Elektrizität und Magnetismus sind eng miteinander verknüpft. Bei dieser Sendung wird vor allem die magnetische Wirkung von elektrischem Strom behandelt. Aber auch das Phänomen des Dauermagnetismus hat mit den elektrischen Eigenschaften von Atomen zu tun. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:
Das Herzstück eines Kompass
ist eine frei drehbar gelagerte Magnetnadel, die sich im Magnetfeld der Erde in
Nord-Südrichtung ausrichtet. Das Ende, das zum geografischen Nordpol zeigt, wird
als (magnetischer) Nordpol bezeichnet, das andere Ende entsprechend als Südpol.
Als Farbmarkierung
sind im deutschsprachigen Raum die Farben rot für Nordpol und grün für Südpol
sehr einprägsam. Als Konsequenz dieser Definition der Magnetpole ergibt sich,
dass beim geografischen Nordpol
der Erde ein magnetischer Südpol liegen muss, denn der Nordpol der
Magnetnadel wird von einem ungleichnamigen Pol angezogen. Das Magnetfeld der
Erde ist zwar seit vielen Jahrtausenden gleichgerichtet, aber dies war nicht
immer so. Aus magnetischen Untersuchungen erstarrter Lava in der atlantischen
Bruchzone bei Island lässt sich ermitteln, dass die Magnetfeldrichtung der
Erde in unregelmäßigen Zeitabständen immer wieder wechselt.
Bei magnetischen
Materialien unterscheidet man Eisenkerne bzw. Weicheisenstücke und Dauermagnete
bzw. hartmagnetische Materialien. Dauermagnete
ziehen Gegenstände aus Eisen an, nicht aber viele andere Metalle wie Messing,
Kupfer, Alu oder Gold. Ein Eisenkern
alleine zeigt keine magnetische Wirkung. Erst in der Nähe eines Dauermagneten
wird das "weichmagnetische" Material zu einem starken Magneten, das Büroklammern
aus Eisen anziehen kann. Dabei werden auch diese magnetisiert und sie ziehen
weitere Klammern an. Dieses Phänomen nennt man magnetische Influenz.
Ein Dauermagnet in Stabform
hat seine größte Kraftwirkung an den Enden, also an den Polen. In der Mitte
dagegen heben sich die Kraftwirkungen der beiden Pole gegenseitig auf. Mit einem
Stapel von wechselweise abstoßenden Magnetringen,
kann auf die Abnahme der magnetischen Kraftwirkung mit dem Abstand geschlossen
werden. Die Ringe werden von oben nach unten nummeriert. Obwohl der dritte Ring
doppelt so viel Gewicht trägt wie der zweite ist der Abstand des dritten Rings
vom zweiten größer als die Hälfte des Abstands des zweiten Rings vom obersten.
In der Nähe eines Stabmagneten orientieren sich Magnetnadeln vom Nord- zum
Südpol und markieren so eine sogenannte Feldlinie.
Auch für das Magnetfeld der Erde lassen sich mit einer Magnetsonde Feldlinien
finden. Diese verlaufen keineswegs parallel zur Erdoberfläche, sondern schließen
je nach Ort auf der Erde unterschiedliche Inklinationswinkel
mit der Waagrechten ein.
Das magnetische Feld eines Stabmagneten
wird mit einer Anordnung vieler Magnetnadeln gezeigt. Mit einer Aufschwemmung
von Eisenpartikeln in einer Spezialflüssigkeit lässt sich das Magnetfeld eines
Stabmagneten sogar dreidimensional
darstellen. Den Spezialfall eines homogenen Feldes mit parallelen Feldlinien
erhält man u.a. mit einem Hufeisenmagneten.
Der dänische Physiker Oersted
entdeckte, dass eine Magnetnadel unter einem in Nord-Südrichtung liegenden
elektrischen Leiter etwas in Ost-West-Richtung dreht, dass also das Magnetfeld
der Erde vom Magnetfeld des Leiters überlagert wird. Das Magnetfeld
eines geraden Leiters zeigt geschlossene konzentrische Kreise, die innen
dichter, außen weniger dicht liegen. Es ist wichtig, dass Sie hier erkennen,
dass der Magnetismus von Strömen keine magnetischen Pole bildet! Windet man
einen Leiter zu einer Spule, dann werden die Magnetfelder der Leiterstücke zum
Magnetfeld
einer Spule aufgewickelt. Im Innern der Spule ergibt sich ein verstärktes,
nahezu homogenes Feld, im Außenbereich schließen sich die Feldlinien. Wiederum
bilden sich keine Nord- oder Südpole aus. In Analogie zum Stabmagneten definiert
man dennoch in künstlicher Weise die Pole einer Spule, indem man nur das
Außenfeld betrachtet. Die Öffnung, aus der die Feldlinien nach außen laufen,
wird als Nordpol, die Öffnung, in die Feldlinien nach innen laufen, als Südpol
bezeichnet.
Mit einem Messgerät für magnetische Feldstärke, einem
sogenannten Teslameter,
wird die Abhängigkeit der magnetischen Wirkung einer Spule von ihren Baugrößen
untersucht. Die magnetische
Feldstärke ist proportional zur Stromstärke und zum Quotienten aus
Windungszahl und Länge der Spule.
Das extrem starke Magnetfeld der supraleitenden Spule einer Kernspinröhre
wird für die Kernspintomographie
benötigt. Damit können Teile des menschlichen Körpers schichtweise sichtbar
gemacht werden, um z.B. krankhafte Veränderungen genau zu lokalisieren.
Es
gibt noch viele weitere Anwendungen des Elektromagnetismus: Bei einem Relais
schaltet ein erster Stromkreis über einen Elektromagneten den Schalter eines
zweiten Stromkreises. Beide Kreise haben dabei keine elektrische Verbindung, so
dass z.B. mit einer ungefährlichen Niederspannung eine Hochspannung geschaltet
werden kann. Man kann auch den zweiten Stromkreis genau dann eingeschalten, wenn
der Relaiskreis geöffnet wird. Bei einem Elektromotor
dreht sich ein drehbar gelagerter Elektromagneten im Magnetfeld eines
Dauermagneten. Nach jeweils einer Halbdrehung muss der Strom mit Hilfe eines
"Kommutators" in der Ankerspule umgepolt werden, damit eine kontinuierliche
Rotation erreicht wird. Ein elektrische Haltemagnet
verblüfft bereits bei kleinen Spannungen und Strömen durch seine sehr große
Haltekraft. Außerdem kann man einen Elektromagneten im Gegensatz zu einem
Dauermagneten ein- und ausschalten.
Die magnetische Eigenschaft von Eisen
erklärt sich aus der Orientierung der sogenannten Spins der Elektronen in den
Nebenschalen. Beim besonders starken Ferromagnetismus kommt noch dazu, dass sich
die magnetischen Momente von Einzelatomen in kleinen Bereichen, den magnetischen
Domänen, gleichrichten. Bei einem unmagnetisch wirkenden Weicheisen sind die
Orientierungen der Domänen beliebig in alle möglichen Richtungen verteilt, so
dass sich die magnetischen Effekte insgesamt aufheben. Im starken äußeren Feld
eines Dauermagneten oder eines Elektromagneten richten sich viele Domänen gleich
aus und bewirken so eine Verstärkung des Feldes. Die magnetischen Eigenschaften
von Materialien sind noch immer ein interessantes Gebiet für aktuelle
Forschungen.