Basiswissen

Ein Magnetfeld ist ein Denkmodell zur gedanklichen Handhabung von magnetischen Kräften. Jeder Magnet und jede elektrische Ladung hat immer ein solches Magnetfeld um sich herum. Magnetfelder stehen in einer innigsten Verbindung mit elektrischen Feldern.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Der rote Kreis steht für den Querschnitt eines geraden stromdurchflossenen Leiters: ist keine weitere Materie in der Nähe, bilder sich darum sich immer ein kreisförmiges, korkenzieherartiges Magnetfeld aus (Oerstedsches Gesetz). © Menner (Wikimedia) ☛

Definition

Als Magnetfeld bezeichnet man einen Raum, in dem magnetische Kräfte wirken^[1], etwa als Wirkungsbereich eines Magneten^[2]. Dieser Bereich kann auch Materie enthalten, etwa Eisen oder Luft, und wirt oft über Feldlinien^[4]^[5] oder Vektoren^[6] dargestellt. Für Rechnungen spielt die magnetische Flussdichte B eine zentrale Rolle, weshalb man ein Magnetfeld auch ein B-Feld nennt.

Entstehung

Magnetfelder entstehen typischerweise auf zwei verschiedene Weisen. Zum einen sind sie mit jedem Permanentmagneten verbunden. Ein Permanentmagnet hat immer ein Magnetfeld um sich. Zum anderen hat aber immer auch eine bewegte elektrische Ladung ein Magnetfeld um sich herum. Das elektrische Ströme auch Magnetismus erzeugen, wurde im Jahr 1820 durch Oersted entdeckt.

Immer ein Magnetfeld um sich herum hat ein Permanentmagnet ↗

Elektrische Ströme erzeugen Magnetfeld Oerstedsches Gesetz ↗

Zur Berechnung der Stärke elektrisch erzeuter Magnetfelder siehe unter Amperesches Gesetz ↗

Die tiefere Ursache der Entstehung aller Phänomene des Magnetismus ist Einsteins spezielle Relativistätstheorie. Tatsächlich ergibt sich die scheinbar unabhängige Magnetkraft als ein rein relativistischer Effekt bewegter elektrischer Ladungen. Dieser Gedanke wird unter anderem weiter betrachtet im Artikel zu Einsteins Induktionsparadoxon ↗

Feldlinien

Die Struktur und mögliche Wirkung von Magnetfeldern werden oft über sogenannte Feldlinien veranschaulicht. Dabei gibt es einige Regeln oder Konventionen, die die Darstellungen allgemein eindeutig machen:

Die Richtung zeigt immer vom Nord- zum Südpol eines Magneten.

Eine Kompassnadel würde mit ihrem Nordpol hin Richtung Südpol zeigen.

Magnetfeldlinien können sich niemals überkreuzen, das heißt durchdringen.

Je dichter die Magnetfeldlinien gezeichnet sind, desto stärker ist dort das Feld.

Wie viele Linien, welche Anzahl, irgendwo durchgeht heißt magnetischer Fluss [Phi] ↗

Wie dicht nebeneinander die Linien liegen bezeichnet man als magnetische Flussdichte [B-Feld] ↗

Bewegte Ladungen erfahren eine Kraft senkrecht zu den Magnetfeldlinien, die Lorentzkraft ↗

Energiespeicherung

Ein Magnetfeld speichert Energie.

Um ein Magnetfeld aufzubauen, benötigt man irgendwoher Energie.

Wenn ein Magnetfeld schwächer wird, muss die Energie irgendwo hin.

Ein ständiger Auf- und Abbau magnetischer Energie ist typisch für einen Schwingkreis ↗

Gibt es Felder wirklich?

