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Magnetfeld

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Magnetfeld

Was haben die Erde, ein Elektroauto und ein Lautsprecher gemeinsam?

Sie haben etwas mit einem Magnetfeld zu tun. Diese Antwort liegt vermutlich nicht auf der Hand, weil Du beim Musikhören höchstwahrscheinlich noch nie ein Magnetfeld gesehen hast. Die Auswirkung des Magnetismus kannst Du dagegen zum Beispiel mit einem Kompass beobachten. Was das Magnetfeld überhaupt ist, wo es vorkommt, Anwendung findet und wie Du es physikalisch beschreiben kannst, erfährst Du in dieser Erklärung.

Magnetismus und Magnetfeld – Definition

Den Einfluss des wohl wichtigsten Magnetfeldes hast Du vielleicht schon einmal selbst genutzt. Ein Kompass richtet sich stets nach einem Magnetfeld aus. Befindest Du Dich dabei nicht unmittelbar neben einem Magneten, zeigt der Kompass nämlich in Richtung des Nord- und Südpols des Magnetfeldes unserer Erde, das Dich ständig umgibt.

Du kannst also festlegen, dass aufgrund eines Magnetfeldes (der Erde) ein magnetisches Material (im Kompass) durch Magnetismus beeinflusst wird. Ordnen wir das Ganze:

Magnetismus ist die physikalische Wirkung zwischen magnetisierten, oder einem magnetisierbaren und einem magnetischen Material. Ein Magnet besitzt stets einen Nord- und einen Südpol. Es gibt keine magnetischen Einpole. Gleichnamige Pole stoßen sich ab, entgegengesetzte Pole ziehen sich an.

Ein magnetisierbares Material kann durch äußere Einwirkungen magnetisiert bzw. magnetisch gemacht werden. Das magnetische Material ist dann selbst ein Magnet. Die Erklärung Dauermagnet zeigt Dir, wie das geht.

Befindest Du Dich mit deinem Kompass in der Nähe eines starken Magneten, zeigt die Nadel höchstwahrscheinlich nicht mehr nach Norden. Die magnetische Wirkung des starken Magneten auf den Kompass ist anders gerichtet, als das Erdmagnetfeld. Jedoch nur in der Nähe des Magneten. Der Magnetismus besitzt also eine gewisse Ausbreitung und Wirkungsrichtung.

Das Magnetfeld beschreibt die Ausbreitung, Stärke und Wirkungsrichtung des Magnetismus im Raum. Jede magnetische Wirkung kann über das Magnetfeld ermittelt werden.

Um das Magnetfeld darzustellen, gibt es eine einfache und dennoch aussagekräftige Methode.

Magnetfeldlinien

Ein Magnetfeld kannst Du mithilfe von Magnetfeldlinien visualisieren. Du benutzt sie, um das unsichtbare Magnetfeld zu veranschaulichen. In der Realität sind diese modellhaften Linien nicht vorhanden. Für einen Stabmagneten sieht das Feldlinienbild wie folgt aus.

Aus der Abbildung 1 kannst Du mehrere Eigenschaften von Magnetfeldlinien ablesen:

Magnetfeldlinien verlaufen außerhalb eines Magneten stets vom magnetischen Nord- zum Südpol und im Inneren umgekehrt. Oftmals werden jedoch nur äußere Magnetfeldlinien gezeichnet. Sie besitzen keinen Anfang und kein Ende. Magnetfeldlinien kreuzen sich nie.

Tatsächlich kannst Du über die Feldlinien sogar qualitative Aussagen über die Stärke des Magnetfeldes treffen.

Je dichter die Magnetfeldlinien, desto stärker ist dort das Magnetfeld.

Was genau die Stärke des Magnetfeldes ist, erfährst Du etwas weiter unten in der Erklärung. Bevor das Magnetfeld physikalisch beschrieben werden kann, muss es erst einmal vorliegen.

Vorkommen von Magnetfeldern und Magnetismus

Dass beim Erdmagnetfeld, beim Elektroauto, insbesondere beim Elektromotor, und beim Lautsprecher Magnetfelder vorkommen, hast Du schon in der Einleitung erfahren. Sie haben aber unterschiedliche Ursprünge. Während beim Lautsprecher Elektromagneten genutzt werden, sind im Elektromotor oftmals Permanentmagneten verbaut. Das Magnetfeld der Erde hingegen entsteht durch eine Mischung verschiedener magnetischer Phänomene.

Die Erde an sich kannst Du aber grundsätzlich als riesigen Permanentmagneten betrachten.

Permanentmagnete

Das Wort "permanent" bedeutet so viel wie dauerhaft, ständig oder ununterbrochen. Daher kommt auch die Bezeichnung Dauermagnet. Ein Magnet ist ein magnetisches oder magnetisiertes Material. Da ein magnetisierbares Material erst magnetisiert werden muss, damit es magnetische Eigenschaften besitzt, gilt für einen Permanentmagneten folgendes:

Ein Permanentmagnet (oft auch Dauermagnet genannt) ist ein Magnet, der dauerhaft und ohne äußere Einflüsse magnetische Eigenschaften besitzt und ein Magnetfeld ausbildet.

Wie so ein Permanentmagnet entsteht und wie er hergestellt werden kann, erfährst Du in der Erklärung Dauermagnet.

