Jeder weiß, wie viel Spaß Magnete machen können. Wer von uns hat als Kind nicht gerne gesehen, ob wir unser Besteck zusammenhalten können? Und wie wäre es mit diesen kleinen magnetischen Steinen, die wir so anordnen könnten, dass sie fast jede Form annehmen, weil sie zusammenklebten? Nun, Magnetismus ist nicht nur eine endlose Quelle von Spaß oder gut für wissenschaftliche Experimente; es ist auch eines der grundlegenden physikalischen Gesetze, auf denen das Universum basiert.
Die als Magnetismus bekannte Anziehung tritt auf, wenn ein Magnetfeld vorhanden ist, das ein Kraftfeld ist, das von einem magnetischen Objekt oder Teilchen erzeugt wird. Es kann auch durch ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt werden und wird durch die Kraft erfasst, die es auf andere magnetische Materialien ausübt. Daher wird das Studiengebiet, das sich mit Magneten befasst, als Elektromagnetismus bezeichnet.
Definition:
Magnetfelder können je nach Kontext auf verschiedene Weise definiert werden. Im Allgemeinen handelt es sich jedoch um ein unsichtbares Feld, das eine magnetische Kraft auf magnetismusempfindliche Substanzen ausübt. Magnete üben durch die von ihnen erzeugten Magnetfelder auch Kräfte und Drehmomente aufeinander aus.
Visualisierung des Sonnenwinds, der auf die Magnetosphäre der Erde trifft. Wie ein Dipolmagnet hat er Feldlinien und einen Nord- und einen Südpol. Bildnachweis: JPL
Sie können in der Nähe eines Magneten, durch einen elektrischen Strom oder ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt werden. Sie sind von Natur aus dipolar, was bedeutet, dass sie sowohl einen Nord- als auch einen Südmagnetpol haben. Die zur Messung von Magnetfeldern verwendete Standard International (SI)-Einheit ist Tesla, während kleinere Magnetfelder in Gauss (1 Tesla = 10.000 Guass) gemessen werden.
Mathematisch wird ein Magnetfeld durch die Kraft definiert, die es auf eine bewegte Ladung ausübt. Die Messung dieser Kraft stimmt mit der Lorentzkraftgesetz , was ausgedrückt werden kann alsF= qvB, woFist die magnetische Kraft,wasist die Gebühr,vist die Geschwindigkeit und das Magnetfeld istB. Diese Beziehung ist ein Vektorprodukt, wobeiFsteht senkrecht (->) zu allen anderen Werten.
Feldlinien:
Magnetfelder können durch kontinuierliche Kraftlinien (oder magnetischer Fluss ), die aus nordsuchenden Magnetpolen austreten und in südsuchende Pole eintreten. Die Dichte der Linien zeigt die Stärke des Feldes an, da sie an den Polen (wo das Feld stark ist) konzentrierter ist und sich mit zunehmender Entfernung von den Polen auffächert und abschwächt.
Ein gleichförmiges Magnetfeld wird durch gleich beabstandete, parallele gerade Linien dargestellt. Diese Linien sind durchgehend, bilden geschlossene Schleifen, die von Norden nach Süden verlaufen und sich wieder umkreisen. Die Richtung des Magnetfelds ist an jedem Punkt parallel zur Richtung der nahegelegenen Feldlinien, und die lokale Dichte der Feldlinien kann proportional zu seiner Stärke gemacht werden.
Magnetische Feldlinien ähneln einem Flüssigkeitsstrom, da sie stromlinienförmig und kontinuierlich sind und mehr (oder weniger Linien) erscheinen, je nachdem, wie genau ein Feld beobachtet wird. Feldlinien sind nützlich als Darstellung von Magnetfeldern und ermöglichen es, viele Gesetze des Magnetismus (und des Elektromagnetismus) zu vereinfachen und in mathematischen Begriffen auszudrücken.
Eine einfache Möglichkeit, ein Magnetfeld zu beobachten, besteht darin, Eisenspäne um einen Eisenmagneten zu legen. Die Anordnungen dieser Feilen entsprechen dann den Feldlinien und bilden Streifen, die sich an den Polen verbinden. Sie treten auch während polarer Polarlichter auf, bei denen sich sichtbare Lichtstreifen mit der lokalen Richtung des Erdmagnetfelds ausrichten.
Geschichte des Studiums:
Die Erforschung von Magnetfeldern begann 1269, als der französische Gelehrte Petrus Peregrinus de Maricourt das Magnetfeld eines kugelförmigen Magneten mit Eisennadeln kartierte. Die Stellen, an denen sich diese Linien kreuzten, nannte er „Pole“ (in Bezug auf die Pole der Erde), von denen er behauptete, dass sie alle Magneten besaßen.
Im 16. Jahrhundert replizierte der englische Physiker und Naturphilosoph William Gilbert von Colchester das Experiment von Peregrinus. 1600 veröffentlichte er seine Erkenntnisse in Verträgen ( Von Magnete ), in dem er feststellte, dass die Erde ein Magnet ist. Seine Arbeit trug wesentlich dazu bei, den Magnetismus als Wissenschaft zu etablieren.
Blick auf den östlichen Himmel während des Höhepunkts der Aurora heute Morgen. Bildnachweis: Bob King
1750 stellte der englische Geistliche und Philosoph John Michell fest, dass magnetische Pole sich gegenseitig anziehen und abstoßen. Die Kraft, mit der sie dies tun, beobachtete er, ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung, auch bekannt als inverses quadratisches Gesetz .
