Magnetismus

Magnetische Kräfte treten immer paarweise auf. D.h. neben dem Dauermagnet des Kompasses 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.

Magnetische Materialien (Fe, Ni, Co) bestehen aus Elementarmagneten, welche im Grundzustand ungeordnet sind. Bringt man diese Materialien in ein äußeres Magnetfeld mit der magnetischen Feldstärke $H$, beginnen sich die Elementarmagnete auszurichten. So wird das Material magnetisch.

Entfernt man das Material vom äußeren Magnetfeld verlieren weich­magnetische Stoffe ihren Magnetismus wieder, während hart­magnetische Stoffe (Fe, Ni, Co + Mb) einen Restmagetismus behalten.

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:

Zeigt der Daumen in Stromrichtung, geben die Finger die Magnetfeldrichtung an.

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.

Der Gleichstrommotor ist der erste entwickelte Motor in der Geschichte. Die Standardvariante wird als Fremderregte Maschine bezeichnet. Der rotierende Teil wird als Anker bezeichnet, da die erste Bauform wie ein Bootsanker aussah.

Der Anker wird als Elektromagnet ausgeführt, dabei wird der Strom über Schleifringkontakte an der Welle übertragen. Den Stator gibt es in der Aussführung eines Elektromagneten oder Permanentmagneten. Im zweiten Fall ist allerdings die Leistung begrenzt.

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.