Je nach Anwendungsbereich kann ein Dauermagnet verschiedene Formen annehmen. Die beiden häufigsten Formen sind Stab- und Hufeisenmagnete.

Stabmagnete

Wie der Name es schon vermuten lässt, handelt es sich beim Stabmagneten um einen geraden Magneten. Ein Ende ist der magnetische Nordpol (meist rot und mit N gekennzeichnet) und das andere Ende der magnetische Südpol (meist grün und mit S gekennzeichnet).

Die Magnetfeldlinien zeigen die Richtung und Ausbreitung des Magnetfeldes. Außerhalb des Stabmagneten verlaufen sie von Nord- zum Südpol. Mit dem sogenannten Eisenspanversuch kannst Du sie sogar sichtbar machen. Eisenspäne, die magnetisierbar sind, bringst Du dabei in das Magnetfeld des Stabmagneten. Dadurch werden die Späne magnetisiert und richten sich entlang der Feldlinien aus.

Hier fragst Du Dich vielleicht, warum die Eisenspäne nicht gleich verteilt sind? Das liegt daran, dass auch das Magnetfeld nicht überall gleich ist.

Mehr zu den Magnetfeldlinien und dieser Verteilung erfährst Du etwas später bei der physikalischen Beschreibung von Magnetfeldern inklusive Magnetfeldgrößen, Einheiten und Formeln.

Das Gleiche gilt auch, zumindest teilweise, beim Magnetfeld des Hufeisenmagnetes.

Hufeisenmagnete

Der Hufeisenmagnet wurde nach der Form des Hufeisens benannt. Er sieht im Prinzip wie ein U aus. Oftmals sind dabei die beiden längeren Seiten parallel zueinander und im rechten Winkel mit einem Querstück verbunden. Die Magnetfeldlinien verlaufen auch hier außerhalb des Magneten vom Nord- zum Südpol.

Aufgrund dessen, dass die beiden länglichen magnetischen Pole parallel zueinander sind, scheint das Magnetfeld direkt zwischen den Polen sehr geordnet zu sein.

Homogenes Magnetfeld

Beim Hufeisenmagnet ist ein Teil des Magnetfeldes gleichmäßig. Die Feldlinien verlaufen im markierten Bereich in Abbildung 4 parallel zueinander und haben die gleichen Abstände.

Ein solches Magnetfeld nennst Du homogen.

Ein homogenes Magnetfeld ist ein Magnetfeld, das an allen Stellen gleich stark und gleich gerichtet ist.

Die Magnetfeldlinien sind dabei parallel und in gleichen Abständen angeordnet.

Homogene Magnetfelder finden aufgrund ihrer Gleichmäßigkeit oft Anwendung. Was genau es damit auf sich hat, erfährst Du in der Erklärung Homogenes Magnetfeld.

So ein Magnetfeld könntest Du auch mithilfe von Elektromagneten erschaffen.

Magnetfeld – Elektromagnete

Auch hier lässt die Bezeichnung auf die grundsätzliche Art des Magneten schließen.

Elektromagnete werden durch gezielte elektrische Ströme (Elektrizität) zeitweise und meist einstellbar magnetisiert.

Ist Dir diese knappe Definition nicht genug? Die Erklärung Elektromagnete bietet Dir weitere Informationen zu dieser Art der Magnete.

Je nach Bauweise können viele verschieden starke und ausgeprägte Magnetfelder gebildet werden. Das macht Elektromagnete vielseitig in ihren Anwendungen. Prinzipiell funktionieren aber alle Elektromagnete gleich: durch einen Stromfluss wird ein Magnetfeld erschaffen.

Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters

Damit ein Magnetfeld durch Stromfluss entsteht, sind keine bestimmten Materialien oder Voraussetzungen notwendig.

Jeder vom Strom durchflossene Leiter bildet ein Magnetfeld um diesen Leiter aus.

Warum das so ist und welche Bedeutung das für technische Anwendungen hat, findest Du in der Erklärung Magnetfeld stromdurchflossener Leiter heraus.

Die Richtung des Magnetfeldes bzw. der Magnetfeldlinien kannst Du über die sogenannte Rechte-Faust-Regel bestimmen. Dafür nimmst Du Deine rechte Hand und streckst Deinen Daumen in Richtung der technischen Stromrichtung (von + nach -) aus. Mit Deinen restlichen Fingern bildest Du eine Faust so, als ob Du den Leiter bzw. Stromfluss umfassen möchtest. Die Richtung der Finger in Deiner Faust ist die Richtung der Magnetfeldlinien.

Betrachtest Du anstatt der technischen Stromrichtung die Bewegungsrichtung von Elektronen, also entgegengesetzt, nimmst Du die linke Hand, wobei der Daumen die Elektronenrichtung repräsentiert.

Ein Leiter muss aber nicht wie hier immer gerade sein. Es gibt unter anderen Formen auch Leiterschleifen. Legst Du viele dieser Schleifen übereinander und verbindest diese in Reihe, erhältst Du eine Spule.

Magnetfeld einer Spule

Fließt Strom durch eine Zylinderspule, kannst Du an jeder Stelle die Rechte-Faust-Regel auf diesen Teil des Leiters anwenden. Damit bestimmst Du die Richtung des Magnetfeldes auf allen Seiten des Leiters. Dabei stellst Du fest, dass die Magnetfeldlinien für jedes Leiterstück jeweils innerhalb und außerhalb der Spule immer in die gleiche Richtung zeigen.

