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Magnetismus

Magnetismus ist ein Überbegriff für sämtliche Erscheinungen, die auf magnetische Kräfte zurückgeführt werden. Historisch wurden magnetische Kräfte erstmals an Steinen aus der griechischen Stadt Magnesia beobachtet. Der Magnet bzw. der Magnetismus sind nach dieser griechischen Stadt Magnesia benannt. Der physikalische Hintergrund magnetischer und elektrischer Kräfte wurde erst im 19. Jahrhundert geklärt und 1864 von James Clerk Maxwell mit Hilfe der Maxwellgleichungen mathematisch formuliert.
Unter Magnetismus versteht man die physikalische Erscheinung magnetischer Kräfte. Bereits 500 vor Christus erkannten die Griechen elektrische und magnetische Anziehungs- und Abstoßungskräfte. So existieren Belege der Beobachtung von elektrischen Anziehungskräften zwischen Papierschnipseln und geriebenem Bernstein. Die hierbei wirkenden Kräfte entstehen durch die elektrostatische Aufladung des geriebenen Bernsteins. Thales von Milet beschrieb 500 v. Chr. im alten Griechenland die Kraftwirkungen von Steinen aus der Stadt Magnesia auf Eisenteilchen. Der Fundort bei Magnesia gab dem Phänomen des Magnetismus seinen Namen. Es wird sogar angenommen, dass die Chinesen bereits 800 v. Christus, 300 Jahre vor den griechisch dokumentierten Beobachtungen, die Kräfte des Magnetsteins erkannten. Um 1000 n. Christus wurde in China bereits ein erster primitiver Kompass entwickelt.
Viele Forscher beschäftigten sich seit der Renaissance (um 1500) mit dem Phänomen des Magnetismus. Dabei gab es oft Verwechslungen zwischen Magnetismus und Elektrizität. Umgekehrt bewerteten manche Forscher beide Phänomene als grundsätzlich unterschiedlich. Coulomb bestätigte 1785, dass es im Gegensatz zur Elektrizität unmöglich ist, einen Magneten in seinen Nord- und seinen Südpol zu trennen. Zerbricht man einen Permanentmagneten, so erhält man immer wieder kleinere Magnete mit je einem Nord- und einem Südpol.
1820 erkannte Oersted, dem der Unterschied zwischen Elektrizität und Magnetismus wohl bekannt war, den Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Kräften, als er die Ablenkung einer Kompassnadel durch einen stromdurchflossenen Draht entdeckte.
Eine vollständige Erklärung aller elektrischen und magnetischen Erscheinungen im physikalisch mathematisch exakten Sinne erfolgte erst 1864 durch den Physiker James Clerk Maxwell. Er schrieb die nach ihm benannten Maxwellgleichungen auf, welche die elektrischen und magnetischen Felder sowie die resultierenden Kräfte vollständig beschreiben. Die Grundgleichungen des Magnetismus sind zwei der vier Maxwellgleichungen, welche die Vektorfelder der magnetischen Flussdichte beschreiben.
Diese beiden zeitabhängigen Maxwellgleichungen für den Zusammenhang zwischen der magnetischen Flussdichte \(\vec{B}\) mit der Stromdichte \(\vec{j}\) und der Änderung der elektrischen Feldstärke \(\dot{\vec{E}}\) lauten:
\(\nabla\cdot\vec{B} = 0\)
und
\(\nabla{\times{\vec{B}}} =\mu_0\cdot\vec{j}+\frac1{c^2}\dot{\vec{E}}\).
Dabei treten die Permeabilitätskonstante des Vakuums \(\mu_0\), die Stromdichte \(\vec{j}\) und die Lichtgeschwindigkeit c auf.
Laut den Maxwellgleichungen gibt es nur geschlossene magnetische Feldlinien. Dies wird durch die Gleichung \(\nabla\cdot\vec{B} = 0\) beschrieben. Die Gleichung sagt aus, dass der "offene" Anteil der Feldlinien, das ist die sogenannte Divergenz des magnetischen Feldes, gleich Null ist. Mathematisch ist dies äquivalent dazu, dass es keine magnetischen Monopole, also Magnete mit nur einem Nord- oder nur einem Südpol gibt.
