• Magnete verstärken
• Magnetische Abschirmung

Magnetfeld

Wenn magnetische Kräfte festgestellt werden, ist die Ursache dafür ein sogenanntes Magnetfeld. Da es für Menschen unsichtbar ist, wird es durch Feldlinien modelliert bzw. beschrieben. Wie eine Sprache sagen Feldlinien etwas über das Magnetfeld aus: Liegen die Linien näher beieinander, ist das Magnetfeld beispielsweise besonders stark. Zudem haben die Feldlinien eine Richtung, symbolisiert durch Pfeile. So weiß man, wo sich der Nordpol und der Südpol befinden: Die Feldlinien gehen außerhalb des Magneten immer vom Süd- zum Nordpol und stehen immer senkrecht auf dem Material.

Wie funktioniert ein Magnetfeld?

Die Kräfte eines Magneten werden durch das Magnetfeld übertragen. Streut man Eisenpulver auf ein Papier um einen Magneten, ordnen sich diese entlang dem Magnetfeld an - es bilden sich Strukturen, die direkt mit den Feldlinien vergleichbar sind. Neben der Modellierungssprache der Feldlinien gibt es diverse physikalische Größen, die die Eigenschaften von Magneten beschreiben:

• Eine ist die elektromagnetische Energie. Die Stärke des Feldes wird durch die magnetische Feldstärke, analog zur elektrischen Feldstärke, beschrieben.
  
• Die magnetische Energie wiederum lässt sich durch das Energieprodukt beschreiben. In die Formel dieses Energieproduktes fließt die magnetische Feldstärke quadratisch mit ein. Das hat zur Folge, dass ein Magnet mit doppelt so starker Feldstärke viermal so viel Kraft ausübt.

Magnetfelder sind in der Elektrotechnik ein besonders wichtiges Thema, da sie grundsätzlich durch bewegte Ladungen verursacht werden. Ein einfacher Draht, durch den ein Strom fließt, ist demnach bereits von einem Magnetfeld umgeben. Als reines Dipolfeld gibt es bei Magnetfeldern keine einzelnen Magnetpole. Dies wird schon alleine daran deutlich, dass die Feldlinien stets eine Richtung haben: Ausgehend von einem Magneten verlaufen sie in einer bestimmten Bahn und gehen dann wieder in den Magneten hinein. Dort hören sie jedoch nicht auf. Die Feldlinien verlaufen im Magneten weiter. Außerhalb dessen zeigen die Feldlinien demnach stets vom Süd- zum Nordpol, im Inneren jedoch vom Nord- zum Südpol.

Wie wird ein Magnetfeld erzeugt?

Dafür gibt es zwei Möglichkeiten:

• Homogenes Magnetfeld: Dieses befindet sich beispielsweise im Inneren eines Hufeisenmagneten. Es wird durch elektrische Ströme erzeugt. Sie sind sowohl gleich stark als auch gleich gerichtet.
• Inhomogenes Magnetfeld: Verlaufen die Feldlinien nicht parallel, spricht man von einem unregelmäßigen Magnetfeld. Diese finden zum Beispiel bei Stabmagneten.

Magnetfelder beschreiben

In der Elektrodynamik werden die sogenannten Maxwell-Gleichungen zur mathematischen Beschreibung des Magnetfeldes genutzt. Sie geben die Richtung der Magnetfeldlinien an und sagen etwas über die Dichte der Feldlinien aus. Die Maxwell-Gleichungen dienen zur Berechnung, welche Richtung eine magnetische Kraft hat und wie stark diese ist. Magnetfelder haben keine Quellen und Senken - gegenteilig dazu haben elektrische Ladungen beispielsweise Quellen. Diese Beschreibung ist im Grunde gleichzeitig eine andere Beschreibung für ein Dipolfeld. Ein Magnetfeld ist weiterhin ein Wirbelfeld, weil durch bestimmte Materialien, elektrische Felder und durch elektrische Ströme, magnetische Wirbel generiert werden.

Getreu dem Superpositionsprinzip addieren sich bei einer Überlagerung vieler kleiner Magnete die jeweiligen Feldstärken. Daraus folgt, dass eine bestimmte Ausrichtung der vielen Elementarmagnete dazu führt, dass eine messbare Magnetisierung verursacht wird. Eine willkürliche Anordnung der Elementarmagnete hingegen resultiert in einem nach außen hin nicht messbarem Magnetfeld.

Magnetfelder berechnen

In der Physik wird das Magnetfeld in der Einheit Ampere pro Meter angegeben und mit dem Buchstaben H bezeichnet - nicht etwa mit dem Buchstaben B, der wiederum die magnetische Flussdichte beschreibt und in der Einheit Gauß oder Tesla gemessen wird. Für das Magnetfeld gilt der folgende Zusammenhang:

µ bezeichnet dabei die magnetische Permeabilität eines Materials, welches von dem Magnetfeld ausgefüllt wird. Wenn beispielsweise eine stromdurchflossene Spule ein gewisses Magnetfeld hat, so wird dieses durch Einsetzen eines bestimmten Materials mit der magnetischen Permeabilität µ um diesen Faktor verstärkt:

• Für Luft beträgt µ etwa eins.
• Für Eisen kann der Wert bis in die Tausende steigen.
• μ⁰ hingegen bezeichnet die magnetische Permeabilität des Vakuums.

Die Verstärkung eines Magnetfeldes durch ein ferromagnetisches Material kann dahingehend erklärt werden, als dass sich die einzelnen Elementarmagnete nach dem Magnetfeld ausrichten und nach der Ausrichtung ebenfalls ein gleichgerichtetes Magnetfeld erzeugen. Die eingangs erläuterte quadratische Abhängigkeit zwischen der magnetischen Feldstärke und der magnetischen Kraft kommt durch die Magnetisierung und die Anziehung zu Stande. Ist beispielsweise ein Stück Eisen von einem Magneten magnetisiert worden, der doppelt so stark ist wie ein anderer Magnet, so wird das Eisen einerseits doppelt so stark magnetisiert, andererseits aber auch doppelt so stark von dem Magneten angezogen. Daraus ergibt sich, dass die magnetische Energie im Gesamten beim doppelt so starken Magneten viermal größer ist.

Wie wird ein Magnetfeld abgeschirmt?

Eine Abschirmung ist nur begrenzt möglich. Es besteht jedoch die Möglichkeit einer Umleitung. Dafür eignen sich leicht zu magnetisierende Materialien, zum Beispiel:

• Eisen
• Kupfer

Stoffe, die hingegen keine magnetische Wirkung haben, funktionieren nicht.