Das magnetische Feld

Die Umgebung eines Magneten bezeichnet man als magnetisches Feld.

Unter einem Magneten versteht man einen Körper, der Stoffe wie Eisen, Nickel und Kobalt - sog. ferromagnetische Stoffe - anzieht und festhält. Es gibt natürliche Magnete (Magneteisenstein) und künstliche Magnete (aus Weicheisen und gehärteten Stahl). In der Technik sind nur die letztgenannten von Bedeutung.

Magnetnadel (Kompass) im Magnetfeld eines Stromdurchflossenen Leiters:

Wie sie wissen, ist die Erde selbst ein Magnet. Zur Feststellung der Himmelsrichtung verwendet man überwiegend den Kompass. Dieser besteht aus einer drehbaren Magnetnadel, die sich in Nord – Süd Richtung der Erde einstellt.

Versuch: Mit einem Kupferdraht unter einer Magnetnadel wird ein Verbraucher über einen Schalter an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Schließt man den Schalter stellt sich die Magnetnadel quer zum Leiter. Beim öffnen des Schalters dreht sich die Nadel wieder in die Ausgangsstellung (Nord-Süd Richtung). 

Merke: Jeder von Strom durchflossener Leiter baut um sich ein Magnetfeld auf, dass bestimmte Wirkungen zeigt.

Feldlinienverlauf verschiedener Magnetfelder:

Jeder Magnet hat ein Polpaar (Nord- und Südpol). Die magnetischen Feldlinien (Kraftlinien) treten am Nordpol aus, durchsetzen die Luft und treten am Südpol wieder ein. Im inneren des Magneten verlaufen die Feldlinien vom Süd- zum Nordpol. Es handelt sich hiermit um einen geschlossenen Kreislauf der Feldlinien. Im Gegensatz zum elektrischen Feld, wo die Feldlinien von der Anode zur Kathode fließen.

Merke: Die magnetischen Feldlinien bilden einen geschlossenen Kreislauf.

Feldlinien eines geraden zylindrischen Leiters:

Ein gerader zylindrischer Leiter hat bei Stromfluss einen kreisförmigen Feldlinienverlauf. Der Umlaufsinn der Feldlinien ist von der Stromrichtung abhängig.

Korkenzieher Regel:

Denkt man sich einen Korkenzieher so gedreht, dass die Spitze in Stromrichtung wandert, dann ist die Drehrichtung die Feldlinienrichtung.

Parallele Leiter und ihr Magnetfeld:

Die Magnetfelder paralleler Leiter beeinflussen sich gegenseitig. Je nach Stromrichtung ist diese Beeinflussung unterschiedlich.

Gleichsinnig von Strom durchflossene parallele Leiter:

Werden parallele Leiter gleichsinnig vom Strom durchflossen, wird auf die Leiter eine Anziehungskraft ausgeübt. Die Feldlinien haben stets das Bestreben, in ihrer Gesamtheit den kürzesten Weg zu nehmen. Die Feldlinien beider Leiter umschließen sich, wodurch die Leiter gegenseitig angezogen werden.

Merke: Gleichsinnig vom Strom durchflossene Leiter ziehen sich an.

Ungleichsinnig vom Strom durchflossene parallele Leiter:

Zwei parallele Leiter, die ungleichsinnig vom Strom durchflossen werden, stoßen sich ab. Entsprechend der Stromrichtung müssen die Feldlinien beider Leiter in gleicher Richtung durch den Zwischenraum der Leiter, wodurch ein Querdruck (eine Abstoßung) entsteht. Dies ist z.B. bei einer Hin- und Rückleitung für Gleichstrom der Fall.

Merke: Ungleichsinnig vom Strom durchflossene Leiter stoßen sich ab.

Herstellen und Vertreiben von Magnetismus:

Herstellen von Magneten:

Magnete werden hauptsächlich mit Hilfe des elektrischen Stromes hergestellt (Elektromagnetismus). Wie sie wissen, baut jeder vom Strom durchflossene Leiter um sich ein Magnetfeld auf. Dieses Magnetfeld kann auf ferromagnetische Körper übertragen werden.
Man unterscheidet weichmagnetisches (kohlenstoffarmes) und hartmagnetisches (kohlenstoffreiches) Eisen.
Weicheisen wird sehr schnell zum Magneten, verliert seinen Magnetismus bei Wegnahme des Stromes aber sehr rasch wieder. Dauermagnete (Permanentmagnete) bestehen aus gehärteten Stahl und behalten ihren Magnetismus sehr lange. Bei unmagnetischem Eisen sind die von Natur aus vorhandenen Elektromagnete völlig ungeordnet gelagert und haben sich nach außen in ihrer Wirkung auf. Werden diese Elementarmagnete geordnet (ausgerichtet), wird der Eisenkörper zum Magneten. Wenn alle Elementarmagnete ausgerichtet sind, ist der maximale Magnetismus erreicht, man spricht in diesem Fall von der magnetischen Sättigung.
Ein Eisenkörper (z.B. ein Schraubenzieher) wird auch zum Magneten, wenn man ihn mehrmals mit einem starken Magneten in stets gleicher Richtung bestreicht. Ferner kann man Magnetismus durch magnetische Influenz erreicht. Durch Influenz wird ein zunächst unmagnetischer Stahl selbst zum Dauermagneten.

