Wie Magnetfelder funktionieren: Pole, Feldlinien und Kompasse

Pole und die beiden einfachen Regeln

Jeder gewöhnliche Magnet hat zwei Enden, an denen die Anziehung am stärksten ist. Wir nennen sie den Nordpol und den Südpol. Wenn du einen Stabmagneten in der Mitte durchschneidest, bekommst du nicht ein Stück mit Nordpol und eines mit Südpol. Du erhältst zwei kleinere Magnete, von denen jeder ein eigenes Polenpaar hat.

Für die Kräfte zwischen den Polen gilt eine einfache Regel: Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige Pole ziehen sich an. Zwei Nordpole stoßen sich ab, zwei Südpole stoßen sich ab, und ein Nordpol wird zu einem Südpol gezogen.

Deshalb kann ein Magnet sowohl anziehen als auch abstoßen – etwas, das die Schwerkraft niemals tut. Das erklärt auch, warum die Pole immer paarweise vorkommen: Ein Magnet ist ein Dipol.

Was ein Magnetfeld ist.

Ein Magnet verändert den Raum um sich herum. An jedem Punkt gibt es ein Magnetfeld, das mit B bezeichnet wird und sowohl eine Festigkeit als auch eine Richtung hat. Wir messen es in Tesla (T). Ein Kühlschrankmagnet erzeugt in der Nähe seiner Oberfläche einige Tausendstel Tesla. Das Magnetfeld der Erde beträgt am Boden nur etwa fünfzig Millionstel Tesla.

Ein anderer Magnet oder ein Stück Eisen, das sich in diesem Raum befindet, erfährt eine Kraft, weil dort ein Magnetfeld vorhanden ist. Das Magnetfeld überträgt die Wechselwirkung über den Abstand. Das ist eine stärkere Vorstellung als „die Magnete ziehen aneinander“, denn sie gilt auch dann, wenn du den zweiten Magneten entfernst: Das Magnetfeld ist weiterhin da.

Das Ablesen von Feldlinien

Wir können ein Feld nicht sehen, deshalb zeichnen wir Feldlinien. Ein paar Regeln machen sie leicht verständlich:

• Die Linie zeigt an jedem Punkt die Richtung, in die das Feld dort zeigt,
• die Linien treten am Nordpol aus und am Südpol ein, und
• eng beieinanderliegende Linien bedeuten ein stärkeres Feld, während weit auseinanderliegende Linien ein schwächeres Feld bedeuten.

Streue Eisenspäne auf ein Blatt Papier über einen Stabmagneten. Jede winzige Feilspanne wird dabei zu einem kleinen Magneten, der sich am Feld ausrichtet. Die Späne sammeln sich in demselben gekrümmten Muster, das auch die Zeichnungen zeigen: nahe den Polen dicht und weiter entfernt dünn verteilt. Feldlinien kreuzen sich nie, weil das Feld an einem Punkt nur in eine Richtung zeigen kann.

Kompasse lesen das Feld

Eine Kompassnadel ist ein kleiner Magnet, der sich frei drehen kann. Ihr Nordende schwingt so, dass es entlang des örtlichen Feldes zeigt. Dadurch kann ein Kompass die Feldrichtung erkennen, und du kannst ein Feld Punkt für Punkt kartieren. Weit entfernt von anderen Magneten ist das Feld, das die Kompassnadel spürt, das der Erde. Deshalb richtet sie sich ungefähr nach geografisch Norden aus. Da sich entgegengesetzte Pole anziehen, verhält sich der Teil der Erde in der Nähe des geografischen Nordpols wie ein magnetischer Südpol.

Warum das Feld so schnell schwächer wird

Weit entfernt von einem kleinen Magneten nimmt das Feld nach 1 / r³ ab, wobei r die Entfernung von seinem Mittelpunkt ist. Verdoppelst du die Entfernung, schrumpft das Feld auf ein Achtel. Verdreifachst du sie, beträgt es nur noch ein Siebenundzwanzigstel.

Der Grund ist die Dipolstruktur. Ein Magnet hat einen Nord- und einen Südpol, die nahe beieinanderliegen. Aus großer Entfernung heben sich ihre Wirkungen teilweise auf. Vergleiche das mit der einfacheren Regel 1 / r² für eine einzelne, isolierte Quelle. Ein Dipol hat keine einzelne Quelle, der man folgen kann, deshalb nimmt der verbleibende Effekt schneller ab.

Deshalb kann ein starker Magnet einen Nagel aus wenigen Millimetern Entfernung anheben, hat aber aus einem Meter Entfernung keine Wirkung mehr. Die Simulation zeigt das als ein Feld, das schnell dünner wird, sobald du deine Sonde wegbewegst.

Felder addieren und neutrale Punkte

Wenn zwei Magnete nahe beieinander liegen, addieren sich ihre Felder als Vektoren – Punkt für Punkt. Das nennt man Superposition. Zeigen zwei Felder in dieselbe Richtung, verstärken sie sich. Zeigen sie mit gleicher Größe in entgegengesetzte Richtungen, heben sie sich auf.

Eine Stelle, an der das Gesamtfeld genau null ist, nennt man Neutralpunkt. Ein Kompass, der dort liegt, hat keine bevorzugte Richtung, sodass sich die Nadel in jeder beliebigen Ausrichtung einpendeln kann. Du kannst solche Stellen finden, indem du zwei gleichnamige Pole aufeinander richtest: Die Felder drücken gegeneinander, und irgendwo zwischen den Magneten gleichen sie sich aus.

Häufige Missverständnisse

• „Magnete ziehen alles Metallische an.“ Nur wenige Materialien, vor allem Eisen, Nickel und Kobalt, reagieren stark. Aluminiumdosen und Kupfermünzen bleiben nicht haften.
• „Ein Kompass zeigt auf einen Pol des Magneten, in dessen Nähe er sich befindet.“ Er richtet sich entlang des örtlichen Feldes aus, das gekrümmt ist. In der Nähe eines Magneten zeigt er möglicherweise weit am nächstgelegenen Pol vorbei.
• „Feldlinien sind echte Fäden.“ Sie sind ein Hilfsmittel zum Zeichnen. Das Feld existiert überall, nicht nur entlang der Linien.
• „Der Nordpol der Erde ist ein magnetischer Nordpol.“ In der Magnetlehre ist er das Gegenteil, wie die obige Kompasslogik zeigt.

So können Sie dies im Labor untersuchen.

Im Field Lab kannst du Magnete platzieren, Sonden verschieben und das 3D-Feld sehen. Eine empfohlene Reihenfolge durch die erste kostenlose Welt:

1. Teste die Regel von Abstoßung und Anziehung in Pole und Kräfte.
2. Zeichne das Unsichtbare mit Feldlinien und Eisenfeilspänen.
3. Sieh in Der Kompass und das Erdmagnetfeld, warum eine Nadel schwingt.
4. Miss die Abnahme in Felder werden schnell schwächer und suche dann in Neutrale Punkte nach Stellen mit Feldstärke null.

Das Labor ist ein vereinfachtes Lehrmodell mit idealisierten Magneten. Daher sind die Formen sauberer als die unregelmäßigen Felder echter, ungleichmäßiger Magnete. Die Ideen lassen sich trotzdem übertragen.