Magnetismus A - Z

Feldlinien

Feldlinien sind gedachte Linien, die den Verlauf eines Magnetfeldes darstellen. Dabei werden die Feldlinien um so dichter gezeichnet, je stärker das Magnetfeld ist. Man kann an die Feldlinien auch eine Pfeilspitze zeichnen, die dann vom Nordpol zum Südpol des Magneten zeigt. Eisenpulver ordnet sich entlang der Feldlinien in linienförmigen Strukturen in einem Magnetfeld an. So können die Feldlinien eines Magnetfeldes im Experiment sichtbar gemacht werden.
Magnetische Feldlinien veranschaulichen das Magnetfeld. Sie haben jedoch auch eine echte physikalische Bedeutung, weil durch die Dichte der Feldlinien die Stärke der magnetischen Kräfte und durch die Richtung der Feldlinien die Richtung der magnetischen Kräfte angezeigt wird. Streut man Eisenpulver auf ein Blatt Papier, unter dem sich ein Magnet befindet, so ordnen sich die Eisenkörnchen in linienförmigen Strukturen an und scheinen die magnetischen Feldlinien direkt abzuzeichnen.
Links ist das experimentelle Ergebnis gezeigt, wenn Eisenpulver auf ein Blatt Papier gestreut wird, unter dem sich ein Stabmagnet befindet. Das Eisenpulver scheint sich dabei entlang der Magnetfeldlinien anzuordnen. Rechts ist schematisch der Verlauf der Feldlinien eines Stabmagneten mit der festgelegten Richtung vom Nord- (rot) zum Südpol (grün) angedeutet.
Die Feldlinien laufen immer vom Nordpol zum Südpol eines Magneten. Die Feldlinien enden allerdings nicht am Südpol, sondern laufen im Innenraum des Magneten durch das Material zurück zum Nordpol.
Der Grund hierfür ist, dass es keine Quellen oder Senken des Magnetfeldes gibt. Es gibt also keinen Stoff, aus dem magnetische Feldlinien herauslaufen ohne wieder hineinzulaufen und umgekehrt. Dies ist physikalisch so zu verstehen, dass es keine magnetischen Ladungen gibt wie beispielsweise eine positive oder eine negative elektrische Ladung. Nur von diesen Quellen aus würden Feldlinien geradlinig verlaufen.
Von einer elektrischen Ladung gehen die Feldlinien des elektrischen Feldes E als sogenanntes "Igelfeld" geradlinig aus (links). Die magnetische Flussdichte B bildet dagegen immer geschlossene Feldlinien (rechts). Das elektrische und das magnetische Feld füllen den gesamten Raum aus. Die Abbildung zeigt nur schematisch einige wenige Feldlinien zur Andeutung des Unterschiedes zwischen elektrischen und magnetischen Feldern.
Grundsätzlich sind die Feldlinien des Magnetfeldes immer geschlossene Linien ohne Anfang und Ende, weil das Magnetfeld, wie durch die Maxwellgleichungen mathematisch beschrieben, ein Wirbelfeld ist. Aus den Maxwellgleichungen folgt unmittelbar, dass alle gedachten Linien entlang des Magnetfeldes geschlossen sind, weil es keine einzelnen magnetischen Ladungen gibt.
Feldlinien sind relevant bei Überlegungen zur Kraftwirkung von Magneten.
Veranschaulicht man diese Kraftwirkung durch die Feldlinien, so gilt, dass die Kraft eines Magneten auf einen winzigen Probemagneten tangential zu den Feldlinien wirkt. Außerdem ist die Stärke der Kraft proportional zur Dichte der Feldlinien im Bereich des Probekörpers. Konstruiert man geometrisch die Feldlinien und betrachtet deren Dichte so kann mit Hilfe der Feldlinien die Kraft des Magneten für bestimmte Abstände von einem Probemagneten oder einem ferromagnetischen Material abgeschätzt werden. Umgekehrt kann man sich den Verlauf der Feldlinien aus den Kraft- und Energiesätzen der Physik überlegen.
Bringt man den Nordpol eines Magneten in die Nähe eines ferromagnetischen Materials (z.B. Eisen), so dringen die Feldlinien in dieses Material ein. Dies muss so sein, da auch das Eisen magnetisiert wird. Das Eisen richtet dem Nordpol des Magneten seinen durch Magnetisierung entstandenen Südpol entgegen, so dass die Feldlinien des Nordpols des Magneten direkt zum Südpol des magnetisierten Eisens zeigen. Auf der Rückseite des Eisenkörpers oder, allgemeiner gesprochen, von dem Bereich des Nordpols des magnetisierten Eisens ausgehend, verlaufen die Feldlinien dann zurück zum Südpol des Magneten.
Dabei ist die Richtung der Feldlinien, also die Festlegung dass diese vom Nordpol zum Südpol laufen und nicht umgekehrt eine physikalische Konvention. Es ist lediglich wissenschaftlich zu begründen, dass es zwei Pole geben muss. Welcher davon der Nordpol und welcher der Südpol ist, wurde einfach festgelegt.
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Der Nachweis der Feldlinien durch den käuflichen Flux-Detektor findet Anwendung unter Bösewicht mit Gigahertz und Modellversuch magnetische Datenspeicher.

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