Vernichtung von Magnetismus:

Ein Magnet wird zum unmagnetischen Körper, wenn man ihn stark erhitzt, starken Erschütterungen aussetzt oder mittels entgegengesetzter Stromrichtung beaufschlagt.

Merke: Ferromagnetische Stoffe werden zum Magneten mit Hilfe des elektrischen Stromes (Elektromagnetismus), durch magnetische Influenz oder durch Bestreichen mit einem Magneten. Durch Erhitzen, Erschüttern und entgegengesetzte Stromrichtung kann man Magnetismus wieder vertreiben.

Abhängigkeit der Magnetisierung von der Temperatur:

Ferromagnetische Stoffe sind nur bis zu einer jeweils bestimmten Temperatur magnetisierbar. Diesen Grenzwert nennt man Curietemperatur. Die Curietemperatur von Eisen beträgt 768 °C, von Nickel 360 °C und von Kobalt 1075 °C. Eisen verhält sich oberhalb 768 °C in einem Magnetfeld so wie Kupfer. Hier gibt es keine Elementarmagnete mehr. (Anstelle von Elementarmagneten spricht man von "Weißschen Bezirken". In einem solchen Bezirk sind die Achsen aller Elektronen parallel zueinander gerichtet.)

Physikalische Größen des magnetischen Feldes:

Magnetische Durchflutung:

Die magnetische Durchflutung "Q" (griechischer Buchstabe Theta) ist das Produkt aus Strom "I" und Windungszahl "N". Da die Windungszahl dimensionslos ist, ergibt sich für die magnetische Durchflutung nur die Einheit Ampere (A).

Der elektrische Strom bzw. die Durchflutung "Q" ist die Ausgangsgröße des Elektromagnetismus.

Magnetische Feldstärke:

Die magnetische Feldstärke mit dem Formelzeichen "H" ist die Durchflutung  pro Längeneinheit der wirksamen Feldlinien. Als Einheit der magnetischen Feldstärke erhalten wir somit Ampere pro Meter A/m.

Magnetische Flussdichte (Induktion):

Die Anzahl der magnetischen Feldlinien pro Flächeneinheit des Magnetkörpers bezeichnet man als magnetische Flussdichte oder Induktion. Formelzeichen ist der Buchstabe "B". Die Einheit der Induktion ist „Tesla“, Einheitenzeichen "T".

Magnetischer Fluss:

Die Gesamtzahl der magnetischen Feldlinien auf die Gesamtfläche des Magnetkörpers ergibt den magnetischen Fluss"F" (griechischer Buchstabe Phi) mit der Einheit "Weber“ , Einheitenzeichen "Wb".

Permeabilität (magnetische Durchlässigkeit):

Die magnetische Feldstärke "H" übt auf alle Stoffe eine magnetische Wirkung aus, auch wenn diese von Stoff zu Stoff oft sehr unterschiedlich ist. Für Luft und Vakuum wurde in Versuchen eine Zahl ermittelt, die man magnetische Feldkonstante "µ" ( griechischer Buchstabe my) nennt.

Andere Stoffe, z.B. Dynamoblech, haben dann das Vielfache von Luft oder Vakuum. Dies wird ausgedrückt durch die relative Permeabilitätszahl µ (aus Tabellenbüchern ). Die Größe µ ist dimensionslos. Die Permeabilität mit dem Formelzeichen "µ" ergibt sich somit für einen bestimmten Stoff aus:

Die Permeabilität eines Stoffes ist jedoch keine Konstante, da "µ_r" von der jeweiligen Feldstärke "H" abhängig ist.
In der Praxis rechnet man mit einer mittleren Permeabilität.

Merke:  Während "µ₀" eine Konstante ist, ist "µ_r" in Abhängigkeit von der Feldstärke veränderlich.

Zusammenhang zwischen der Feldstärke und der Induktion:

Der Zusammenhang zwischen der Feldstärke "H" und der Induktion "B" ergibt sich über die Permeabilität "µ". 
Somit lautet die Beziehung: