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Was ist Magnetismus?

Im täglichen Leben ist die magnetische Kraft – nach der Schwerkraft – die Kraft, mit der man am meisten in Berührung kommt. Das Prinzip kennen schon Kinder von den Magnetkupplungen bei Holzeisenbahnen. Sie lernen mit dem Magnetismus umzugehen, weil sie hin und wieder die Wagen umdrehen müssen, damit der Zug zusammenhält – denn gleiche Pole stoßen einander ab.

Nord- und Südpol

Die Bezeichnung der Pole bei den Magneten leitet sich von ihrer Funktion im Kompass ab. Eine Kompassnadel zeigt mit einer bestimmten Seite immer in Richtung Nordpol. Der Nordpol eines Magneten ist daher immer die Seite, die sich nach Norden drehen würde, wenn der Magnet drehbar wäre; und der Südpol ist die Seite, welche sich nach Süden ausrichten würde.

Diese Ausrichtung kommt durch das Magnetfeld der Erde zustande. Die Magnetnadel zeigt allerdings nicht genau auf den Nordpol. Der geomagnetische Pol in der Arktis ist nicht ortsfest, sondern verlagert sich ständig. Im physikalischen Sinne handelt es sich übrigens um den magnetischen Südpol, denn: Wenn man sich vorstellt, dass das Magnetfeld der Erde von einem Stabmagneten kommt, dann hätte dieser Stabmagnet natürlich auch zwei Pole wie alle Magneten.

Da die Anziehung immer zwischen den verschiedenen Polen stattfindet, zeigt der Nordpol der Magnetnadel somit eigentlich auf den Südpol des Erdmagneten. Der Südpol des Erdmagnetfeldes sitzt also in der Nähe des Nordpols und der Nordpol des Erdmagnetfeldes sitzt in der Nähe des Südpols.

Metallische Büroklammern stehen senkrecht aufeinander, weil sie an einem magnetischen Gestein haften.
Foto: © Ryan Somma, Lizenz: Creative Commons BY-SA 2.0 , Quelle: commons.wikimedia.org

Woher kommt das Magnetfeld der Erde?

Magnetismus entsteht immer durch die Bewegung von Ladungsträgern. Es gibt die verschiedensten Formen dieser Bewegung, darum gibt es auch die verschiedensten Formen des Magnetismus.

  1. Normaler Stromfluss erzeugt beispielsweise Magnetfelder. Elektrischer Strom ist die Bewegung von Ladung und magnetische Felder hängen mit elektrischen Strömen zusammen, also: mit bewegten Ladungen.
  2. In der Erde befindet sich der flüssige Erdkern, der auch sehr viele Ladungsträger enthält. Sie bewegen sich und erzeugen letztlich das Erdmagnetfeld.
  3. In elektrischen Feldern treten zeitliche Änderungen auf, welche dann dazu führen, dass sich magnetische Felder bilden (siehe Maxwell-Gleichungen).
  4. In Atomen gibt es sich bewegende Elektronen. Ihre Bewegung und Verteilung kann auch dazu führen, dass sich magnetische Wirkungen ergeben.
  5. Die Elektronen selbst besitzen einen Spin – die Drehbewegung der Elektronen selbst ist ebenso eine Quelle für Magnetismus.

Es hat also immer etwas mit Bewegung zu tun, aber in den verschiedensten Formen, die eben auch verschiedene magnetische Effekte erzeugen.

Wie sieht ein Magnetfeld aus?

In der Umgebung eines Magneten wirken auf andere Magnete Kräfte. Stellt man z.B. Eisenfeilspäne oder kleine Magnetnadeln in den Raum um einen Magneten, so ordnen sie sich entlang bestimmter Linien an. Diese Linien nennt man Feldlinien und man sagt, ein Magnet ist von einem Magnetfeld umgeben.

Das folgende Video veranschaulicht ein Magnetfeld sehr deutlich:

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Die Dipolarität von Magneten

Das, was den Magnetismus grundsätzlich unterscheidet, z.B. von der elektrostatischen Kraft, ist die Dipolarität. Wenn man einen Magneten teilt, sind die Teilmagneten automatisch auch wieder dipolar. Das lässt sich beliebig oft wiederholen, bis man am Ende vor einem einzelnen Elektron stehen würde – und auch dann würde man feststellen, dass dieses einzelne Elektron noch jeweils einen Nord- und einen Südpol hat.

Der Eigendrehimpuls (Spin) des Elektrons sorgt für die magnetische Wirkung. Es ist bisher noch nicht gelungen, ein Elektron so zu zerlegen und den Südpol vom Nordpol abzutrennen, dass es zu einem Monopol wird. Im Gegensatz dazu lassen sich bei der Elektrostatik die beiden Ladungstypen, getrennt voneinander beobachten.

An einem Stabmagnet haben sich an den beiden Polen viele Eisennägel gesammelt.
Foto: © ben_osteen, Lizenz: Creative Commons BY 2.0 , Quelle: Flickr.com

Magnetische Ordnung

Wenn also sogar die Elektronen die Eigenschaft des Magnetismus in sich tragen, warum sind dann nicht alle Materialien magnetisiert? Warum gibt es nur so wenige Materialien wie z.B. Eisen, bei denen man Magnetismus beobachten kann?

Der Unterschied hier ist der Grad der Ordnung. In einem beliebigen Material sind alle möglicherweise vorhandenen kleinen Elementarmagnete völlig ungeordnet, d.h. die Südpole und Nordpole liegen in beliebigen Richtungen durcheinander.

Anders ist es bei bestimmten Metallen wie z.B. Eisen, wo sich die Elementarmagneten in einer Richtung anordnen.Wenn sie sich geordnet haben, dann lässt sich eine magnetische Wirkung beobachten. Wenn diese Ordnung wieder zerstört wird, dann wird die magnetische Wirkung schwächer. Dies kann zum Beispiel durch Erhitzung oder mechanische Kraft geschehen.

Quellen:

www.weltderphysik.de
www.grund-wissen.de
www.uni-regensburg.de
www.lernstunde.de
www.abi-physik.de

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