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Magnetisches Feld: Feldlinien und Kräfte verstehen
Ein magnetisches Feld ist der Raumbereich, in dem magnetische Kräfte wirken können. Du kannst es nicht direkt sehen, aber an seiner Wirkung auf Magnete, ferromagnetische Stoffe oder bewegte elektrische Ladungen erkennen.
Auf dieser Seite lernst du, Magnetfelder nachzuweisen, Feldlinien richtig zu deuten und einfache Kraftwirkungen zu erklären. In einer Vertiefung beschreibst du das Feld außerdem mit der magnetischen Flussdichte $B$.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wie weist du ein unsichtbares Magnetfeld nach?
Lege einen Kompass in die Nähe eines Stabmagneten. Die Kompassnadel dreht sich und nimmt an jedem Ort eine bestimmte Richtung ein. Diese beobachtbare Wirkung weist das Magnetfeld nach.
Magnetisches Feld
Ein magnetisches Feld beschreibt den Zustand des Raums, in dem Kräfte auf andere Magnete, ferromagnetische Körper oder bewegte elektrische Ladungen wirken können. Das Feld kann auch im Vakuum bestehen.
Geeignete Nachweise sind zum Beispiel:
- Eine Kompassnadel oder kleine Magnetnadeln richten sich aus.
- Eisenfeilspäne bilden ein charakteristisches Muster.
- Ein Eisenstück wird von einem Magneten angezogen.
- Ein stromdurchflossener Leiter oder eine bewegte Ladung wird unter passenden Bedingungen seitlich abgelenkt.
Eisenfeilspäne und Magnetnadeln sind nicht das Feld. Sie reagieren nur darauf und machen seine Wirkung sichtbar.
Du erkennst ein Magnetfeld nicht unmittelbar, sondern an einer Kraft, einer Ablenkung oder der Ausrichtung eines Probemagneten.
Wie liest und zeichnest du Feldlinien?
Feldlinien sind gedachte Hilfslinien. An ihnen kannst du Richtung und qualitative Stärke eines Magnetfeldes ablesen.
Feldlinie
Die Tangente an eine Feldlinie zeigt an jedem Ort die Richtung, in die sich der Nordpol einer kleinen Magnetnadel ausrichten würde.
Für das Feldlinienbild eines Magneten gelten vier Regeln:
- Außerhalb des Magneten zeigen die Pfeile vom Nordpol zum Südpol.
- Im Inneren laufen die Linien vom Südpol zum Nordpol zurück.
- Die Feldlinien bilden geschlossene Kurven und schneiden sich nicht.
- Enger gezeichnete Feldlinien kennzeichnen ein stärkeres Feld.
Feldlinien können sich nicht schneiden, weil das Feld an einem Ort nur eine eindeutige Richtung besitzt. An einem Schnittpunkt wären zwei verschiedene Richtungen vorgegeben.
Die Liniendichte erlaubt nur einen qualitativen Vergleich innerhalb eines einheitlich gezeichneten Feldlinienbildes. Die Zahl der gezeichneten Linien ist frei gewählt und keine Messgröße.
So zeichnest du das Feld eines Stabmagneten:
- Markiere Nordpol und Südpol.
- Zeichne außerhalb mehrere Bögen vom Nordpol zum Südpol.
- Setze Pfeile in diese Richtung.
- Denke oder zeichne die Rückwege im Inneren vom Südpol zum Nordpol.
- Vermeide Schnittpunkte und offene Linienenden.
- Zeichne die Linien in Polnähe dichter, wenn du dort das stärkere Feld darstellen willst.
Bei einem Hufeisenmagneten liegen sich Nord- und Südpol gegenüber. Im idealisierten Bereich zwischen ebenen, nahen Polflächen verlaufen die Feldlinien annähernd parallel und in gleichen Abständen. Dort ist das Feld näherungsweise homogen, also an verschiedenen Orten gleich gerichtet und gleich stark.
Was bedeuten Nordpol und Südpol?
Jeder gewöhnliche Magnet besitzt Nord- und Südpol. An diesen Bereichen ist seine Kraftwirkung meist besonders groß.
- Gleichnamige Pole stoßen sich ab: Nord–Nord oder Süd–Süd.
- Ungleichnamige Pole ziehen sich an: Nord–Süd.
- Beim Teilen eines Stabmagneten entstehen zwei kleinere Magnete mit jeweils beiden Polen.
Ein magnetischer Nordpol ist keine positive elektrische Ladung. Ebenso ist ein Südpol keine negative Ladung. Elektrische Ladungen und Magnetpole beschreiben verschiedene physikalische Eigenschaften.
Du näherst den Nordpol eines Magneten dem Nordpol eines zweiten frei beweglichen Magneten. Der zweite Magnet dreht oder bewegt sich weg. Das zeigt die Abstoßung gleichnamiger Pole.
Näherst du stattdessen Nord- und Südpol, bewegen sich die Pole aufeinander zu. Trotz ähnlich aussehender Feldbilder darfst du diese Pole nicht als elektrische Plus- und Minuspole bezeichnen.
Warum zeigt der Kompass nach Norden?
Eine Kompassnadel ist ein kleiner, drehbar gelagerter Stabmagnet. Ihr als Nordpol bezeichnetes Ende richtet sich ungefähr zum geografischen Norden aus.
Das Erdmagnetfeld ähnelt in seiner Umgebung dem Feld eines schräg liegenden magnetischen Dipols. Weil sich ungleichnamige Pole anziehen, befindet sich nahe dem geografischen Nordpol der Erde magnetisch gesehen ein Südpol. Nahe dem geografischen Südpol liegt entsprechend ein magnetischer Nordpol.