\(\nabla{\times{\vec{B}}} =\mu_0\cdot\vec{j}+\frac1{c^2}\dot{\vec{E}}\) sagt aus, dass geschlossene magnetische Feldlinien entweder von Strömen \(\vec{j}\) verursacht werden, also von bewegten Ladungen, oder allgemein von der Änderung eines elektrischen Feldes \(\dot{\vec{E}}\). Letzteres ist relevant für die Beschreibung elektromagnetische Wellen, welche sich als wechselseitig erzeugende elektrische und magnetische Schwingungen in den Raum ausbreiten. Die letztgenannte Gleichung erklärt die Beobachtung von Oersted: Die magnetische Kompassnadel ist selbst ein kleiner Permanentmagnet. Der stromdurchflossene Draht verursacht nun aber magnetische Feldlinien, die mit dem Magnetfeld der Kompassnadel wechselwirken und auf die Nadel eine Kraft ausüben.
Von Ladungen selbst gehen wiederum elektrische Kräfte aus. Dies beschreiben ebenfalls zwei Maxwellgleichungen:
\(\nabla\cdot\vec{E} = \frac\rho\epsilon_0\)
und
\(\nabla{\times{\vec{E}}}+\dot{\vec{B}} = 0\). Hierbei bezeichnet ρ die Ladungsdichte als wichtigste Quelle des elektrischen Feldes \(\vec{E}\). ε0 bezeichnet die Dielektrizitätskonstante des Vakuums. Geschlossene Feldlinien (Rotationen) des elektrischen Feldes \(\nabla{\times{\vec{E}}}\) werden analog zu geschlossenen magnetischen Feldlinien durch die Änderung des magnetischen Flusses \(\dot{\vec{B}}\) verursacht.
Eine klare Trennung von Elektrizität und Magnetismus und gleichzeitig die vereinheitlichte Beschreibung von Elektrizität und Magnetismus in der Physik wurde erstmalig durch die Maxwellgleichungen geleistet. Hier werden die Kräfte von Elektrizität und Magnetismus durch Felder, nämlich magnetische Felder und elektrische Felder, erklärt.
Die Abb. Zeigt schematisch das Magnetfeld eines Stroms I (links) (in den Maxwellgleichungen bezeichnet j die Stromdichte, also Strom auf Fläche bezogen). Das Magnetfeld umschließt den Leiter in geschlossenen Wirbeln. Entsprechend kommt das Magnetfeld einer Leiterschleife zu Stande (mitte). Viele Leiterschleifen zusammen (in „gestapelter“ Form) ergeben das Magnetfeld einer Spule. Dies ist identisch mit dem Magnetfeld eines Permanentmagneten (rechts). In einem Permanentmagneten bzw. grundsätzlich in magnetisiertem Material sind die Elektronenspins parallel ausgerichtet. Dies ist äquivalent zu vielen Kreisströmen mit untereinander parallel ausgerichteten zugehörigen magnetischen Momenten. Das äußere Magnetfeld kommt dann durch die Überlagerung der Beiträge aller elementaren magnetischen Momente zu Stande.
Heute spricht man von der Theorie des Elektromagnetismus. Die Theorie zeitlich veränderlicher Felder der Elektrizität und des Magnetismus wird als Elektrodynamik bezeichnet. In der Elektrodynamik werden also Magnetismus und Elektrizität vollständig behandelt.
Durch sogenannte "Materialparameter" wie die magnetische Permeabilität μ, wird die Wirkung magnetischer Felder auf Materie beschrieben. Dies kann ebenfalls über die Maxwellgleichungen berechnet werden. Dazu muss man noch Effekte wie Magnetisierung und elektrische Polarisation in die Gleichungen einbauen. Heute sind vor allem eine zunehmende Genauigkeit bei der Bestimmung der Materialparameter und die Behandlung von Quantenobjekten in der Quantenelektrodynamik zur klassischen Elektrodynamik hinzugekommen und aktuelle Forschungsgebiete.
2007 wurde die Entdeckung des sogenannten Riesenmagnetwiderstandes durch den Physiker Grünberg mit dem Nobelpreis gewürdigt.

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