Neben Magnetfeldern spricht man auch von elektrischen Feldern, von Kraft-, Gravitations- oder auch Wahrscheinlichkeitsfeldern. Im weitesten Sinn ist ein Feld ein reales oder vielleicht auch nur gedankliches Konstrukt, das jedem Punkt eines Raumes eine Eigenschaft zuordnet. Bei vielen Felderni st diese Eigenschaft eine Kraft, die auf einen sogenannten Probekörper an einem bestimmten Ort wirken würde. Beim Magnetfeld ist diese Eigenschaft Drehmoment. Ob es Felder im eigentlichen Sinn des Wortes wirklich in der Realität gibt, ob sie für sich alleine existieren, oder ob sie bloß ein von Menschen geschaffenes Denkbild sind, ist eine bis heute noch ungeklärte Frage.^[6] Siehe mehr zu dieser abstrakten Idee im Artikel Feld (Physik) ↗

Fußnoten

[1] "Magnetisches Feld (Magnetfeld), Raum, in dem magnetische Kräfte wirken." In: Brockhaus' Kleines Konversations-Lexikon, fünfte Auflage, Band 2. Leipzig 1911., S. 107. Online: http://www.zeno.org/nid/20001324918

[2] Definition als Wirkungsbereich: "Der Wirkungsbereich eines Magneten heißt magnetisches Feld. Feldlinien geben die Richtung der Kraft an, die ein Test-Nordpol im Feld eines Magneten erfährt." In: Physik Sek I. Gymnasium. Schroedel Verlag. Hannover. 2003. ISBN: 3-507-86262-X. Dort die Seite 166.

[3] Definition als Raumgebiet: ein Magnetfeld ist ein "Raumgebiet (das auch Materie enthalten kann), in dem jedem Punkt die magnetische Feldstärke H und die magnetische Flussdichte B zugeordnet sind." In: Brockhaus in Achtzehn Bänden. F. A. Brockhaus. Leipzig, Mannheim. 2002. ISBN für alle Achtzehn Bände gemeinsam: 3-7653-9320-7. Dort im Artikel "Magnetfeld". Band 9, Seite 28.

[4] "Ein Magnet erzeugt ein Magnetfeld. Es lässt sich mit Feldlinien veranschaulichen. Die Feldlinien zeigen stets in die Richtung, in die sich der Nordpol einer Kompassnadel ausrichtet." In: Dorn.Bader. Physik SII Gesamtband Gymnasium. Westermann Bildungsmedien. Braunschweig. 2023. ISBN: 978-3-14-152376-8. Dort im Kapitel "4.8 Magnetische Flussdichte und Lorentzkraft", Seite 154. Siehe auch Magnetfeldlinien ↗

[5] "Magnetfeldlinien verlaufen in der Umgebung eines Magneten vom Nordpol zum Südpol. In der Nähe der Pole laufen die Feldlinien zusammen. Dort ist das Feld am stärksten." In: Physik Sek I. Gymnasium. Schroedel Verlag. Hannover. 2003. ISBN: 3-507-86262-X. Dort die Seite 167.

[6] Man kann das "Magnetfeld B [mit Vektorpfeil über dem B] als eine Vektorgröße beschreiben, die parallel zu der Achse gerichtet ist, auf der keine Kraft auf ein geladenes Probeteilchen wirkt." In: David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker: Halliday. Physik. Englischer Originaltitel: Fundamentals of Physics. Wiley-VCH Weinheim. 2007. ISBN: 978-3-527-40746-0. Dort im Kapitel "29-2 Definition von B", Seite 605. Siehe auch Flussdichte [B] ↗

[6] Der Magnetismus ist ein relativistischer Effekt, der sich aus relativ zu Beobachtern bewegten elektrischen Ladungen ergibt. Magnetfelder existieren nicht unabhängig vom Beobachter. Albert Einstein dazu wörtlich: "Ist ein punktförmiger elektrischer Einheitspol in einem elektromagnetischen Felde bewegt, so ist die auf ihn wirkende Kraft gleich der an dem Orte des Einheitspoles vorhandenen elektrischen Kraft, welche man durch Transformation des Feldes auf ein relativ zum elektrischen Einheitspol ruhendes Koordinatensystem erhält." Und: "Analoges gilt über die 'magnetomotorischen Kräfte'. Man sieht, daß in der entwickelten Theorie die elektromotorische Kraft nur die Rolle eines Hilfsbegriffes spielt, welcher seine Einführung dem Umstande verdankt,daß die elektrischen und magnetischen Kräfte keine von dem Bewegungszustande des Koordinatensystems unahbängige Existenz haben." In: Albert Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper. 1905. Siehe auch Einsteins Induktionsparadoxon ↗