Es gibt aber auch eine zweite Rechte-Faust-Regel, die Du speziell bei Spulen anwenden kannst. Betrachtest Du den Stromfluss I in technischer Stromrichtung durch die Spule, ist dieser im Prinzip kreisförmig. Mit der rechten Hand bildest Du nun eine Faust, wobei die Finger der Faust in die Stromrichtung zeigen. Streckst Du Deinen Daumen ab, zeigt er jetzt in die Richtung des Magnetfeldes im Inneren der Spule.

Kommt Dir die gleichmäßige Anordnung der Feldlinien im Inneren der Spule bekannt vor? Das Magnetfeld ist dort nämlich homogen.

Eine vom Strom durchflossene Spule bildet ein Magnetfeld aus. Im Inneren der Zylinderspule ist das Magnetfeld nahezu homogen. Mit der Rechten-Faust-Regel kannst Du mit der Stromrichtung (Faust) die Magnetfeldrichtung (Daumen) im Inneren der Spule ermitteln.

Das Magnetfeld einer Spule hängt vom Stromfluss ab und kann über diesen angepasst werden. Somit kann die Spule als Elektromagnet verwendet werden.

Dass das Magnetfeld im Inneren homogen ist, ist eine oft verwendete Näherung. Wie das Magnetfeld einer Spule angepasst werden kann und wie Du dieses berechnest, erfährst Du in der Erklärung Magnetfeld einer Spule.

Je nach Anwendung ist jeweils das innere oder das äußere Magnetfeld einer Spule wichtig. Selten werden beide Teile genutzt. Das äußere Magnetfeld wird beim Lautsprecher gezielt verändert.

Ein Lautsprecher ist vereinfacht dargestellt eine Membran, die in der Mitte mit einer Spule (sogenannte Magnetspule) verbunden ist. Die Spule ist beweglich um den mittleren Teil eines dreiteiligen Permanentmagneten angeordnet und kann mit Strom (dem Signal) versorgt werden.

Fließt Strom (das elektrische Signal) durch die Spule, bildet diese ein Magnetfeld aus. Je nach Stärke und Richtung vom Stromfluss wird die Spule durch den Permanentmagneten angezogen oder abgestoßen, weil die Spule selbst ein Magnetfeld bildet. Das bringt die Membran zum Schwingen. Somit können durch gezielten Stromfluss bestimmte Töne durch die Membranschwingungen erzeugt werden.

Damit dabei auch die gewollten Töne entstehen, muss das Magnetfeld der Spule extrem fein einstellbar sein. Dafür ist es notwendig, die physikalischen Größen von Magnetfeldern zu verstehen.

Magnetfeldgrößen: Formeln & Einheiten

Ein Magnetfeld zu beschreiben, hast Du schon teilweise über die Magnetfeldlinien getan. Es gilt: je dichter die Feldlinien, desto stärker das Magnetfeld. Das ist aber eine rein qualitative Aussage ohne direkte Formeln oder Einheiten. Was genau ist also die "Stärke des Magnetfeldes"?

Magnetfeldstärke

Unter der Magnetfeldstärke kannst Du Dir die Grundgröße eines jeden Magnetfeldes vorstellen, die es erlaubt, spezifische Aussagen über ein Magnetfeld zu treffen.

Die Magnetfeldstärke (oder magnetische Feldstärke) gibt für jeden Raumpunkt eines Magnetfeldes dessen Stärke und Richtung wieder.

Beim geraden Leiter berechnest Du den Betrag der Magnetfeldstärke H im Abstand r vom Leiter über den Stromfluss I durch den Leiter:

Magnetfeld Magnetfeldstärke Definition Formel gerade Leiter StudySmarter

Möchtest Du die Magnetfeldstärke H des homogenen Magnetfeldes im Inneren einer Zylinderspule berechnen, kannst Du das mithilfe des Stromfluss I, der Windungszahl N und der Geometrie der Spule der Länge L mit Durchmesser d tun:

Magnetfeld Magnetfeldstärke Definition Formel Zylinderspule StudySmarter

Die Einheit der Magnetfeldstärke H ist Ampere A pro Meter m:

Magnetfeld Definition Einheit magnetische Feldstärke StudySmarter

Im Zähler findest Du bei beiden Formeln sozusagen den gesamten (verketteten) Stromfluss, der das Magnetfeld erzeugt. Bei der Spule fließt der Strom N mal durch die Spule, weil sie N Windungen besitzt. Der Nenner gibt die Geometrie des Leiters wieder. Die Länge wurde hier mit L bezeichnet, um eine Verwechslung mit dem Formelzeichen der Stromstärke zu vermeiden.

Wenn allgemein von einem Magnetfeld geredet wird, wird teilweise auch die Formulierung "B-Feld" verwendet. B ist aber offensichtlich nicht die Magnetfeldstärke H. Was sonst bedeutet das B?

Magnetische Flussdichte

Die magnetische Flussdichte B ist die Magnetfeldgröße, die häufiger als die Magnetfeldstärke zur Beschreibung eines Magnetfeldes verwendet wird. Das liegt daran, weil die magnetische Flussdichte das Medium, in dem sich das Magnetfeld ausbreitet, berücksichtigt. Ansonsten ist sie aber ähnlich zur Magnetfeldstärke.

