Was ist ein Magnetfeld?
Michael Faraday entwickelte die Idee des Magnetfeldes, um den Einfluss eines Stabmagneten auf die von einem anderen Magneten ausgeübte Kraft erklären zu können, zum Beispiel auf einen Pol dieses anderen Magneten. Das Magnetfeld ist der Bereich, in dem ein Magnet tatsächlich seine Arbeit verrichtet. Man kann Magnetfelder zum Beispiel dadurch unterscheiden, dass ferromagnetische Materialien dem Einfluss von Krafteinwirkungen unterliegen. Selbst in Abwesenheit anderer Materie können magnetische Felder existieren.
Probenmagnet
Jeder Magnet hat zwei Stellen auf seiner Oberfläche, an denen die Kraft, die auf eine Probe ausgeübt wird, sehr groß ist. Diese speziellen Stellen werden als Pole des Magnetfelds bezeichnet. An einer dieser Stellen wird der Probenmagnet zu ihm hingezogen, während er sich an der anderen Stelle von ihm wegbewegt.
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Nord- und Südpol
Aus diesem Grund ist es wichtig, zwischen dem magnetischen Nordpol und dem magnetischen Südpol zu unterscheiden. Wenn zwei Pole gleich sind, drücken sie gegeneinander, aber wenn sie ungleich sind, ziehen sie sich gegenseitig an.
Feldlinienmuster
Die Ausdrücke Nordpol und Südpol, die sich auf das magnetische Feld beziehen, und Pluspol und Minuspol, die sich auf das elektrische Feld beziehen, werden häufig vertauscht. Möglicherweise hängt dies damit zusammen, dass einige Feldlinienmuster im Magnetismus und in der Elektrostatik sehr vergleichbar sind (z.B. das Feldlinienmuster eines Stabmagneten und das Feldlinienmuster von zwei elektrisch entgegengesetzt geladenen Kugeln).
Geschwindigkeit
Auf andere Magnete und andere Stoffe, die magnetische Eigenschaften besitzen, werden Kräfte ausgeübt, wenn sie sich in der Nähe eines Magneten befinden. Diese Kräfte werden durch das Magnetfeld erzeugt, das überall um jeden Magneten vorhanden ist. Ähnlich wie bei einem elektrischen Feld werden die Eigenschaften des Bereichs um einen Magneten verändert. Diese veränderten Eigenschaften sind beobachtbar, und die Fähigkeit des Raums, einen Krafteinfluss auf andere Magnete auszuüben, ist der Bereich, in dem die Veränderungen am offensichtlichsten sind. Veränderungen in der Stärke des Magnetfelds werden mit der gleichen Geschwindigkeit durch den Raum getragen, mit der sich das Licht fortbewegt.
Erdgeschichte
Die Gesteine bewahren den Beweis dafür, dass das Magnetfeld der Erde seine Polarität im Laufe der Erdgeschichte bereits mehrfach geändert hat. Am auffälligsten ist dies an den mittelozeanischen Rücken oder an den Stellen, an denen der Meeresboden wächst: An diesen Stellen entweicht ständig glühend heißer Gesteinsbrei, der auch Eisen enthält. Dieses Phänomen tritt ständig auf. Solange dieser Gesteinsbrei flüssig bleibt, richten sich die Eisenkomponenten in ihm automatisch nach dem Magnetfeld aus, das jetzt von der Erde ausgeübt wird. Diese Ausrichtung bleibt im Gestein auch dann erhalten, wenn es abgekühlt und fester geworden ist, weil es an Ort und Stelle „eingefroren“ ist. Anhand der magnetischen Ausrichtung dieses Gesteins lässt sich grob bestimmen, wann und wie oft das Magnetfeld der Erde früher umgepolt wurde. Dies ist möglich, da bekannt ist, wie schnell die Ozeanböden ansteigen.
Magnetfeld
Wenn zwei Magnete, die sich zueinander hingezogen fühlen, losgelassen werden, bewegen sie sich viel schneller aufeinander zu. Die sich bewegenden Magnete müssen ihre kinetische Energie aus einer anderen Quelle erhalten haben, um die Anforderungen des Theorems zu erfüllen, das besagt, dass Energie erhalten bleiben muss. Daher liegt die Vermutung nahe, dass das Magnetfeld die Fähigkeit hat, Energie zu speichern. Der Begriff für diese Art von Energie ist magnetische Energie.
Gesamtfeldstärke
Wenn eine große Anzahl kleinerer Magnete überlagert wird, ist die messbare magnetische Gesamtfeldstärke gleich der Summe der Magnetfelder, die von jedem der kleineren Magneten erzeugt werden. Der Begriff „Überlagerungsprinzip“ bezieht sich auf diesen Leitgedanken. Aufgrund des Superpositionsprinzips ist es klar, dass eine große Anzahl extrem winziger und mikroskopisch kleiner Ringströme in einem Material, von denen jeder zu einem Elementarmagneten führt, zusammen eine messbare Magnetisierung, auch bekannt als ein spürbares Magnetfeld, hervorrufen kann, vorausgesetzt, alle Elementarmagnete sind in gleicher Weise ausgerichtet. Sind die Elementarmagnete dagegen völlig willkürlich ausgerichtet, kann man draußen kein Magnetfeld feststellen.
