Magnetisches Feld

Magnetisches Feld, ein physikalisches Objekt, dessen Existenz von James C. Maxwell zur Erklärung der elektromagnetischen Phänomene postuliert wurde.

Im Unterschied zum elektrischen Feld wird das magnetische an jedem Punkt des Raumes durch einen axialen (und nicht polaren) Vektor (einen antisymmetrischen Tensor zweiter Stufe) beschrieben.

Ein magnetisches Feld lässt sich künstlich erzeugen, indem man Strom durch eine Spule fließen lässt (Elektromagnet), oder durch ein magnetisiertes Metallstück (Permanentmagnet). Das Magnetfeld kann man auf folgende Weise sichtbar machen: Verstreut man Eisenfeilspäne, so werden die Späne magnetisiert und richten sich entlang des Feldvektors aus; dadurch werden Linien erkennbar, die so genannten Feldlinien, die stets parallel zum Feldvektor liegen. Im Gegensatz zu den Feldlinien des elektrischen Feldes, die von Ladung zu Ladung verlaufen, sind die magnetischen Feldlinien geschlossen; sie laufen vom Nordpol eines Magneten im großen Bogen zum Südpol, und dann im Inneren des Magneten weiter vom Südpol zum Nordpol.

Die Erde verhält sich wie ein gigantischer Magnet; ihr Magnetfeld kann beobachtet werden, indem man einen kleinen Magneten drehbar aufhängt. Der Magnet richtet sich dann parallel zum Feldvektor aus. Der magnetische Südpol der Erde liegt in der Nähe des geographischen Nordpols; die Feldlinien zeigen daher (ungefähr) nach Norden. Dies ist das Funktionsprinzip des Kompasses.

Ein geladenes Teilchen erfährt im magnetischen Feld die Lorentzkraft K = qv×B, wobei K die Kraft ist, q die Ladung, v die Geschwindigkeit und B der magnetische Feldvektor. Eine Ladung wird also interessanterweise nicht in Richtung des Magnetfeldes beschleunigt, sondern senkrecht dazu. In einem homogenen Magnetfeld bewegt sich eine einzelne Ladung auf einer Schraubenlinie (Korkenzieherbahn) um die Feldlinien herum. Anders bei Magneten – genauer gesagt, magnetischen Punktdipolen (siehe magnetisches Moment): Sie erfahren nur in einem inhomogenen (ungleichmäßigen) Magnetfeld eine Kraft, und zwar in die Richtung, in der der Anteil des Feldvektors parallel zum magnetischen Moment am stärksten zunimmt. Diese Kraft wird z. B. beim Stern-Gerlach-Versuch genutzt. Außerdem übt das Magnetfeld, auch das homogene, ein Drehmoment auf den magnetischen Dipol aus; dies ist verantwortlich dafür, dass sich magnetische Dipole parallel zum Magnetfeld ausrichten, wenn es stark genug ist, oder eine Drehschwingung um das Magnetfeld ausführen.

Die Maßeinheit des Magnetfeldes ist Volt mal Sekunde pro Quadratmeter oder kurz 1 Ts = 1 Tesla (nach Nikola Tesla). Ein Tesla ist bereits ein sehr starkes Magnetfeld; große, supraleitende Elektromagnete erzeugen im Dauerbetrieb Felder von etwa 10 bis 20 Tesla. Mit einer Feldstärke von 34 000 Tesla schufen britische Forscher Anfang 2002 das bislang stärkste, künstlich erzeugte Magnetfeld. Zum Vergleich: Das Magnetfeld der Erde erreicht an der Erdoberfläche eine Stärke von 10^-5 Tesla, das der Sonne im Durchschnitt 10^-4 Tesla. Die stärksten Magnetfelder im Universum erreichen so genannte Magnetare (bis zu 10¹¹ Tesla).

Siehe auch Stern