Das magnetische Feld

Schon in der Antike fiel auf, dass bestimmte Steine aus der Region Magnesia (im heutigen Griechenland) Eisen anziehen. Dieser Stein heißt Magnetit, und von ihm hat der ganze Effekt seinen Namen bekommen. Lange Zeit war völlig unklar, wie eine Kraft durch leeren Raum hindurch wirken kann. Heute beschreiben wir das mit dem Begriff Feld: ein Bereich um den Magneten, in dem magnetische Kräfte spürbar sind.

Jeder Magnet hat zwei Pole: einen Nordpol (N) und einen Südpol (S). Die Bezeichnungen stammen von der Kompassnadel — der Pol, der nach geografisch Nord zeigt, wurde Nordpol genannt. Zwischen den Polen gilt eine ganz einfache Regel:

• Gleichnamige Pole stoßen sich ab (N–N und S–S).
• Ungleichnamige Pole ziehen sich an (N–S).

Das gilt sowohl zwischen zwei Magneten als auch zwischen einem Magneten und der Nadel eines Kompasses.

Eine wichtige Eigenschaft, die Magnete grundsätzlich vom elektrischen Feld unterscheidet: Pole treten immer paarweise auf. Es gibt keinen einzelnen Nordpol und keinen einzelnen Südpol. Wer einen Stabmagneten in der Mitte zerbricht, hat danach nicht ein Stück „nur Nord“ und eines „nur Süd“. Stattdessen entstehen zwei kleinere Magnete, die jeweils wieder einen Nord- und einen Südpol haben. So weit man das auch fortsetzt — selbst auf atomarer Ebene tauchen immer beide Pole gemeinsam auf.

Das magnetische Feld ist also der Raum um einen Magneten herum, in dem ein anderer Magnet oder ein magnetisierbares Material eine Kraftwirkung erfährt. Anders als das elektrische Feld, das von einer Punktladung ausgehen kann, hat das magnetische Feld immer eine Quelle und eine Senke — Nordpol und Südpol — und ist in sich geschlossen.

Ein Feld kann man nicht direkt sehen. Um es trotzdem darstellen und über seine Form sprechen zu können, verwendet man Feldlinien. Das ist ein Modell: gedachte Linien, die zeigen, in welche Richtung das Feld an jedem Punkt wirkt und wie stark es dort ist.

Für magnetische Feldlinien gelten ein paar Regeln, die sich gut merken lassen:

• Feldlinien sind immer geschlossen. Sie gehen außerhalb des Magneten vom Nordpol zum Südpol und schließen sich innerhalb des Magneten vom Süd- zurück zum Nordpol.
• Außerhalb des Magneten zeigt die Feldlinienrichtung von Nord nach Süd.
• Feldlinien kreuzen sich nie.
• Je dichter die Linien gezeichnet sind, desto stärker ist das Feld an dieser Stelle. Am dichtesten sind sie direkt an den Polen.
• Eine Tangente an die Feldlinie zeigt die Richtung der Kraft, die auf einen Probe-Nordpol an dieser Stelle wirken würde.

Sichtbar machen lässt sich der Feldverlauf mit Eisenfeilspänen: Streut man sie auf ein Blatt Papier über einem Magneten und klopft leicht dagegen, ordnen sich die Späne entlang der Feldlinien an. Genauso eindrucksvoll ist eine kleine Kompassnadel, die man rund um den Magneten an verschiedenen Stellen platziert — sie stellt sich jeweils tangential zur Feldlinie ein.

Beim Stabmagneten verlaufen die Feldlinien außen weit ausladend von N nach S — am dichtesten direkt an den Polen, weiter weg immer schütterer. Beim Hufeisenmagneten stehen sich die beiden Pole eng gegenüber, und zwischen ihnen entsteht ein nahezu paralleles, weitgehend gleichmäßiges Feld. Das macht Hufeisenmagnete praktisch für Anwendungen, in denen ein definiertes Feld in einem kleinen Spalt gebraucht wird.

Permanentmagnete behalten ihre Magnetisierung über lange Zeit, ohne dass von außen Energie zugeführt werden muss. In der Praxis kommen sie in unzähligen Bauformen vor — die häufigsten sind Stabmagnete, Hufeisenmagnete, Scheiben- und Ringmagnete, dazu rechteckige Blockmagnete und Topfmagnete für Halteanwendungen.

