Kräfte im Magnetfeld

Nordlichter Botschaften der Ahnen? Spuren eines hin und her geworfenen Walrossschädels? Es dauerte bis ins achtzehnte Jahrhundert, bis man wusste, dass das Magnetfeld der Erde für sie verantwortlich ist. Im Wesentlichen geht es dabei um "Kräfte im Magnetfeld". Und das klingt simpler, als es ist. Im Magnetfeld wirken nämlich ZWEIERLEI Arten von Kräften. Solche auf "magnetisierbare oder magnetisierte Körper", wie Magnetnadeln, Eisenfeilspäne oder Magneten. Und solche auf BEWEGTE elektrische Ladungen. Und damit ist das Magnetfeld schon ein sehr spezielles Feld. Um das zu verdeutlichen, vergleichen wir es am besten mit den Feldern, die du schon kennst: dem Gravitationsfeld und dem elektrischen Feld. In diesen beiden Feldern gibt es eine bestimmte felderzeugende Eigenschaft, die die Umgebung des felderzeugenden Körpers so beeinflusst, dass Kräfte auf andere sogenannte Probekörper wirken. Im Gravitationsfeld ist die felderzeugende Eigenschaft die Masse des Zentralkörpers, groß M, und die Eigenschaft des Probekörpers ebenfalls seine Masse klein m. Üblicherweise ist die Probemasse so klein, dass ihr eigenes Gravitationsfeld vernachlässigt werden kann. Das elektrische Feld wird durch eine "positive oder negative Ladung groß Q erzeugt" und wirkt auf Probeladungen mit derselben Eigenschaft. Und diese Kräfte sind anziehend und abstoßend, beim elektrischen Feld, oder nur anziehend, beim Gravitationsfeld. In jedem Fall wirken sie parallel zu den Feldlinien des Feldes. Die Kraft an einem bestimmten Punkt x dieser Umgebung ist proportional zur Masse m bzw. zur Ladung q des Probekörpers. Daher definieren wir die Stärke des Feldes, die sogenannte Feldstärke, "an einem festen Punkt x" als Quotient aus der dort wirkenden Kraft F und der Probemasse m bzw. Probeladung q. Das geht beim Magnetfeld schon mal nicht. Auf den ersten Blick sieht das bekannte Feldlinienbild eines Stabmagneten oder auch das einer stromdurchflossenen Spule zwar so aus wie das zweier gegenüberliegender entgegengesetzter elektrischer Ladungen. Aber es gibt einen entscheidenden Unterschied: Die elektrischen Feldlinien laufen jeweils von einer Ladung –definitionsgemäß der positiven – zur anderen. Sie beginnen in der einen Ladung und enden in der anderen. Du kannst sogar das Feldlinienbild einer einzelnen elektrischen Ladung, eines sogenannten Monopols, betrachten. Hast du schon einmal das Feldlinienbild eines einzelnen Nordpols gesehen? Genau. Das gibt es nicht. Die Magnetfeldlinien beginnen oder enden nirgendwo. Sie sind in sich geschlossene Kurven. Sie gehen durch den Stabmagneten (oder die Spule) hindurch. Außerhalb des Magneten (oder der Spule) vom Nordpol zum Südpol, innerhalb des Magneten (oder der Spule) vom Südpol zum Nordpol. Es gibt also keine magnetischen Monopole. Magnete sind immer Dipole. Jetzt haben wir Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Felder gesammelt und können nun die Kräfte im Magnetfeld genauer betrachten. Zunächst eine erstaunliche Aussage: ENTLANG der Feldlinien wird keine anziehende oder abstoßende Kraft ausgeübt. Hä? "Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an, Safe wird entlang der Feldlinien eine anziehende oder abstoßende Kraft ausgeübt", wirst du jetzt denken. Ganz genau betrachtet, richten sich Eisenfeilspäne oder