Die magnetische Flussdichte gibt die Ausbreitung, Stärke und Richtung eines Magnetfeldes an jedem Punkt entsprechend dem Ausbreitungsmedium an.

Mithilfe der magnetischen Permeabilität μ, die die magnetische Leitfähigkeit vom Ausbreitungsmedium beschreibt, und der magnetischen Feldstärke H berechnest Du den Betrag der magnetischen Flussdichte B.

Magnetfeld Definition Formel magnetische Flussdichte StudySmarter

Magnetfelder werden manchmal auch aufgrund der magnetischen Flussdichte "B-Felder" genannt. Die magnetische Flussdichte B wird mit der Einheit Tesla (T) angegeben:

Magnetfeld Definition Einheit magnetische Flussdichte StudySmarter

"Medium" bzw. "Ausbreitungsmedium" ist ein anderes Wort für den Stoff bzw. die Umgebung, in der sich ein Magnetfeld ausbreitet. Das könnte unter anderem ein Eisenkern im Inneren einer Spule, das Vakuum im Labor oder in einfachen Versuchen die umgebende Luft sein.

Wie Du erkennen kannst, sind magnetische Flussdichte und Magnetfeldstärke sehr ähnlich. Die genauen Unterschiede erfährst Du in der Erklärung Magnetische Flussdichte.

Der Begriff "Flussdichte" lässt vermuten, dass es nicht nur die Dichte, sondern auch den Fluss geben muss.

Magnetischer Fluss

Stellst Du Dir die magnetische Flussdichte als Dichte der Feldlinien vor, kannst Du für eine gewisse Fläche auch den gesamten Fluss, sozusagen alle Feldlinien zusammen, ermitteln. Genau das gibt der magnetische Fluss wieder:

Der magnetische Fluss ϕ gibt an, "wie viel" Magnetfeld eine gewisse Fläche durchsetzt. Berechnen kannst Du ihn allgemein durch Multiplikation der betrachteten Fläche A und der dort herrschenden magnetischen Flussdichte B.

Magnetfeld Definition Formel magnetischer Fluss StudySmarter

Angegeben wird der magnetische Fluss ϕ mit der Einheit Weber (Wb), manchmal auch Voltsekunde (Vs):

Magnetfeld Definition Einheit magnetischer Fluss StudySmarter

Die hier gezeigte Formel gilt nur in Verbindung mit einem homogenen Magnetfeld, wenn Magnetfelddichte und Fläche senkrecht zueinander stehen. Genauere Ausführungen findest Du in der Erklärung Magnetischer Fluss.

Jetzt kennst Du die Magnetfeldgrößen, um das Magnetfeld an sich beschreiben zu können. Ein Magnetfeld existiert aber nicht nur, sondern hat auch eine gewisse Wirkung, die Du etwa beim Beispiel mit dem Lautsprecher erkannt hast. Damit sich etwas bewegt oder verändert, benötigt es immer auch eine Energie.

Energie des magnetischen Feldes

Legst Du zwei Magneten nah aneinander auf den Tisch wirst Du feststellen können, dass sie sich entweder anziehen oder abstoßen, je nachdem wie Du sie ausrichtest. Ohne Dein direktes Zutun bewegen sie sich also. Die Energie für diese Bewegung stammt dabei aus dem Magnetfeld selbst:

Die Energie des magnetischen Feldes Emag gibt an, wie viel Arbeit Wmag ein Magnetfeld aufgrund dessen magnetischer Wirkung verrichten kann.

Bei einem vom Strom I durchflossenen Leiter der Induktivität L kannst Du Energie bzw. Arbeit des Magnetfeldes wie folgt berechnen:

Magnetfeld Definition Formel magnetische Energie Arbeit StudySmarter

Wie auch jede andere Energie wird die Energie des magnetischen Feldes Emag mit der Einheit Joule (J) angegeben:

Magnetfeld Definition Einheit Energie des magnetischen Feldes StudySmarter

Die Induktivität ist eine elektromagnetische Stoffgröße. Was das bedeutet, erfährst Du in den Erklärungen über die Elektromagnetische Induktion.

Die Formel gibt die Energie des Magnetfeldes eines stromdurchflossenen Leiters wieder. Was ist aber mit Dauermagneten? Diese benötigen keinen Stromfluss, um ein Magnetfeld aufzubauen. Trotzdem gibt es Kraftwirkungen. Woher kommt dabei die Energie? Die Antwort darauf findest Du in der Erklärung Energie des magnetischen Feldes.

Magnetfelder haben nicht nur Einfluss auf andere Magneten bzw. Magnetfelder. Den Begriff "elektromagnetisch" hast Du vielleicht schon einmal gehört. Er ist nicht einfach nur eine Erfindung, sondern ist damit begründet, dass elektrische und magnetische Felder wechselwirken können. So kann ein Magnetfeld eine elektrische Ladung beeinflussen.

Magnetfeld – Kräfte auf bewegte Ladungen

Einer der Hauptgründe, warum elektrische und magnetische Felder so wichtig für die Elektrizitätslehre sind, ist ihre Wechselwirkung, insbesondere Elektromagnetische Induktion, über die Du mehr in der gleichnamigen Erklärung erfährst. Die elektromagnetische Induktion beruht grundsätzlich auf einer Kraftwirkung auf elektrische Ladungen im Magnetfeld.