Wichtiger als die Form ist aber der Werkstoff, aus dem ein Permanentmagnet gefertigt ist. Vier Familien haben sich in der Industrie durchgesetzt:

Bei allen Permanentmagneten gibt es eine kritische Temperatur, die sogenannte Curie-Temperatur. Wird der Magnet darüber erhitzt, verliert er seine ferromagnetische Eigenschaft vollständig — und zwar dauerhaft, sofern er nicht wieder gezielt magnetisiert wird. In der Praxis wichtiger ist allerdings die deutlich niedrigere maximale Einsatztemperatur, ab der bereits irreversible Teilentmagnetisierungen einsetzen. Bei NdFeB-Magneten liegt der Curie-Punkt rund 310 °C, die maximale Einsatztemperatur je nach Sorte aber oft nur bei 80 bis 200 °C. Bei Ferrit-Magneten liegen beide Werte deutlich höher. Das ist ein wichtiger Punkt, wenn solche Magnete in der Nähe von Wärmequellen oder in Motoren mit hoher Verlustleistung eingesetzt werden.

Auch die Erde selbst ist ein riesiger Magnet. Das Erdmagnetfeld entsteht durch Strömungen im flüssigen äußeren Erdkern und hat näherungsweise die Gestalt des Feldes eines Stabmagneten, der schräg in der Erde steckt. Die magnetische Achse fällt nicht mit der Rotationsachse zusammen — sie ist um etwa 11° geneigt, und die magnetischen Pole verschieben sich zudem über die Jahre.

Hier liegt eine klassische Verwechslungsquelle. Die Nordnadel eines Kompasses zeigt nach geografisch Nord — und sie zeigt dorthin, weil sie angezogen wird. Da sich ungleichnamige Pole anziehen, muss der geografische Nordpol magnetisch ein Südpol sein. Diese Eigenart ist historisch gewachsen: Die Bezeichnung der Polnadel kam zuerst, die genaue Polung der Erde wurde erst später verstanden.

1820 stellte Hans Christian Oersted einen Kompass neben einen Draht und schaltete den Strom ein — die Nadel lenkte aus. Dieser Versuch war ein Wendepunkt: Elektrizität und Magnetismus, bis dahin zwei getrennt geglaubte Phänomene, hängen zusammen. Aus der Beobachtung folgt eine grundlegende Aussage:

Jeder elektrische Strom erzeugt ein Magnetfeld.

Auch dann, wenn weit und breit kein Magnet ist. Die Form dieses Feldes um einen geraden Leiter ist besonders einfach: Es bildet konzentrische Kreise rund um den Leiter. Geht man weiter weg, werden die Kreise größer und das Feld schwächer.

Wie herum die Feldlinien laufen, hängt von der Stromrichtung ab. Der praktische Merksatz dafür ist die Rechte-Hand-Regel für den geraden Leiter:

Den Daumen der rechten Hand in die technische Stromrichtung legen (also vom Pluspol zum Minuspol, in Richtung der konventionellen Strompfeile). Die gekrümmten Finger zeigen dann in die Richtung der magnetischen Feldlinien.

Im Querschnitt zeichnet man Strom, der aus der Zeichenebene auf den Betrachter zukommt, als Punkt (•) — das ist die Spitze des gedachten Pfeils. Strom, der in die Ebene hineinfließt, wird als Kreuz (×) gezeichnet — das ist die Befiederung von hinten gesehen.

Vom Stromnetz im Werkstattgebäude bis zur kleinen Leiterbahn auf einer Platine — überall, wo Strom fließt, gibt es dieses Begleitfeld. Bei einzelnen geraden Leitern ist es meist schwach und stört nicht. Wickelt man den Leiter aber zu einer Spule, addieren sich die Felder aller Windungen — daraus entsteht ein Elektromagnet, der gezielt steuerbar ist. Wie Spulen aufgebaut sind und wofür sie eingesetzt werden, behandelt der Beitrag Spule – Aufbau und Induktivität.

Warum lässt sich Eisen magnetisieren, Aluminium aber praktisch nicht? Die Antwort liegt im Aufbau des Materials selbst. In ferromagnetischen Stoffen existieren mikroskopisch kleine Bereiche, die jeweils bereits in sich magnetisiert sind. Diese Bereiche heißen Weißsche Bezirke oder anschaulich Elementarmagnete. Im unmagnetisierten Zustand zeigen sie in zufällige Richtungen — die magnetischen Wirkungen heben sich nach außen hin gegenseitig auf.

