Magnete und magnetisches Feld

Der Begriff „Magnet“ kommt aus dem Griechischen. Es gibt allerdings verschiedene Überlieferungen zu dessen Bedeutung: Eine dieser Überlieferungen behauptet, der Begriff leite sich von der Stadt Magnesia ab, in deren Nähe magnetisches Eisenerz gefunden wurde. Eine andere Deutung geht auf die Geschichte eines Schafhirten mit dem Namen „Magnetes“ zurück.

Magnete sind jedermann bestens bekannt und gehören zu den täglichen Dingen des Haushaltes, ganz egal, ob „versteckt“ in zahlreichen Geräten oder beispielsweise direkt genutzt als „Kühlschrankmagneten“, mit denen auf Papier verfasste Notizen auf Eisenbleche befestigt werden können, ohne die Oberfläche zu beschädigen. Jedem bekannt ist natürlich die Kompassnadel, die sich nach der Richtung der magnetischen Feldlinien der Erde ausrichtet. Kühlschrankmagneten zeigen sehr gut die Besonderheit des Magneten: Sie haften nicht überall, sondern nur an Eisen- und Stahloberflächen.

Magnetische Werkstoffe

Es gibt also Werkstoffe, die magnetische Eigenschaften haben und solche, die als nichtmagnetisch einzustufen sind. Der wichtigste magnetische Werkstoff ist Eisen (sowohl Gusseisen als auch Stahl). Es gibt jedoch auch Nicht-Eisen-Werkstoffe mit magnetischen Eigenschaften. Dazu gehören Nickel und Kobalt. Diese werden als ferromagnetische Werkstoffe bezeichnet. Ferromagnetisch bedeutet: magnetisch wie Eisen. Darüber hinaus gibt es spezielle Eisenlegierungen, die herausragende magnetische Eigenschaften bieten wie beispielsweise Samarium-Cobalt-Legierungen und Neodym-Eisen-Bor-Legierungen. Samarium und Neodym zählen zu den Seltenerd-Metallen bzw. (gebräuchlicher im Sprachgebrauch) zu den seltenen Erden.

Grundsätzlich muss man sich einen Magneten bildlich wie die Ansammlung kleiner Einzelmagneten, den so genannten Elementarmagneten, vorstellen. Bei einem magnetischen Werkstoff, also einem Stoff, der magnetische Kräfte besitzt, ist eine große Zahl dieser Elementarmagnete in die gleiche Richtung angeordnet. Je mehr dieser Elementarmagnete in die gleiche Richtung wirken, umso stärker ist die magnetische Feldstärke.

Hart- und weichmagnetische Stoffe

Es ist möglich, die Elementarmagneten zu ordnen. Man bezeichnet dies als Magnetisieren. Dies kann durch äußere Einflüsse mit einem ausreichend starken Magnetfeld oder in einem elektrischen Feld geschehen. Bleibt man beim Sinnbild der Elementarmagnete, also der abstrakten Vorstellung, ein Magnet würde aus zig Minimagneten zusammen gesetzt sein, dann wird deutlich, dass irgendwann einmal alle Elementarmagnete die gleiche Ausrichtung erreichen werden, wenn der Magnetisierungsprozess entsprechend stark ist und entsprechend lange anhält. Man spricht von der magnetischen Sättigung des Werkstoffes.

Beendet man den äußeren Einfluss auf den magnetischen Werkstoff, so haben die Elementarmagnete die Tendenz, wieder in einen ungeordneten Zustand zurück zu kehren. Der Werkstoff verliert also seine magnetische Kraft. Allerdings ist dieser Effekt nicht allgemein gültig, denn je nach dem verwendetem Werkstoff ist diese „Tendenz zum Chaos“ mehr oder weniger stark ausgeprägt. Es gibt Werkstoffe, die sehr schnell und nahezu vollständig ihren Magnetismus verlieren. Derartige Materialien werden als weichmagnetische Werkstoffe bezeichnet. Sie werden beispielsweise für die Herstellung von Trafoblechen verwendet. Dem gegenüber stehen Werkstoffe, die – einmal magnetisiert – ein sehr beständiges magnetisches Feld bewahren. Ihre Elementarmagneten fallen nicht bzw. nur sehr langsam in den unstrukturierten Zustand zurück. Solche hartmagnetischen Werkstoffe sind die Basis für Dauermagnete (Permanent-Magnete).

Einen Magneten kann man sich als Anordnung extrem vieler kleiner Elementarmagneten vorstellen, die in gleicher Richtung angeordnet sind.
Einen Magneten kann man sich als Anordnung extrem vieler kleiner Elementarmagneten vorstellen, die in gleicher Richtung angeordnet sind.

Entmagnetisierung

Die magnetischen Eigenschaften eines Werkstoffes lassen nach, wenn dieser starker Hitze ausgesetzt ist. Glühendes Eisen kann beispielsweise als vollkommen entmagnetisiert angesehen werden. Der thermische Effekt auf den Magnetismus eines Materials kann allerdings auch unerwünscht sein, wenn magnetische Datenträger (Disketten, Festplatten) in einem Fahrzeug aufbewahrt werden, das an einem Sonnentag an exponierter Stelle geparkt wird. Dies kann zur Zerstörung des Datenträgers und damit zum Verlust der Informationen führen.