Bewegt sich eine elektrische Ladung in einem Magnetfeld, wirkt eine Kraft auf die Ladung. Diese Kraft heißt Lorentzkraft FL.

Allgemein berechnest Du die Lorentzkraft mithilfe der Geschwindigkeit v einer bewegten Ladung q im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte B:

Magnetfeld Definition Formel Lorentzkraft StudySmarter

Diese Formel gilt nur, wenn sich alle drei Größen Lorentzkraft, Geschwindigkeit und magnetische Flussdichte senkrecht zueinander befinden. Kompliziertere Anordnungen werden Dir in der Erklärung zur Lorentzkraft aufgezeigt.

Im elektrischen Feld werden elektrische Ladungen von + nach - und umgekehrt beschleunigt. Beim Magnetfeld ziehen sich Nord- und Südpol an.

In welche Richtung wirkt dann die Lorentzkraft, die ja die Kraft auf eine elektrische Ladung im Magnetfeld ist?

Drei-Finger-Regel

Als Antwort auf diese Frage gibt es die sogenannte Drei-Finger-Regel. Für eine bewegte positive Ladung nimmst Du Deine rechte Hand, für eine negative Ladung die linke Hand.

Deinen Daumen spreizt Du wie in Abbildung 8 von Deiner Hand ab. Das ist die Bewegungsrichtung der Ladung. Im rechten Winkel dazu, als Verlängerung Deiner Handfläche, richtest Du Deinen Zeigefinger entlang der Feldlinien des Magnetfeldes aus. Wiederum senkrecht zu den beiden vorherigen Fingern spreizt Du Deinen Mittelfinger senkrecht zur Handfläche aus. Die Richtung Deines Mittelfingers ist die Richtung, in die die Lorentzkraft wirkt.

Warum die Lorentzkraft in genau diese Richtung wirkt, erfährst Du in den Erklärungen Kraft auf bewegte Ladungen, Lorentzkraft und Drei-Finger-Regel.

Aber Moment – wenn Du läufst, bewegt sich Dein Smartphone mit Dir mit. Im Smartphone befinden sich elektrische Leiter und somit Elektronen. Das bedeutet, dass sich ständig elektrische Ladungen (Elektronen) in einem Magnetfeld (Erdmagnetfeld) bewegen.

Hast Du schon einmal bemerkt, dass sich dein Smartphone anders verhält, während Du das Smartphone bewegst? Vermutlich nicht. Das hängt mit dem Erdmagnetfeld an sich zusammen.

Magnetfeld der Erde

Dass Dein Smartphone nicht verrückt spielt, liegt daran, dass die Bewegung und die Stärke des Magnetfeldes unserer Erde relativ klein sind. Die magnetische Flussdichte des Erdmagnetfeldes in Deutschland ist rund . Im Vergleich zur magnetischen Flussdichte , der ein Patient während einer Magnetresonanztomografie (MRT) ausgesetzt ist, ist das etwa Hunderttausend mal weniger.

Eine Magnetresonanztomografie ist ein medizinisches Diagnoseverfahren, bei dem Schnittbilder vom Körper durch magnetische Wechselwirkungen erstellt werden. Die Auswirkungen der starken Magnetfelder auf den menschlichen Körper sind zwar noch nicht vollständig erforscht, jedoch wird bei diesem Verfahren keine gefährliche Röntgenstrahlung verwendet.

Warum aber funktioniert Dein Kompass trotz anderer, deutlich stärkerer Magnetfelder? Das liegt daran, dass das Magnetfeld der Erde zwar schwächer erscheinen mag, jedoch ist es im Prinzip überall vorhanden. Die Magnetfeldstärke nimmt mit der Entfernung zum Magneten ab. Bei der Erde ist, vereinfacht ausgedrückt, der Erdkern der Magnet. Die Entfernung verändert sich beim Laufen also fast nicht.

Das Erdmagnetfeld ist nicht überall gleich stark. Im alltäglichen Kontext kannst Du aber davon ausgehen, dass das dich umgebende Magnetfeld der Erde aufgrund dessen Ausdehnung homogen und verglichen mit anderen Magneten schwach ist.

Der Kompass, im Gegensatz zum Smartphone, ist so gebaut, dass er extrem sensibel auf Magnetfelder reagiert. Das bedeutet, dass der Kompass zwar in der Nähe elektrischer Geräte in eine falsche Richtung zeigen kann, mit etwas Abstand sich jedoch wieder nach dem Erdmagnetfeld ausrichtet.

Was der Kompass allerdings als Nordpol anzeigt, ist magnetisch gesehen der Südpol des Erdmagnetfeldes. Die magnetischen (magnetischer Nord- und Südpol) und geografischen Pole (im Norden Arktis, im Süden Antarktis) sind also genau umgekehrt.

Das kannst Du Dir merken, indem Du Dir ins Gedächtnis rufst, dass sich der Kompass entlang der Magnetfeldlinien ausrichtet. Diese zeigen vom magnetischen Nord- zum Südpol. Der Kompass zeigt also zum geografischen Nordpol in der Arktis, was dem magnetischen Südpol der Erde entspricht.

