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.
Wie so ein Permanentmagnet entsteht und wie er hergestellt werden kann, erfährst Du in der Erklärung Dauermagnet.
Beim Hufeisenmagnet ist ein Teil des Magnetfeldes gleichmäßig. Die Feldlinien verlaufen im markierten Bereich in Abbildung 4 parallel zueinander und haben die gleichen Abstände.
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.
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.
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:
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:
Die Einheit der Magnetfeldstärke H ist Ampere A pro Meter m:
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.
Magnetfelder werden manchmal auch aufgrund der magnetischen Flussdichte "B-Felder" genannt. Die magnetische Flussdichte B wird mit der Einheit Tesla (T) angegeben:
"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.
Angegeben wird der magnetische Fluss ϕ mit der Einheit Weber (Wb), manchmal auch Voltsekunde (Vs):
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:
Wie auch jede andere Energie wird die Energie des magnetischen Feldes Emag mit der Einheit Joule (J) angegeben:
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:
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.
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.
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
- Humboldt-Universität zu Berlin (2010). Magnetismus. physik.hu-berlin.de (20.06.2022)
- Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg (2002). Elektromagnetische Felder im Alltag. demvt.de (28.06.2022)
- Technische Universität Dresden Professur für Grundlagen der Elektrotechnik (2013). Elektrische und magnetische Felder. iee.et.tu-dresden.de (18.05.2015)
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