Magnetische Stoffe verlieren ihre Eigenschaften aber auch bei starken Erschütterungen. So können Hammerschläge auf Eisen die Ausrichtung der Elementarmagnete durcheinander bringen und damit das magnetische Feld verkleinern. Nicht zuletzt ist eine allmähliche Entmagnetisierung im Laufe der Zeit festzustellen, die allerdings bei hartmagnetischen Werkstoffen sehr lange bemessen ist. Eine Entmagnetisierung kann auch durch den Einfluss eines entgegengesetzten Feldes erfolgen.

Magnetisches Feld

In den ersten Beispielen wurde bereits erwähnt: Ein Magnet zieht Eisen und (oder unter bestimmten Voraussetzungen, dazu gleich mehr) einen anderen Magneten an. Ein Magnet übt also eine Kraft auf einen anderen Stoff mit magnetischen Eigenschaften aus. Es stellen sich also die folgenden Fragen:

  • Wo greift die magnetische Kraft an bzw. wo ist ihr Ursprung?

  • In welche Richtung wirkt die magnetische Kraft?

In einer sehr groben Sichtweise scheint der Ursprung der Kraft des Magneten (z.B.: der Stabmagnet) dessen Mittelpunkt sein und es scheint, als wirke dessen Kraft senkrecht zu seinen Polen. Dem ist allerdings nicht so! Umrundet man ein Stabmagnet langsam und in einigem Abstand mit einer Kompassnadel, so wird man beobachten, dass sich deren Ausrichtung verändert.

Die magnetischen Feldlinien treten am Nordpol aus und dringen am Südpol wieder in den Magneten ein. Doch Vorsicht! Magnetfelder sind konzentrische Felder und kennen keine Quelle und keine Senke. Das magnetische Feld verläuft auch innerhalb des Magneten.
Die magnetischen Feldlinien treten am Nordpol aus und dringen am Südpol wieder in den Magneten ein. Doch Vorsicht! Magnetfelder sind konzentrische Felder und kennen keine Quelle und keine Senke. Das magnetische Feld verläuft auch innerhalb des Magneten.

Noch deutlicher ist ein beliebtes Schulexperiment mit Eisenfeilspänen: Unter eine Glasplatte oder einem Stück Karton wird ein Magnet gelegt. Auf die Glasplatte bzw. den Karton werden in einer dünnen Schicht Eisenfeilspäne in einem gewissen Umkreis des Magneten verstreut. Leichtes Rütteln an der Glasplatte verstärkt den optischen Effekt: Die Eisenfeilspäne richten sich aus und es entsteht ein geordnetes Bild scheinbar endlich vieler Kraftlinien.

Die scheinbar endliche Struktur ist durch die Abmessungen der Späne zu begründen. In Wirklichkeit tendiert die Zahl dieser „Kraftlinien“ gegen unendlich. Sie erstrecken sich auf den gesamten Raum um den Magneten herum. Den Bereich, in dem diese magnetischen Kräfte wirken, bezeichnet man als das magnetische Feld. Entsprechend spricht man auch von Feldlinien.

Anziehung und Abstoßung

Eingangs wurde behauptet, ein Magnet ziehe nur unter bestimmten Voraussetzungen ein anderes Magnet an, das ja allein per Definition ein magnetischer Werkstoff ist und deswegen selbstverständlich – wäre es unmagnetisiert, also die Elementarmagnete in Unordnung – sofort von einem beliebigen Magneten angezogen werden würde. Ist der Stoff magnetisiert, dessen Elementarmagnete also ausgerichtet, dann hängt es davon ab, welche Seite des Gegenstandes dem Magneten gegenüber steht. Eine Kompassnadel zeigt es sehr deutlich: Führt man eine Kompassnadel an eine Seite eines Magneten, dann richtet sie sich grundsätzlich mit einer bestimmten Seite zu diesem Magneten aus. Führt man die Nadel an die andere Seite des Magneten, dann wird sie sich mit der gegenüberliegenden Seite zum Magneten orientieren.

Unterschiedliche magnetische Polaritäten ziehen einander an. Berühren sich die Magneten, so wirken sie gemeinsam wie ein großes Magnet und zeigen sich nach außen an der Verbindungsstelle magnetisch neutral.
Unterschiedliche magnetische Polaritäten ziehen einander an. Berühren sich die Magneten, so wirken sie gemeinsam wie ein großes Magnet und zeigen sich nach außen an der Verbindungsstelle magnetisch neutral.

Zwei Magnete, die aufeinander treffen, werden sich also entweder anziehen oder abstoßen. Was passiert, hängt davon ab, welche Seiten der Magneten einander zugewandt sind. Betrachtet man nun wieder das Bild der Eisenfeilspäne, dann erkennt man, dass die Feldlinien den Magneten an einem Ende verlassen und am anderen Ende wieder in diesem einlaufen. Diese Enden werden als die magnetische Pole bezeichnet, die nach den (magnetischen) Polen der Erde mit Nord- und Südpol bezeichnet werden.

Die Kräfte an den magnetischen Polen bewirken eine Abstoßung, wenn zwei gleichartige Pole aufeinander treffen. Sie bewirken eine Anziehung, wenn unterschiedliche Pole einander begegnen. Dieses Prinzip von Anziehung und Abstoßung machen sich elektrische Motoren zunutze.

Gleiche magnetische Polaritäten stoßen einander ab.
Gleiche magnetische Polaritäten stoßen einander ab.

(rs/02-2012)