Bringt man einen solchen Stoff in ein äußeres Magnetfeld, drehen sich diese Bezirke und richten sich entlang des Feldes aus. Je stärker das äußere Feld, desto mehr Bezirke kippen in die Vorzugsrichtung. Bei manchen Werkstoffen bleibt diese Ausrichtung auch nach dem Entfernen des äußeren Feldes erhalten — das Material ist dann magnetisiert.

Bezüglich ihres Verhaltens im Magnetfeld werden Stoffe in drei Gruppen eingeteilt:

Im Maschinenbau und in der Elektrotechnik interessieren in erster Linie die ferromagnetischen Werkstoffe. Innerhalb dieser Gruppe gibt es noch eine wichtige Unterscheidung, die je nach Einsatzzweck den Ausschlag gibt:

• Weichmagnetische Werkstoffe lassen sich leicht magnetisieren, verlieren ihre Magnetisierung aber sofort wieder, wenn das äußere Feld verschwindet. Typische Vertreter sind Weicheisen, Dynamoblech und bestimmte Ferrite. Eingesetzt werden sie überall dort, wo ein Magnetfeld kontrolliert auf- und abgebaut werden soll — in Transformatoren, in Spulenkernen, in Magnetjochen und in Ankern von Relais und Schützen.
• Hartmagnetische Werkstoffe sind schwerer zu magnetisieren, halten die Magnetisierung dafür dauerhaft. Daraus werden Permanentmagnete gefertigt — AlNiCo, NdFeB, SmCo und Hartferrit gehören in diese Kategorie.

Eine Curie-Temperatur hat jeder ferromagnetische Werkstoff. Oberhalb dieser Grenze geraten die Elementarmagnete durch die thermische Bewegung so stark in Unordnung, dass die ferromagnetische Eigenschaft verlorengeht. Das Material verhält sich dann nur noch paramagnetisch. Bei Eisen liegt die Curie-Temperatur bei etwa 770 °C, bei Nickel bei rund 360 °C, bei Cobalt deutlich höher.

In der Praxis nutzt man das auch beim Entmagnetisieren. Drei Wege funktionieren zuverlässig: Erhitzen über die Curie-Temperatur, das Bringen in ein starkes magnetisches Wechselfeld, dessen Amplitude man langsam auf null reduziert, oder kräftige mechanische Stöße — bei letzterem sind die Bezirke aber nur teilweise wieder unordentlich, daher die unzuverlässigste Methode.

Das magnetische Feld ist nicht nur ein Wirkbereich um einen Magneten herum — daraus ergeben sich eine ganze Reihe nutzbarer Effekte, die die Grundlage fast aller elektrischen Maschinen bilden. Vier davon sind so zentral, dass sie jeweils einen eigenen Beitrag bekommen.

Magnetische Größen beschreiben, wie stark ein Feld ist und wie es entsteht. Die magnetische Flussdichte B in Tesla sagt, wie dicht die Feldlinien an einem Punkt liegen — also wie kräftig das Feld dort wirkt. Die magnetische Feldstärke H in A/m beschreibt, was das Feld erzeugt — sie steckt sozusagen in der Ursache, während B die Wirkung beschreibt. Der magnetische Fluss Φ in Weber ist das Gesamtaufkommen von Feldlinien durch eine Fläche. Wie diese Größen zusammenhängen und wie man mit ihnen rechnet, steht im Beitrag Magnetische Größen: Flussdichte, Feldstärke, Fluss.

Elektromagnetische Induktion geht in die umgekehrte Richtung zu Oersted: Verändert sich das Magnetfeld durch eine Leiterschleife — etwa weil ein Magnet bewegt wird —, entsteht in der Schleife eine Spannung. Das ist das Funktionsprinzip jedes Generators und jedes Transformators. Vertieft im Beitrag Elektromagnetische Induktion.

Die Lorentzkraft ist die Kraft, die auf eine bewegte Ladung in einem Magnetfeld wirkt. Sie ist der Grund, warum Motoren überhaupt drehen und warum ein Elektronenstrahl im Magnetfeld abgelenkt wird. Details im Beitrag Lorentzkraft.

Und schließlich die Spulen und Elektromagnete: Wickelt man einen stromdurchflossenen Leiter zu einer Spule, addieren sich die Felder der einzelnen Windungen, und ein gezielt steuerbarer Magnet entsteht. Mit einem weichmagnetischen Kern wird er nochmal um ein Vielfaches stärker. Das ist die Grundlage von Hubmagneten, Magnetventilen, Schützen, Relais und letztlich auch von Elektromotoren. Mehr dazu im Beitrag Spule – Aufbau und Induktivität.