Geografische und magnetische Achse stimmen nicht genau überein. Deshalb zeigt ein Kompass nicht überall exakt in Richtung des geografischen Nordpols. Eisen und andere ferromagnetische Gegenstände in der Nähe können die Anzeige zusätzlich stören.
Die Nordspitze des Kompasses zeigt ungefähr nach geografisch Norden, weil dort magnetisch ein Südpol liegt.
Wie entstehen und verändern sich Magnetfelder?
Magnetfelder entstehen unter anderem durch Dauermagnete und durch bewegte elektrische Ladungen. Daher besitzt auch jeder stromdurchflossene Leiter ein Magnetfeld.
Um einen geraden Leiter bilden die Feldlinien geschlossene Kreise. Bei einer Spule überlagern sich die Felder ihrer Windungen. Im Inneren einer langen Spule entsteht dadurch ein annähernd homogenes Feld. Ein Eisenkern kann die Feldwirkung stark verstärken.
Ein solcher Elektromagnet ist steuerbar: Wird der Strom ausgeschaltet, verschwindet der durch den Strom verursachte Feldanteil. Ein Dauermagnet erzeugt sein Feld dagegen ohne von außen zugeführten Strom.
Ferromagnetische Stoffe wie Eisen, Nickel und Kobalt enthalten viele magnetische Bereiche. In einem unmagnetisierten Stück sind deren Wirkungen weitgehend ungeordnet. Ein äußeres Feld kann passende Bereiche ausrichten oder vergrößern und den Körper dadurch magnetisieren.
Hohe Temperaturen oder starke mechanische Stöße können diese Ordnung schwächen. Weichmagnetische Stoffe lassen sich besonders leicht magnetisieren und wieder entmagnetisieren. Ein geschlossener Körper aus solchem Material kann Feldlinien bevorzugt durch sein Material führen und das Feld in seinem Hohlraum stark verringern. Diese magnetische Abschirmung ist jedoch nicht unbedingt vollkommen.
Vertiefung: Was bedeuten Flussdichte und Lorentzkraft?
Die gerichtete Größe magnetische Flussdichte trägt das Formelzeichen $B$. Sie beschreibt die für Kraftwirkungen maßgebliche Stärke und Richtung des magnetischen Feldes. Ihre Einheit ist Tesla, kurz $\mathrm T$.
Die ebenfalls verwendete magnetische Feldstärke $H$ ist eine andere Größe. Besonders bei Materialien muss zwischen $B$ und $H$ unterschieden werden. Auf dieser Seite rechnen wir nur mit $B$.
Bewegt sich eine Ladung durch ein Magnetfeld, kann auf sie die Lorentzkraft wirken. Für den Betrag gilt:
$$F_L=|q|vB\sin\alpha$$
Dabei bedeuten:
- $F_L$: Betrag der Lorentzkraft in Newton,
- $q$: elektrische Ladung in Coulomb,
- $v$: Geschwindigkeit in Meter pro Sekunde,
- $B$: magnetische Flussdichte in Tesla,
- $\alpha$: Winkel zwischen Bewegungsrichtung und Feldrichtung.
Bewegt sich die Ladung senkrecht zum Feld, ist $\alpha=90^\circ$ und $\sin\alpha=1$. Dann vereinfacht sich die Formel zu
$$F_L=|q|vB.$$
Bewegt sie sich parallel zum Feld, ist die Lorentzkraft null. Die Kraft steht immer senkrecht zur Bewegungsrichtung und zur Feldrichtung. Für eine positive Ladung bestimmst du ihre Richtung mit der Rechte-Hand-Regel; bei einer negativen Ladung zeigt die Kraft entgegengesetzt.
Eine positive Ladung von $q=2{,}0\cdot10^{-6}\,\mathrm C$ bewegt sich mit $v=3{,}0\cdot10^4\,\mathrm{m/s}$ senkrecht durch ein Feld mit $B=0{,}25\,\mathrm T$.
Weil Bewegung und Feld senkrecht stehen, gilt:
$$F_L=|q|vB$$
Einsetzen:
$$F_L=2{,}0\cdot10^{-6}\,\mathrm C\cdot3{,}0\cdot10^4\,\mathrm{m/s}\cdot0{,}25\,\mathrm T$$
Damit erhältst du
$$F_L=0{,}015\,\mathrm N.$$
Die Kraft verändert zunächst die Bewegungsrichtung. Weil sie senkrecht zur Geschwindigkeit steht, verrichtet das statische Magnetfeld an der einzelnen Ladung keine Arbeit und ändert den Betrag ihrer Geschwindigkeit nicht.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Magnetisches Feld
- Nachweis durch Kraft, Ablenkung oder Ausrichtung
- Darstellung durch geschlossene Feldlinien
- Erzeugung durch Dauermagnete und bewegte Ladungen
- Orientierung außerhalb eines Magneten von Nord nach Süd
- Qualitativer Vergleich durch die Feldliniendichte
- Quantitative Beschreibung durch die Flussdichte $B$
- Kraft auf bewegte Ladungen durch die Lorentzkraft
Abschluss-Check
Prüfe dich zum Schluss: Kannst du ein Feld durch eine Wirkung nachweisen, ein geschlossenes Feldlinienbild zeichnen und erklären, warum Magnetpole nicht mit elektrischen Ladungen verwechselt werden dürfen? Wenn du zusätzlich die Winkelbedingung der Lorentzkraft begründen kannst, beherrschst du auch die Vertiefung.