit einem Magneten an einer Kühlschranktür oder einem Whiteboard befestigt werden. Wird die Anzahl der Zettel erhöht, fällt das ganze Arrangement irgendwann herunter. Das liegt allerdings nicht daran, dass die Abschirmung durch das Papier zu groß würde, sondern daran, dass die Masse und damit die Gewichtskraft steigt und dass der Magnet durch die mehreren Lagen Papier weiter vom ferromagnetischen Untergrund entfernt wird. Je größer der Abstand, desto geringer die magnetische Kraft. (Die magnetische Kraft ist proportional zum Kehrwert des Abstands zum Quadrat.)
Wird allerdings ein ferromagnetisches Material, bspw. Eisen, in das Magnetfeld eingebracht, so wird es dadurch merklich umgelenkt und auch in einige Richtungen abgeschirmt. Dies zeigt das folgende Video C3 zur schwebenden Büroklammer.
Video C3: Versuch zur schwebenden Büroklammer.
Um näher zu untersuchen, wie das Magnetfeld konkret durch das eingebrachte Material verändert wird, kann der Verlauf der Feldlinien mithilfe von Eisenfeilspänen sichtbar gemacht werden. Dies zeigen die folgenden Videos C4 und C5 für Eisen (ferromagentisch) und Aluminium (paramagnetisch).
Video C4: Abschirmung eines Magnetfelds durch Eisen.
Video C5: Abschirmung eines Magnetfelds durch Aluminium.
C.2 Erdmagnetismus
Aus dem Alltag kennen viele Schülerinnen und Schüler einen Kompass – Als kleines Gerät oder als App auf dem Handy. Beide funktionieren dadurch, dass die Erde ebenfalls ein Magnetfeld besitzt. Dieses Magnetfeld lässt sich gut anhand eines riesigen Stabmagneten beschreiben, der sich in der Mitte der Erde befindet. Die Pole dieses gedachten Stabmagneten liegen unterhalb der Erdoberfläche (siehe Abbildung C5) und stimmen annähernd gut auch mit den geographischen Polen der Erde überein, die durch die eigene Drehachse der Erde um sich selbst gegeben sind (siehe Themengebiet Licht & Schatten). (Tatsächlich liegt der magnetische Pol auf der Nordhalbkugel etwas 2.300 km entfernt vom geographischen Nordpol auf dem kanadischen Festland.)
Ein Kompass richtet sich im Magnetfeld der Erde folglich so aus, dass sein einer Pol in Richtung des geografischen Nordpol der Erde zeigt. Der Einfachheit halber hat man diesen Pol der Kompassnadel als „Nordpol“ bezeichnet. Da ein Nordpol sich allerdings in Richtung eines Südpols ausrichtet, bedeutet dies folglich, dass in der Nähe des geographischen Nordpols der Erde sich der magnetische Südpol dieser Erde befinden muss (siehe Abbildung C5).
Mithilfe eines kleinen Modells und einem magnetischen Gyrometer lässt sich die Ausrichtung des Modell-Erdmagnetfeldes leicht überprüfen (vgl. Video C6).
Video C6: Erdmagnetfeld im Modell.
Das Magnetfeld der Erde dient zum einen seit vielen Jahrhunderten vor allem in der Seefahrt als Orientierungshilfe.
Auch viele Tierarten scheinen sich am Erdmagnetfeld zu orientieren und teilweise extrem lange Strecken sehr zielgenau zurückzulegen. Typische Beispiele hierfür sind u.a. Zugvögel, Monarchfalter, Aale, Schildkröten.
Außerdem stellt das Erdmagnetfeld eine Art Schutzschild um den Planeten dar. Dieser Schutzschirm schirmt die Erde von geladenen Teilchen des Sonnenwindes ab. Eine Ablenkung dieser Teilchen auf ihrem Weg zur Erde schlägt sich übrigens in den Polarlichtern nieder (siehe folgender Videotipp auf YouTube).
Wie kommt nun das magnetische Feld der Erde zustande? Die genauen Prozesse sind sehr komplex, sie hängen aber mit diesen Grundlagen zusammen: Im Inneren der Erde ist viel heiße, flüssige und sehr eisenhaltige Masse vorhanden, die mancherorts als Lava an die Oberfläche beispielswiese bei Vulkanausbrüchen tritt. Hier bewegt sich also viel Materie (und auch viel elektrische Ladung), in der Ferromagnetika enthalten sind. Bewegung und ferromagnetische Eigenschaften führen dazu, dass ein magnetisches Feld ähnlich dem eines Stabmagneten im inneren der Erde entsteht (siehe Abbildung C6).