Was ist ein Magnetfeld und wie sieht es aus?
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Relativitätstheorie
Elektromagnetismus ist ein Begriff, der die komplexen Wechselwirkungen beschreibt, die zwischen Magnetismus und Phänomenen bestehen, die ausschließlich elektrischer Natur sind. Nach der speziellen Relativitätstheorie können Magnetfelder, die durch elektrische Ströme hervorgerufen werden, als Ergebnis elektrostatischer Kräfte verstanden werden, die zwischen Ladungen bestehen. Die Theorie beruht auf der Beobachtung, dass ein elektrischer Strom eine Darstellung der relativen Bewegung von Teilchen mit entgegengesetzten Ladungen ist, deren Ladungsdichten durch die Lorentz-Kontraktion unterschiedlich beeinflusst werden. Die Tatsache, dass geladene Elementarteilchen, die alle einen Eigendrehimpuls (Spin) haben, auch ein magnetisches Moment besitzen, erklärt unter anderem, warum Ferromagnetismus auftritt.
Abschirmung
Es ist möglich, statische Magnetfelder und niederfrequente Magnetfelder mit weichmagnetischen Materialien abzuschirmen. Weichmagnetische Materialien sind ferromagnetische Materialien, die eine hohe Permeabilität, aber eine niedrige Remanenz haben. Wenn das für die magnetische Abschirmung verwendete Material ausreichend leitfähig ist, schützt es auch vor elektrischen Störungen. Die einzige Möglichkeit, hochfrequente elektromagnetische Wechselfelder, die auch als elektromagnetische Wellen bezeichnet werden, vollständig abzuschirmen, besteht in der Verwendung von Gehäusen, die rundherum elektrisch leitfähig sind und eine geeignete Dicke aufweisen. Wenn die größte Abmessung eines Spalts oder einer Öffnung gleich oder größer ist als die Größe der zu isolierenden Wellenlänge, verringert sich die Effizienz der Abschirmung, und die Aufgabe wird unmöglich.
Dipolfeld
Ein Dipolfeld ist die grundlegendste Art eines Magnetfeldes. Auch Elementarteilchen wie Protonen und Elektronen haben ein dipolares Magnetfeld. Die meisten makroskopisch bedeutsamen Magnetfelder werden von Permanentmagneten erzeugt. Es ist auch möglich, diese Felder durch elektromagnetische Kräfte zu erzeugen. Der Einfluss von magnetischen Kräften kann durch ein Magnetfeld gekennzeichnet sein. Dieses Phänomen kann zum Beispiel in Gegenwart von Dauermagneten, elektrischen Strömen oder magnetischen Materialien auftreten.
Feldliniendichte
Wenn man das elektrische Feld und das magnetische Feld vergleicht, wird man feststellen, dass das magnetische Feld einen Nord- und einen Südpol hat und nicht einen Plus- und einen Minuspol. Bei dieser Darstellung ist es möglich, den Weg zu erkennen, den die Feldlinien vom Nordpol zum Südpol nehmen. Außerdem lässt sich daraus ableiten, dass die Feldliniendichte eines Stabmagneten nicht konstant bleibt. Sie ist an den Polen höher als in der Mitte des Bereichs. Das würde bedeuten, dass das Magnetfeld direkt an den Polen am stärksten ist und nicht in der Mitte des Magnetfeldes.
Feldkräfte
Wenn sich die Feldkräfte im Laufe der Zeit nicht ändern, werden Magnetfelder als statische oder stationäre Felder bezeichnet. Ein Beispiel für ein natürliches Magnetfeld ist das Magnetfeld, das die Erde umgibt. Da sich die Intensität des Feldes nur über sehr lange Zeiträume hinweg verändert, kann man es als statisches Feld bezeichnen.
Kraftfelder
Sowohl magnetische als auch elektrische Felder sind Beispiele für Kraftfelder. Die Richtung und Stärke eines Feldes kann visuell durch Feldlinien dargestellt werden; die Dichte der Linien ist ein Symbol für die Stärke des Feldes. Magnetische Feldlinien hingegen beginnen oder enden nicht an elektrischen Ladungen, wie es bei elektrischen Feldlinien der Fall ist; vielmehr sind magnetische Feldlinien in sich geschlossen.
Messung von Magnetfeldern
Der Hall-Effekt oder der Quanten-Hall-Effekt sind zwei Methoden, die zur Messung von Magnetfeldern verwendet werden können. Diese Methoden machen sich das Drehmoment zunutze, das entsteht, wenn ein Magnetfeld auf einen Probenmagneten einwirkt. Sie machen sich auch die Änderung des spezifischen Widerstands zunutze, den bestimmte Materialien aufweisen, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht werden, z.B. Wismut und Indiumantimonid. Auf mikroskopischer Ebene kann dies auch mit Hilfe der Kernspinresonanzforschung durch Ausnutzung des Zeeman-Effekts erreicht werden.