Magnetnadeln nur parallel zu den Feldlinien AUS. Bei inhomogenen Feldern (und an den Polen ist das Feld des Stabmagneten extrem inhomogen) wird ein magnetisierbarer oder bereits magnetisierter Körper in Richtung der größeren Feldliniendichte gezogen. Auf diese Weise kommt der Effekt der Anziehung und Abstoßung zweier Magneten zustande. Nun wirken Magnetfelder ja nicht nur auf magnetisierbare oder magnetisierte Körper, sondern auch auf bewegte elektrische Ladungen! Die Kraft, die in einem Magnetfeld auf eine bewegte elektrische Ladung wirkt, heißt Lorentzkraft, benannt nach dem niederländischen Physiker Hendrik Anton Lorentz. Sie wirkt nicht entlang der Feldlinien, sondern SENKRECHT zu ihnen (und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung). Vielleicht erinnerst du dich noch an die Drei-Finger-Regel. Die linke Hand, wie hier, nimmst du, wenn es um die Bewegung NEGATIVER Ladungen geht, wie zum Beispiel Elektronen in einem ganz normalen Stromkreis, die rechte für POSITIVE Ladungsträger. Der Daumen zeigt in die Bewegungsrichtung der Ladungsträger, der Zeigefinger in Richtung des Magnetfeldes (vom Nord- zum Südpol). Dann zeigt der abgespreizte Mittelfinger die Richtung der Lorentzkraft an. In einem stromdurchflossenen Leiter sind nun sehr viele Elektronen unterwegs, auf die die Lorentzkraft wirkt. Auf diesem Bild siehst du eine sogenannte Laplace-Schiene. Das Verbindungsstück ist frei beweglich und liegt im Magnetfeld, dessen Richtung der blaue Pfeil anzeigt. Fließt nun ein Strom hindurch, so rollt es in Richtung der Lorentzkraft. Probier die Drei-Finger-Regel ruhig einmal aus. (Pausenbutton). Dieses relativ schlichte Experiment zeigt also, dass sich aufgrund der Lorentzkraft tatsächlich etwas BEWEGT. Diese Bewegung ist abhängig von der Stärke des Magnetfeldes. Damit können wir die Stärke des Magnetfeldes definieren. Wirkt auf einen von einem Strom der Stärke I durchflossenen Leiter, der mit der Länge ell in einem Magnetfeld ist, die Kraft F, so ist die Stärke B des Magnetfeldes definiert durch: B ist gleich F durch I mal l (ell). Die Größe B heißt magnetische Flussdichte. Sie wird in der Schule meist als Gegenstück zur Gravitationsfeldstärke oder elektrischen Feldstärke verwendet. Damit können wir berechnen, wie sich ein Magnetfeld auf bewegte Ladungsträger auswirkt und eine Bewegung des gesamten Leiters herbeiführen kann. Die Einheit der magnetischen Flussdichte ist ein TESLA, benannt nach dem Physiker, Erfinder und Elektroingenieur Nikola Tesla, der auch heute noch den einen oder anderen Bewunderer hat. Es gilt: Ein Tesla gleich ein Newton pro Ampere mal Meter. Und wir bewundern unser Werk und fassen zusammen. Im Gegensatz zum Gravitationsfeld und elektrischen Feld sind die Feldlinien des Magnetfeldes stets geschlossen. Es gibt keine magnetischen Monopole. Magnetisierbare und magnetisierte Körper richten sich entlang der magnetischen Feldlinien aus und werden in inhomogenen Feldern in Richtung der höchsten Feldstärke gezogen. Für das Nordlicht verantwortlich ist die Lorentzkraft, die in einem Magnetfeld auf bewegte Ladungen wirkt. Die bewegten Ladungsträger sind hier geladene Teilchen, die von der Sonne her auf die Erde einstürmen und vor denen die Lorentzkraft uns schützt. Die Botschaft des Nordlichts ist klar: Schutzschild aktiv.