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Magnetismus – die Faszination einer eigenen Welt!


Die Wirkung von Magneten ist seit vielen Jahrtausenden bekannt, auch heute noch übernehmen magnetische Wirkungen eine Kernfunktion in Technik und Industrie. Der Magnetismus fasst daher alle physikalischen Phänomene zusammen, die auf einer Kraftwirkung beruhen, die zwischen magnetisierten Gegenständen und bewegten elektrischen Ladungen stattfindet. Ein hierbei entstehendes Spannungsfeld, das sogenannte Magnetfeld, basiert grundsätzlich auf sich bewegenden elektrischen Ladungen. Im folgenden Artikel sollen die wesentlichen Grundlagen und Besonderheiten des Magnetismus‘ erläutert werden, um Schülern einen Überblick bieten zu können!

Magnet
Der Magnetismus ist auch heute noch ein sehr faszinierendes Prinzip, ohne das viele unserer technischen Errungenschaften nicht funktionieren würden – Grund genug, sich näher damit auseinanderzusetzen.

Eine Sache „zieht“ eine andere Sache an

Um die Bedeutung hinter dem Begriff „Magnetismus“ besser nachvollziehen zu können, muss man sich dessen Wirkweise bildhaft vorstellen. Es ist immer dann von „Magnetismus“ die Rede, wenn ein bestimmtes Material die Eigenschaft besitzt, magnetisch leitbare Stoffe „anzuziehen“. In der Schule werden derartige Stoffe auch als „ferromagnetische Stoffe“ bezeichnet. Man kennt sie aus der Praxis, allen voran beispielsweise Eisen oder Nickel. Aus diesem Grund werden etwa die Kerne, welche sich in Transformatoren oder Spulen finden, auch aus Eisen hergestellt. Hierdurch lässt sich ein bestehendes Magnetfeld noch zusätzlich verstärken.
Es ist wichtig zu begreifen, dass in jedem Elementarteilchen ein magnetisches Moment vorhanden ist. Man spricht auch vom „Spin“. Was nun praktisch bei einer „Magnetisierung“ passiert, ist die parallele Ausrichtung dieser Momente in jedem Molekül. Auf diese Weise lassen sich hilfsweise bestimmte Dinge magnetisieren, die aufgrund ihrer Struktur zunächst keine magnetische Wirkung aufweisen. Die bereits angesprochenen ferromagnetischen Werkstoffe, etwa Eisen, besitzen naturgemäss parallel zueinander ausgerichtete Bereiche (sog. Weisssche Bezirke). Indem das Magnetfeld entsteht, werden diese Weissschen Bezirke parallel angeordnet – das verwandte Material selbst wird zum Magneten.

Ein „natürlich“ vorkommender Magnetismus?

Geht es nun darum, die verschiedenen Arten von Magnetismus zu benennen, muss grob zwischen natürlich auftretendem und künstlich hergestelltem Magnetismus unterschieden werden. Natürlich gelten in diesem Bezug magnethaltige Gesteine, auch Magnetit genannt. Künstliche Magneten basieren auf den bereits erwähnten ferromagnetischen Stoffen. Darunter werden ebenso Elektromagnete gezählt, die also auf Strom basieren.
Ein permanenter Magnet, der etwa in U-, Stab- oder Block-Form vorliegt, bildet den Rahmen des magnetischen Feldes. Innerhalb dieses Magnetfeldes verlaufen magnetische Kräfte, angegeben in Form von Feldlinien. Von aussen betrachtet, verlaufen diese von Nord- zu Südpol. Innerhalb dieses Magnetfeldes richten sich die Feldlinien hingegen von Süd- zu Nordpol. Aus praktischen Beobachtungen weiss man, dass entsprechend gleichartige Pole sich abstossen. Das magnetische Feld sorgt für den Einfluss der Lorentzkraft, die proportional zur Geschwindigkeit verläuft.

Hinweis: Ein bestimmter Austausch von Energie wird dabei vermieden, wodurch Elektromotoren oder Generatoren mithilfe eines statischen Magnetfeldes überhaupt erst funktionieren können. Je nach Verwendung wird die Stärke des Magnetfeldes in der magnetischen Feldstärke H oder der magnetischen Flussdichte B ausgedrückt.

