Wenig bekannte Aspekte des Magnetismus

Die Bewegung und Wirkung von elektrischen Ladungen– also die Elektrizität 

ist ein Phänomen, welches bei den meisten zum Allgemeinwissen gehört. Dass eine sich bewegende, elektrische Ladung oder ein elektrischer Strom um sich herum immer ein Magnetfeld erzeugt, wissen nur wenige. Dass ein sich bewegendes Magnetfeld elektrische Ladungen verschiebt bzw. in Fluss bringt, wissen nur noch Fachleute. Und dass jeglicher Magnetismus, auch der permanente, durch sich bewegende elektrische Ladungen entstanden ist und entsteht, wissen nur noch Spezialisten. In Fachbüchern findet man Auskunft über die Gesetzmäßigkeiten von Magnetismus und Elektrizität. Die etablierte Wissenschaft hat alle Erkenntnisse akribisch analysiert, berechnet und systematisiert. Deshalb beschreibe ich im Folgenden nur einige Aspekte des Magnetismus, die wenig bekannt sind. 

Erster Aspekt: Magnetismus und Elektrizität

sind zwei Seiten ein und derselben Sache, die durch elektrische Ladungen und deren Bewegung verursacht werden. Sehr anschaulich demonstrierte Rowland bereits Ende des 19. Jahrhunderts diesen Zusammenhang mit einem Experiment: 

Zwei kreisrunde, gut isolierende Platten sind an den Rändern mit ringförmigen Metallfolien versehen. Diese werden kurzzeitig mit den Polen einer Stromquelle verbunden, so dass sie gleich große Ladungen entgegengesetzten Vorzeichens aufnehmen. Dreht man die Scheibe mit der positiven Ladung, wie es das Bild andeutet, dann hat man einen kreisförmigen Strom zu erwarten, der dieselbe Richtung hat wie die Ladung. Um das nachzuprüfen, hängt man zwischen die Platten ein astatisches Nadelpaar. Dieses wird in dem erwarteten Sinn abgelenkt. Rotiert nun auch noch die Scheibe, die die negative Ladung trägt, aber in entgegengesetztem Sinne wie die erste, so verdoppelt sich die Ablenkung der Nadeln. Die gleiche Wirkung kann man auch erzeugen, wenn man Ströme durch die ruhenden Metallfolien schickt. 

© Carl Niemann: Das Experiment von Rowland

Zweiter Aspekt: Wie sich Magnete verhalten

weiß jeder, woher sie ihre abstoßenden bzw. anziehenden Kräfte nehmen, nicht. Bei Permanentmagneten – ob einfaches Kühlschrankschild oder die Erde selbst – handelt es sich um Materie, welche unter dem Einfluss äußerer Magnetfelder magnetisiert wurde oder wird. Diese äußeren Felder aber entstanden in jedem Falle durch sich bewegende elektrische Ladungen. 

Bei elektrischen Magneten ist es einfach so, dass sich bewegende elektrische Ladungen das magnetische Feld verursachen. Bei der Erde handelt es sich um einen Magneten, welcher durch die Ladungen des Sonnenwindes hervorgerufen wird, die sich zur Erde hin und an ihr vorbei bewegen. Die Wissenschaft sagt zum Erdmagnetfeld etwas anderes, aber genau darum geht es in diesem Blog.

Mit dem sogenannten Stern-Gerlach-Experiment wurde bestätigt, dass die Kraftwirkung zwischen Magnetfeldern und Elektronen infolge des Elektronenspins existiert. Magnetismus ist also als fundamentale, naturgegebene Eigenschaft der Elementarteilchen von vornherein vorhanden.

Bei der Magnetisierung jeglicher Art geht es deshalb nicht darum, Magnetismus zu erzeugen, sondern darum bereits vorhandene magnetische Momente zu bündeln, zu ordnen und die magnetischen Momente möglichst parallele auszurichten. Magnetische Felder sind insofern vektoriell. Sie haben an jeden Punkt im Raum eine Richtung und einen Betrag. Dieser kann von 0 Tesla bei maximaler Unordnung bis über 100 Tesla bei völliger Parallelität erreichen. 