Eine weitere Sache, die die Nutzung des Kompasses einschränken kann, ist die Position der Pole selbst. Geografischer Nordpol und magnetischer Südpol (und umgekehrt) befinden sich nicht an den gleichen Stellen, sondern sind etwas versetzt. Solange Du Dich aber nicht in der Nähe der Pole aufhältst, sollte das der Funktionalität deines Kompasses nicht im Wege stehen.

Ob Du es willst oder nicht – auf eine gewisse Weise bist Du immer von Magnetfeldern umgeben. Umso bedeutsamer ist es, die wichtigsten Fakten zum Magnetfeld zu kennen.

Magnetfeld - Das Wichtigste

  • Magnetismus ist die physikalische Wirkung zwischen Magneten und magnetischen Materialien.
  • Es gibt keine magnetischen Einpole, sondern jeder Magnet besitzt stets einen Nord- und einen Südpol.
  • Allgemein unterscheidest Du zwischen magnetisierbaren Materialien, zu denen Elektromagnete gehören, und Permanentmagneten/Dauermagneten.
  • Die Wirkung vom Magnetismus wird durch das Magnetfeld beschrieben.
  • Magnetfeldlinien sind ein Mittel, Magnetfelder zu visualisieren. Beachte dabei folgende Regeln:
    • Magnetfeldlinien verlaufen außerhalb eines Magneten immer vom Nord- zum Südpol.
    • Sie besitzen keinen Anfang und kein Ende.
    • Sie kreuzen sich nie.
    • Sie geben die Richtung der magnetischen Wirkung an.
    • Je dichter die Magnetfeldlinien, desto stärker das Magnetfeld.
  • Die grundlegenden Größen des Magnetfeldes sind die Magnetfeldstärke H, die magnetische Flussdichte B und der magnetische Fluss ϕ.
  • Ein Magnetfeld besitzt eine gewisse magnetische Energie Emag, die dem Feld erlaubt, eine Arbeit Wmag zu verrichten.
  • Bewegte elektrische Ladungen im Magnetfeld erfahren eine Lorentzkraft FL entsprechend ihrer Ladung und der Bewegungsrichtung im Feld. Die Richtung der Lorentzkraft kannst Du mithilfe der Drei-Finger-Regel ermitteln.

Nachweise

  1. Humboldt-Universität zu Berlin (2010). Magnetismus. physik.hu-berlin.de (20.06.2022)
  2. Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg (2002). Elektromagnetische Felder im Alltag. demvt.de (28.06.2022)
  3. Technische Universität Dresden Professur für Grundlagen der Elektrotechnik (2013). Elektrische und magnetische Felder. iee.et.tu-dresden.de (18.05.2015)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Magnetfeld

Ein Magnetfeld beschreibt die magnetische Wirkung eines Magneten im Raum.

In Abbildungen werden oft Feldlinien mit der Beschriftung B oder B-Feld für das Magnetfeld verwendet. Ein Magnetfeld nachweisen kannst Du mit einem Kompass. Das Feld an sich ist nicht sichtbar, sondern könnte durch Eisenspäne sichtbar gemacht werden.

Ein Magnetfeld wird mit Magnetfeldlinien visualisiert. Diese verlaufen außerhalb eines Magneten vom Nord- zum Südpol, haben keinen Anfang und kein Ende, da sie auch durch den Magneten gehen und kreuzen sich nie. Mit steigender Entfernung vom Magneten wird das Magnetfeld schwächer.

Ein Magnetfeld wirkt auf alle Magneten, auf Körper, die aus magnetischen oder magnetisierbaren Materialien bestehen und auf bewegte elektrische Ladungen.

Finales Magnetfeld Quiz

Frage

Auf welche Teilchen wirkt die Lorentzkraft?

Antwort anzeigen

Antwort

Nur auf elektrisch geladene Teilchen

Frage anzeigen

Frage

Mit welcher Regel bestimmst du die Richtung der Lorentzkraft, die auf ein Elektron wirkt?

Antwort anzeigen

Antwort

Mit der Drei-Finger-Regel der linken Hand.

Frage anzeigen

Frage

Mit welcher Regel bestimmst du die Richtung der Lorentzkraft, die auf ein Proton wirkt?

Antwort anzeigen

Antwort

Mit der Drei-Finger-Regel der rechten Hand.

Frage anzeigen

Frage

Mithilfe welches Versuchsaufbaus lassen sich die Pole eines Magneten bestimmen?

Antwort anzeigen

Antwort

Mithilfe des Leiterschaukelversuchs

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Frage

Welche Flugbahn beschreibt ein geladenes Teilchen, das sich senkrecht zu den Feldlinien durch ein Magnetfeld bewegt?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Flugbahn ist kreisförmig.

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Frage

Welche Faktoren spielen eine Rolle für die Intensität der Lorentzkraft bei Teilchen?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Ladung und Geschwindigkeit des Teilchens und die magnetische Flussdichte

Frage anzeigen

Frage

Welche Faktoren spielen eine Rolle für die Intensität der Lorentzkraft bei elektrischen Leitern?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Stromstärke, die Länge des Leiters und die magnetische Flussdichte

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Frage

Wie wirkt die Lorentzkraft, wenn das Teilchen sich nicht senkrecht zu den Feldlinien durch das Magnetfeld bewegt?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Lorentzkraft wirkt schwächer, nur der Teil der Gesamtgeschwindigkeit, der senkrecht zum Feld steht hat einen Einfluss.