Die wichtigsten Eigenschaften verschiedener Magnettypen

Natürlicher Magnet Elektromagnet Dauer- oder Permanentmagnet
Ursprung in Magnetit-Seiten, gebildet aus eisenhaltiger, ausgekühlter Lava beziehungsweise Stickstoff-Gemischen. Magnet basierend auf Induktion, also mittels elektrischem Strom. Basis stellt eine Spule dar, in welcher bei fliessendem Strom ein magnetisches Feld entsteht. Magnete industriellen Ursprungs, zusammengesetzt aus verschiedenen Grundstoffen. Häufig Kohlenstoff, Aluminium, oder Kobalt als Zusatz einer Eisenlegierung.
Offener Eisenkern innerhalb der Spule um das Magnetfeld zu führen und zu verstärken. In speziellen Anwendungsbereichen werden „Heuslersche Legierungen“ verwendet.
Wichtig ist hier vor allem die richtige Anordnung der Atome, insbesondere bei Kobalt (Co), Nickel (Ni) und Eisen (Fe).

Was sind die wesentlichen Unterschiede?

Ähnlich wie bei anderen Phänomenen, gibt es auch hier innerhalb der Magnetgruppen gravierende Unterschiede. Diese beziehen sich vor allem auf die Stärke des Magnetfeldes. Ein Umstand, den sich Industrie und Wissenschaft zunutze machen. Wesentliche Forschungen auf diesem Gebiet wurden von Gauss und Tesla erbracht, die sich mit der magnetischen Flussdichte beschäftigten. Sie drückt die Kraft einer magnetischen Fläche aus, die auf einem Haftkörper wirkt. Internationale Verwendung findet die Einheit Tesla (T) als Messeinheit, Gauss (G) ist hingegen in alten Lehrbüchern zu finden. Der Umrechnungsfaktor lautet: 1 T = 10.000 G.
Grundsätzlich gilt ausserdem, dass die Haftkraft eines Magneten eine Auswirkung auf die Stärke des Magnetischen Feldes nimmt. An den jeweiligen Polen der Magneten ist diese Haftkraft am Grössten. Je weiter es in Richtung Mitte geht, desto abgeschwächter zeigt sich die Wirkung. Weitere Faktoren nehmen Einfluss auf die Stärke von Magneten, wie die folgende Auflistung in Auszügen darlegt.

Faktor Auswirkung
Abstand der Magneten Je näher die Magneten, genauer die Oberflächen zueinanderstehen, desto stärker fällt die Anziehungskraft aus.
Beschaffenheit der Oberfläche Je glatter die Oberfläche des entsprechenden Haftkörpers ausfällt, desto stärker wirkt der Magnet.
Ausrichtung des Magneten Die stärkste Magnetwirkung ist messbar, wenn der Magnet in senkrechter Position zum Haftkörper positioniert wird.
Volumen des Magneten Je grösser das Volumen des Magneten ausfällt, desto stärker wirkt dieser. Entscheidend ist dabei zugleich das Verhältnis Dicke zu Länge. Entsprechend wird nur eine geringe magnetische Sättigung auf Seiten des Haftkörpers erreicht, wenn dieser zu dünn ausfällt. Das Magnetfeld bleibt dann teilweise ungenutzt.
Material des Haftkörpers Manche Materialien weisen eine höhere magnetische Wirkung als andere auf. Dazu gehören Seltene Erden.

Elektromagnet
Ein sehr interessantes Beispiel für einen Elektromagneten – hier anhand eines Computers. Der grosse Vorteil eines Elektromagneten liegt darin, dass sich seine Funktionstüchtigkeit steuern lässt. Er kann also ein- und auch wieder ausgeschaltet werden.

Fazit

Magnetfelder, insbesondere homogene Magnetfelder, haben an jedem Ort dieselbe Stärke und gleiche Ausrichtung. Abstand und Richtung der darin eingefassten Feldlinien sind identisch – ein Umstand, der ebenso bei homogenen elektrischen Feldern greift. Das Innere eines Hufeisenmagnetes stellt ein homogenes Magnetfeld dar. Andererseits lässt sich dieses mittels einer Helmholtz-Spule erzeigen, wobei die Spulen mit grösserem Radius und gleichzeitig geringerem Abstand zueinander angeordnet werden.

Diese Varianten machen deutlich, wie etwa leistungsstarke Elektromotoren oder Antriebswerke in der Industrie und Fertigungstechnik möglich werden. Das elektrostatische Feld, gleichsam wie das magnetische Feld der Umgebung von Ladungsträgern, wird durch Bewegungen verändert. Elektromagnetische Wellen entstehen, wie sie beispielsweise in Form von Licht oder Radiowellen bekannt sind. Dies zeigt sehr eindrucksvoll, welche Anwendungen der Magnetismus in unserer heutigen Welt bereits gefunden hat und wie wichtig dieses Prinzip auch heute noch für Schüler ist!

Bildquellen:
Abbildung 1: pixabay.com © ClkerFreeVectorImages (CC0-Lizenz)
Abbildung 2: pixabay.com © olafpictures (CC0-Lizenz)

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