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Physik – Magnetische Felder

Typen von magnetischen Feldern

Ein magnetisches Feld ist ein Kraftfeld, das bewegte Ladungen beeinflussen kann. Genauso wie ein Körper auf der Erde durch die Schwerkraft "nach unten" gezogen wird, erfährt eine bewegte elektrische Ladung in einem magnetischen Feld eine senkrecht zur magnetischen Feldrichtung weisende Kraft. Man bezeichnet diese Kraft „Lorentzkraft“. Ruhende Ladungen werden von Magnetfeldern nicht beeinflusst. Magnetfelder beobachtet man überall dort wo Strom fliesst. Entsprechend kann man drei Typen von durch Ströme bewirkte Magnetfelder unterscheiden:

Gleichfelder, Wechselfelder und Impulsfelder

Gleichfelder (oder statische Magnetfelder) kommen durch Gleichstrom zustande. Wechselfelder werden durch Wechselstrom oder durch Hochfrequenzgeneratoren erzeugt. Impulsfelder beobachtet man bei kurzzeitigen Entladungsvorgängen (Blitze, Funken). Magnetische Gleichfelder besitzen, solange der das Magnetfeld verursachende Strom fliesst, eine konstante Grösse. Bei sich zeitlich verändernder Stromstärke (etwa Wechselstrom), variiert die Stärke des Magnetfeldes entsprechend der sich verändernden Ströme.

Magnetfeld eines Stromdurchflossenen Leiters. Quelle: FSM
Magnetfeldlinien zweier Stabmagnete. Quelle: wikimedia commons

Die magnetischen Feldlinien liegen ringförmig in einer Ebene, die senkrecht auf dem Pfad der sich bewegenden Ladung steht. Der typische Fall ist ein stromdurchflossener Leiter. (Figur rechts; technische Stromrichtung). Magnetische Feldlinien sind immer geschlossene Kurven. Der Grund ist, dass es - im Unterschied zu elektrischen Feldern, welche durch Ladungsmonopole (positive oder negative) aufgespannt werden - keine magnetischen "Monopole" gibt.  Feldlinien ohne Anfangsort (Quelle) und Endpunkt (Senke) bezeichnet man als Wirbel. Magnetfelder sind (quellenfreie) Wirbelfelder (dagegen sind elektrische Felder stets wirbelfrei, denn ihre Feldlinien entspringen Ladungen und enden in Ladungen  - Ausnahme: elektrische Wirbelfelder, siehe "Typen von elektrischen Feldern").

Beispiel Permanentmagnet (siehe auch "natürliche und technisch erzeugte Magnetfelder"): In einem Permanentmagnet sind, durch natürliche Bedingungen oder technische Produktionsprozesse verursacht, die Atome im Eisen räumlich "gleich" ausgerichtet, so dass die durch die elektrischen Ströme dieser Atome (die Elektronenbewegungen um die Atomkerne herum) aufgebauten Magnetfelder in ihrer Summe ein statisches magnetisches Feld mit Plus- und Minuspol ausbilden. Die zwei Pole gehören zusammen wie siamesische Zwillinge. Ohne Pluspol gäbe es auch keinen Minuspol. Die magnetischen Feldlinien durchdringen und umgeben den Magneten und dessen Pole in geschlossenen Kurven. Wie bei elektrostatischen Ladungen üben auch bei statischen Magneten ungleichartige Pole eine anziehende, gleichartige Pole eine abstossende Kraft aufeinander aus, was mit Feldlinien veranschaulicht werden kann (Figur rechts).

Wirbelfelder

Magnetisches Wirbelfeld. Quelle: FSM

Sodann gibt es auch Magnetfelder, die nicht durch elektrische Ströme gebildet werden, sondern durch sich verändernde elektrische Felder: man nennt sie magnetische Wirbelfelder (Figur). Häufig stellt man sich vor, dass die sich verändernden elektrischen Felder einen virtuellen Strom generieren (man nennt ihn Verschiebungsstrom) der die Ursache des Magnetfeldes ist. Dabei ist dieser virtuelle Strom wirklich als virtuell zu betrachten, denn auch im Vakuum, also bei Abwesenheit von elektrischen Ladungsträgern bzw. elektrischen Leitern, existieren die magnetischen Wirbelfelder.  Magnetische Wirbelfelder gibt es immer und überall, wo sich elektrische Felder ändern (genau genommen werden magnetische Wirbelfelder durch die Änderung des elektrischen Flusses gebildet, also durch die zeitliche Änderung des durch eine bestimmte Fläche fliessenden elektrischen Vektorfeldes; siehe "Feld, Feldstärke, Feldlinie" und "Messung von magnetischen Feldern").

Zu beachten: es gilt auch umgekehrt, dass ein sich verändernder magnetischer Fluss ein elektrisches Wirbelfeld produziert (siehe "Typen von elektrischen Feldern"). Für die EMF-Thematik sind v.a. die durch niederfrequente magnetische Wechselfelder (etwa von Hausleitungen oder von Starkstromleitungen) im Körperinnern bewirkten elektrischen Wirbelfelder bedeutsam (siehe unter "Biologie").

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