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Frage

In welche Richtung wirkt die Lorentzkraft auf ein Elektron, wenn dieses im Koordinatensystem nach rechts fliegt und das Magnetfeld in die Zeichenebene hinein gerichtet ist?

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Antwort

Die Lorentzkraft wirkt nach unten.

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Frage

Wer ist Namensgeber und Erfinder des Geschwindigkeitsfilters?

Antwort anzeigen

Antwort

Wilhelm Wien

Es heißt daher auch Wiensches Geschwindigkeitsfilter.

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Frage

Was bewirkt ein Wien-Filter?

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Antwort

Das Filter lässt nur Teilchen einer bestimmten Geschwindigkeit passieren.

Frage anzeigen

Frage

Welche Kräfte nutzt das Geschwindigkeitsfilter?

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Antwort

Die Lorentzkraft und die Coulombkraft

Frage anzeigen

Frage

Für welche Teilchen kannst du ein Wiensches Geschwindigkeitsfilter verwenden?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Geschwindigkeitsfilter funktioniert nur für geladene Teilchen.

Frage anzeigen

Frage

Wie ist ein Wiensches Geschwindigkeitsfilter aufgebaut?

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Antwort

Das Filter besteht aus einem elektrischen und einem magnetischen Feld, die übereinander liegen. Die Kräfte, die die Felder auf die Teilchen ausüben wirken dabei senkrecht zur Bewegungsrichtung und entgegengesetzt.

Frage anzeigen

Frage

Welche der folgenden Kräfte ist von der Geschwindigkeit der Teilchen abhängig?

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Antwort

Die Lorentzkraft

Frage anzeigen

Frage

Wann kann ein Teilchen das Geschwindigkeitsfilter passieren?

Antwort anzeigen

Antwort

Wenn es die richtige Geschwindigkeit hat/Wenn die Kräfte sich gegenseitig ausgleichen/Wenn es nicht abgelenkt wird

Frage anzeigen

Frage

Warum können nur Teilchen einer bestimmten Geschwindigkeit das Filter passieren?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Lorentzkraft hängt von der Geschwindigkeit ab, während das elektrische Feld alle Teilchen gleich stark ablenkt. Nur wenn beide gleich groß sind, behält ein Teilchen seine Flugbahn bei.

Frage anzeigen

Frage

In welche Richtung wird ein Teilchen abgelenkt, das zu langsam ist?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Teilchen wird zur Anode hin abgelenkt.

Frage anzeigen

Frage

In welche Richtung wird ein Teilchen abgelenkt, das zu schnell ist?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Teilchen wird zur Kathode hin abgelenkt.

Frage anzeigen

Frage

Von welchen Größen hängt die Geschwindigkeit ab, mit der die Teilchen das Filter passieren können?

Antwort anzeigen

Antwort

Von der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Flussdichte

Frage anzeigen

Frage

Was kannst du mit einem Massenspektrometer untersuchen?

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Antwort

Das Massenspektrometer bestimmt die Masse von Teilchen.

Frage anzeigen

Frage

Welches Bauteil sorgt im Massenspektrometer für die Auswahl der richtigen Teilchen?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Wiensche Geschwindigkeitsfilter lässt nur Teilchen ins Spektrometer, die eine bestimmte Geschwindigkeit haben.

Frage anzeigen

Frage

Die Gleichsetzung welcher Kräfte bildet die Grundlage für die Formeln des Massenspektrometers?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Lorentzkraft wirkt als Zentripetalkraft der Kreisbewegung. Daher werden diese beiden Kräfte gleichgesetzt.

Frage anzeigen

Frage

Welches der folgenden Bauteile wird nicht für ein Massenspektrometer benötigt?

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Antwort

Eine Linse

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Frage

Wie können elektrisch ungeladene Teilchen mit dem Massenspektrometer untersucht werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Teilchen werden ionisiert und anschließend als Ion untersucht.

Frage anzeigen

Frage

Wie läuft die Elektronenstoßionisation ab?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der Elektronenstoßionisation kollidieren ungeladene Atome und Moleküle mit beschleunigten Elektronen und werden dadurch ionisiert.

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Massenspektrum?

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Antwort

Ein Massenspektrum ist die Menge der verschiedenen Massen, die bei der Untersuchung eines Moleküls im Massenspektrometer auftreten.

Frage anzeigen

Frage

Wofür kann das Massenspektrometer in Geologie und Archäologie verwendet werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Verschiedene Altersbestimmungen basieren auf dem Verhältnis der verschiedenen Isotope eines Stoffs in einer Probe. Dieses kann mit dem Massenspektrometer untersucht werden.

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Frage

Wodurch gelangen die Teilchen im Massenspektrometer auf eine Kreisbahn?

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Antwort

Am Ende des Massenspektrometers befindet sich ein homogenes Magnetfeld. Dieses bringt die geladenen Teilchen durch die Lorentzkraft auf eine Kreisbahn.

Frage anzeigen

Frage

Warum benötigst du im Massenspektrometer einen Wienfilter?

