Das magnetische Feld

Einem Schweißlichtbogen beim Edelstahl schweißen nähert sich ein Dauermagnet. Da geschieht etwas sonderbares.

Der Schweißlichtbogen wird abgelenkt. Überzeug dich selbst in dem kurzen Video. Das Video wurde durch einen Schweißhelm aufgenommen.

Magnetische Kräfte treten immer paarweise auf. D.h. neben dem Dauermagnet muss in dem Raum noch ein anderes Magnetfeld vorhanden sein. Die Frage ist nur wo?

Übrigens: Gleiche Pole stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an. Das lernt man schon beim Spiel mit der Eisenbahn. Aber was erstaunlich ist: Hängt man einen Dauermagnet an einem Bindfaden freibeweglich auf, zeigt dieser nach einiger Zeit mit seinem bezeichneten Nordpol zum magnetischen Nordpol der Erde. Hat da jemand bei der Namensgebung im Physikunterricht geschlafen?

Haben wir dein Interesse geweckt, dann kannst du im Folgenden mehr erfahren ...

Obwohl manche behaupten auf ein Magnetfeld zu reagieren, besitzen wir Menschen keine Sensoren für Magnetfelder. Aber die Auswirkungen eines Mangnetfeldes, wie bspw. beim Kompass, bei der Brio-Eisenbahn u.v.m. sind uns bekannt.

Wunderschön sichtbar wird das Magnetfeld mit Eisenpulver. Man sieht einen linien­förmigen Verlauf, weshalb wir von magnetischen Feldlinien sprechen. Sind diese direkt zwischen den Polen geradlinig, sprechen wir von einem homogenen Feld. Sind diese wie außerhalb kreisförmig, haben wir ein inhomogenes Feld. Sie treten senk­recht aus der Oberfläche der Polen aus und haben eine Richtung. Diese erkennt man, wenn man den Magneten bewegt. Es gilt: Je dichter die Feldlinien, desto stärker das Magnetfeld.

Interessanterweise bilden sich um einen stromdurchflossenen Leiter kreisförmige Feldlinien. Dazu benötigt man aber eine Strömstärke von mindestens 20 A.

Nimmt man anstelle von Eisenpulver kleine Magnetnadeln, kann man beobachten, dass bei Änderung der Stromrichtung auch die Magnetnadeln ihre Richtung ändern. Das führt zu der rechten Daumenregel:

Wickelt man einen Leiter mehrmals, sprechen wir von einer Spule. Durch die Über­la­gerung der einzelnen Felder, sind die Feldlinien im inneren der Spule homogen wie bei einem Stabmagneten. Das besondere: Wir können einen Elektromagneten bau­en, dessen Magnetfeldstärke einstellbar ist.

Die Magnetische Feldstärke H gilt als Kenngröße der magnetischen Kraft. Sie ist umso höher, je größer die Anzahl N der Wicklungen, je größer der Strom I und je kleiner die mittlere Feldlinienlänge l_m:

Ein Eisenkern verstärkt das Magnetfeld der Spule. Eisen und Nickel gehören zu den ferromagnetischen Stoffen. Sie haben kleine Elementarmagnete die ohne äußeres Magnetfeld völlig durcheinander angeordnet sind. Durch das äußeres Magnetfeld der Spule werden diese jedoch ausgerichtet und verstärken das Magnetfeld.

Die magnetische Flussdichte B berücksichtigt dieses Verhalten: $$B=\mu_0 \cdot \mu_r \cdot H$$ Dabei ist $\mu_0=1,257~A/m^2$ die magnetische Feldkonstante. $µ_r$ ist eine material­abhängige Konstante, welche für Eisen bis zu 10000 beträgt, in Luft den Wert 1 hat, aber für Kuper kleiner 1 ist.

Wird ein stromdurchflossener Leiter in ein Magnetfeld gebracht überlagern sich zwei Magnetfelder. Auf der Seite entgegengesetzt laufender Feldlinien, heben sich diese durch destruktiver Überlagerung auf. Gleich laufende Feldlinien ver­stär­ken sich konstruktiv. So kommt es zu einer Kraftwirkung auf den Leiter, wie sie bspw. beim Transrapid eingesetzt wird.

Bewegt man nun einen Leiter durch ein Magnetfeld verdichtet er in Laufrichtung die Feldlinien. Durch die Änderung des Magnetfeldes wird in dem Leiter eine Spannung induziert.

Lenzsche Regel: Der durch eine Induktions­spannung hervorgerufene Strom ist stets so gerichtet, dass er der Ursache der Induktion entgegenwirkt.

Hier ein Ausschnitt von Edmund Stoibers legendäre Rede zum Transrapid, der Magnetschwebebahn.

Finde herraus wie diese funktioniert und weshalb sie in Deutschland nie zum Einsatz kam.

Ideen von
R. Brugger, FTA15 Elektronikschule Tettnang