Infobox:  Die magnetische Flussdichte, oder einfach das Magnetfeld, ist die gerichtete Kraftwirkung des Magnetismus. Sie ist die Menge der magnetischen Kraft, die senkrecht durch eine bestimmte Fläche hindurchtritt.  Die Maßeinheit ist das Tesla (T): 1 T = 1 Vs/m². Sie beträgt:  · 0,000005 T beim Erdmagnetfeld in Deutschland  · 0,1 T bei üblichen Kleinmagneten  · 1,5 T bei den stärksten Permanentmagneten

Dritter Aspekt: Durch die Teilung von Magneten

jeglicher Art entstehen immer neue Magnete mit gleicher Kraftrichtung, sogenannte Dipole. Daraus wird ersichtlich, dass magnetische Einzelpole oder „Ladungen“ nicht existieren. Bei immer weiterer Teilung gelangt man schließlich bis zum kleinsten, nicht mehr teilbaren Element, dem Elektron oder dem Proton, welche nichts anderes darstellt als einen Minimagnet. Diese Protonen und Elektronen sind durch das Bestreben nach elektrostatischem Ladungsausgleich (= energieärmster Zustand) miteinander verbunden. In erster Linie bewirken die elektrostatischen Kräfte den Zusammenhalt der Atome und Moleküle jedes Stoffes, weil diese in Größenordnungen stärker sind als die magnetischen. Die wesentlich schwereren Protonen bilden deshalb die Mitte der Atome, den Kern, und die wesentlich leichteren Elektronen bewegen sich auf unterschiedlichen Kugelbahnen um diesen Kern herum. Durch gegenseitige Beeinflussung der Atome untereinander können die äußersten Elektronen außerhalb des eigenen Atomverbandes wirken und als freie Elektronen zwischen den Atomen umher schweben. Diese äußeren gebundenen und freien Elektronen bestimmen mit der Art ihrer Bewegung die magnetischen Eigenschaften aller Stoffe. Ein Elektron als fundamentaler Baustein der Materie besteht aus einer punktförmigen, negativ geladenen Masse, welche sich mit einer feststehenden Geschwindigkeit, dem Spin, um seine eigene Achse dreht und damit ein magnetisches Moment in Achsrichtung erzeugt. Ladung, Masse, magnetisches Moment und Spin sind Naturkonstanten. Gleiches gilt für ein Proton mit dem Unterschied der positiven Ladung, der wesentlich größeren Masse und dem wesentlich kleineren Magnetmomentes. 

Das magnetische Moment ist bezogen auf seine Achse mit Norden und Süden als Vektor vollständig beschrieben. Die Zuordnungen von Norden und Süden sind willkürliche Festlegungen, die sich als Kennzeichnung der Richtung so eingebürgert haben. Daraus folgt: Nur Nordmagnetismus, nur Südmagnetismus, eine dritte Richtung oder gar Mehrpoligkeit kann es nicht geben, weil Elektron bzw. Proton eben nur je eine Achse haben.

Vierter Aspekt: Die immer verwendete Terminologie der Pole 

hat sich zwar historisch begründet so eingebürgert, aber sie ist falsch. Es existieren keine Pole im Magnetfeld. Erzeugt man ein Magnetfeld mittels einer Spule ohne irgendeinen Kern innerhalb der Spule, einer sogenannten Luftspule, dann lassen sich Stärke und Richtung des so erzeugten Magnetismus messen. Pole kann man jedoch nicht feststellen. Das entspricht auch der mathematischen Beschreibung eines quellenfreien Feldes, dessen Vektoren sich auf geschlossenen Linien befinden, im einfachsten Fall auf Kreisen. 

Allerdings resultieren Kraft und Richtung der Magnetfelder aus den Mittelpunkten der von der Bewegung der Ladungen (Strom) umschlossenen Flächen. Insofern ist das Feld einerseits quellenfrei aber resultiert andererseits aus den sich bewegenden Ladungen. Insofern hat jedes Magnetfeld dieses als Ursache seiner Wirkung. Dieser Mittelpunkt ist nichts anderes als die summierte Wirkung der gesamten Querschnittsfläche der sich bewegenden, elektrischen Ladung, aber in jedem Falle kein Pol des Feldes. 

Was sind nun die sogenannten Pole? Bringt man einen Körper mit einer von Luft (oder Vakuum) verschiedenen Permeabilität in das Magnetfeld, so wirken die Vektoren des Feldes  außerhalb anders als innerhalb des Körpers. In Abhängigkeit von der Feldrichtung und Feldverteilung ergeben sich dann an der Oberfläche des Körpers Stellen, wo die Kraft aus dem Körper heraustritt und im Gegensatz dazu die Stellen, wo die Kraft in den Körper eintritt. Beide Stellen befinden sich an unterschiedlichen Punkten, im einfachsten, symmetrischen Falle befinden sie sich gegenüber. Die Mittelpunkte dieser Stellen nennt man Pole, den einen Nordpol und den anderen Südpol (zur Unterscheidung).