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Antwort

Die Lorentzkraft hängt von der Geschwindigkeit ab. Um Anhand der Kreisbahn eine Aussage über die Masse treffen zu können musst du die Lorentzkraft und damit die Geschwindigkeit kennen.

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Frage

Gib an, wie viele Pole ein Magnet besitzt.

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Antwort

1

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Frage

Definiere Permanentmagnet.

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Antwort

Ein Permanentmagnet ist ein Magnet, der dauerhaft und ohne äußere Einflüsse magnetische Eigenschaften besitzt und ein Magnetfeld ausbildet.

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Frage

Wann benutzt du die rechte Hand bei der Drei-Finger-Regel?

Antwort anzeigen

Antwort

Fließen Ladungsträger vom Pluspol zum Minuspol (technische Stromrichtung), benutzt du die rechte Hand bei der Drei-Finger-Regel!

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Frage

Was verstehst du unter dem Hall-Effekt?

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Antwort

Der Hall-Effekt erklärt die Bewegung von elektrischen Teilchen in einem Leiterplättchen, das sich in einem stationären – also zeitlich und örtlich unveränderlichen – Magnetfeld befindet. Dabei entsteht eine Spannung – die so genannte Hall-Spannung.  

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Frage

Welchen mathematischen Zusammenhang kannst du zwischen der Feldstärke und der Hall-Spannung erkennen?

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Antwort

Zwischen der Feldstärke und der Hall-Spannung lässt sich ein linearer Zusammenhang erkennen. Das bedeutet, dass das Verhältnis der beiden Größen durch eine Gerade dargestellt werden kann.

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Frage

Was versteht man unter der Hall-Konstante?

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Antwort

Bei der Hall-Konstante handelt es sich um eine stoffabhängige Konstante – also einen konstanten Wert, der davon abhängt, welche Eigenschaften das Leiterplättchen aufweist. 

Frage anzeigen

Frage

Wie kann das Auftreten der Hall-Spannung in einem Leiterplättchen erklärt werden?

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Antwort

Die Elektronen im Leiterplättchen werden anhand der Lorentzkraft durch das Magnetfeld abgelenkt. Es entsteht an einem Ende des Leiterplättchens ein Elektronenüberschuss (negative Ladung) und am anderen Ende ein Elektronenmangel (positive Ladung). Daher bildet sich ein elektrisches Feld aus, an dem eine Spannung abfällt – die Hall-Spannung. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist eine Anwendung des Hall-Effekts?

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Antwort

Den Hall-Effekt kannst du zum Messen der Stärke eines Magnetfeldes verwenden. Das Messgerät wird Hall-Sonde genannt.  

Frage anzeigen

Frage

Was versteht man unter dem Quanten-Hall-Effekt?

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Antwort

Der Quanten-Hall-Effekt tritt unter extremen Bedingungen auf. Nämlich bei besonders geringer Temperatur und bei einem sehr starken Magnetfeld. Unter diesen Bedingungen ist kein linearer Zusammenhang mehr zwischen der magnetischen Feldstärke und der gemessenen Hall-Spannung zu erkennen.  

Frage anzeigen

Frage

Definiere den Begriff homogenes Magnetfeld.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein homogenes Magnetfeld ist eine Form eines Magnetfeldes, das überall gleich gerichtet und gleich stark ist.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, wie die Magnetfeldlinien im homogenen Magnetfeld verlaufen.

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Antwort

Magnetfeldlinien im homogenen Magnetfeld verlaufen parallel, gleich gerichtet und gleich weit voneinander entfernt voneinander.

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Frage

Warum bildet sich ein Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter?

Antwort anzeigen

Antwort

Weil jede bewegte Ladung ein Magnetfeld erzeugt und sich die Magnetfeldbeiträge über alle am Stromfluss beteiligten Elektronen aufsummieren.

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Gib an, welche Pole sich gegenseitig anziehen.

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Entgegengesetzte Pole ziehen sich an.

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Wie lautet die Formel für das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters?

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(Hier sollte eine Antwort mit Formel stehen, funktioniert momentan aber leider nicht)

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Beschreibe, wie die Magnetfeldlinien eines homogenen Magnetfeldes verlaufen.

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Die Magnetfeldlinien eines homogenen Magnetfeldes sind parallel und in gleichen Abständen zueinander.

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Gib kurz an, was aus magnetischer Sicht passiert, wenn Strom durch einen Leiter fließt.

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Jeder vom Strom durchflossene Leiter bildet ein ihn umgebendes Magnetfeld aus.

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Gib an, wofür Du die Rechte-Faust-Regel bei stromdurchflossenen Leitern verwenden kannst.

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Die Rechte-Faust-Regel dient zur Bestimmung der Richtung des Magnetfeldes bei bekannter technischer Stromrichtung.

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Beschreibe, wie die Magnetfeldlinien im Inneren einer Spule verlaufen.

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Die Magnetfeldlinien in einer Spule verlaufen stets parallel zur Ausbreitung der Spule. In einer Zylinderspule ist das Magnetfeld näherungsweise homogen.

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Wähle aus, was auf Magnetfeldlinien zutrifft.

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Magnetfeldlinien besitzen einen Anfang und ein Ende.

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Wähle aus, welche der folgenden physikalischen Größen das Magnetfeld beschreiben.

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Magnetische Flussdichte

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