1785 bestätigte der französische Physiker Charles-Augustin de Coulomb experimentell das Magnetfeld der Erde. Es folgte im 19. Jahrhundert der französische Mathematiker und Geometer Simeon Denis Poisson, der das erste Modell des Magnetfelds schuf, das er 1824 vorstellte.
Bis zum 19. Jahrhundert verfeinerten und stellten weitere Enthüllungen frühere Vorstellungen in Frage. 1819 entdeckte beispielsweise der dänische Physiker und Chemiker Hans Christian Orsted, dass ein elektrischer Strom um ihn herum ein magnetisches Feld erzeugt. Im Jahr 1825 schlug André-Marie Ampère ein Modell des Magnetismus vor, bei dem diese Kraft auf ständig fließende Stromschleifen anstelle der Dipole der magnetischen Ladung zurückzuführen war.
Im Jahr 1831 zeigte der englische Wissenschaftler Michael Faraday, dass ein sich änderndes Magnetfeld ein umgebendes elektrisches Feld erzeugt. Tatsächlich entdeckte er die elektromagnetische Induktion, die durch das Faradaysche Induktionsgesetz (aka. Faradaysches Gesetz ).
Ein Faradayscher Käfig im Kraftwerk in Heimbach, Deutschland. Bildnachweis: Wikipedia Commons/Frank Vincentz
Zwischen 1861 und 1865 veröffentlichte der schottische Wissenschaftler James Clerk Maxwell seine Theorien über Elektrizität und Magnetismus – bekannt als die Maxwell-Gleichungen . Diese Gleichungen wiesen nicht nur auf die Wechselbeziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus hin, sondern zeigten auch, dass Licht selbst eine elektromagnetische Welle ist.
Das Gebiet der Elektrodynamik wurde im späten 19. und 20. Jahrhundert weiter ausgebaut. Albert Einstein (der die Gesetz der speziellen Relativitätstheorie im Jahr 1905), zeigte, dass elektrische und magnetische Felder Teil desselben Phänomens sind, wenn man es von verschiedenen Bezugssystemen aus betrachtet. Das Aufkommen der Quantenmechanik führte auch zur Entwicklung der Quantenelektrodynamik (QED).
Beispiele:
Ein klassisches Beispiel für ein Magnetfeld ist das Feld, das von einem Eisenmagneten erzeugt wird. Wie bereits erwähnt, kann das Magnetfeld veranschaulicht werden, indem es mit Eisenspäne umgeben wird, die von seinen Feldlinien angezogen werden und sich in einer Schleifenformation um die Pole bilden.
Größere Beispiele für Magnetfelder sind die Erdmagnetfeld , das dem von einem einfachen Stabmagneten erzeugten Feld ähnelt. Es wird angenommen, dass dieses Feld das Ergebnis der Bewegung im Erdkern ist, der in einen festen inneren Kern und einen geschmolzenen äußeren Kern unterteilt ist, der sich in die entgegengesetzte Richtung der Erde dreht. Dies erzeugt einen Dynamoeffekt, von dem angenommen wird, dass er das Magnetfeld der Erde (auch bekannt als Magnetosphäre) antreibt.
![Computersimulation des Erdfeldes in einer Periode normaler Polarität zwischen den Umkehrungen.[1] Die Linien stellen magnetische Feldlinien dar, blau, wenn das Feld zum Zentrum zeigt und gelb, wenn es weg ist. Die Rotationsachse der Erde ist zentriert und vertikal. Die dichten Linienhaufen befinden sich im Erdkern](http://ferner.ac/img/blog/94/what-is-magnetic-field.gif)
Computersimulation des Erdfeldes in einer Periode normaler Polarität zwischen den Umkehrungen.[1] Die Linien stellen magnetische Feldlinien dar, blau, wenn das Feld zum Zentrum zeigt und gelb, wenn es weg ist. Bildnachweis: NASA
Ein solches Feld wird als Dipolfeld bezeichnet, weil es zwei Pole hat – Nord und Süd, die sich an beiden Enden des Magneten befinden – wo die Feldstärke maximal ist. In der Mitte zwischen den Polen beträgt die Stärke die Hälfte ihres polaren Wertes und erstreckt sich über Zehntausende von Kilometern in den Weltraum und bildet die Magnetosphäre der Erde.Es wurde gezeigt, dass andere Himmelskörper über eigene Magnetfelder verfügen. Dazu gehören die Gas- und Eisriesen des Sonnensystems – Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Jupiters Magnetfeld ist 14 mal so stark wie das der Erde und ist damit das stärkste Magnetfeld aller planetaren Körper. Jupiters Mond Ganymed hat auch ein Magnetfeld und ist der einzige Mond im Sonnensystem, von dem bekannt ist, dass er eines hat.
Es wird angenommen, dass der Mars einst ein ähnliches Magnetfeld wie die Erde hatte, das auch das Ergebnis eines Dynamoeffekts in seinem Inneren war. Jedoch aufgrund entweder a massive Kollision , oder schnelle Abkühlung im Inneren , hat der Mars vor Milliarden von Jahren sein Magnetfeld verloren. Aus diesem Grund wird angenommen, dass der Mars den größten Teil seiner Atmosphäre verloren und die Fähigkeit, flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche zu halten.
Wenn es darauf ankommt, ist Elektromagnetismus ein grundlegender Bestandteil unseres Universums, ganz oben mit Kernkräften und Schwerkraft. Zu verstehen, wie es funktioniert und wo Magnetfelder auftreten, ist nicht nur der Schlüssel zum Verständnis der Entstehung des Universums, sondern kann uns auch helfen, eines Tages Leben außerhalb der Erde zu finden.
Wir haben viele Artikel über das Magnetfeld für Universe Today geschrieben. Hier ist Was ist das Magnetfeld der Erde? , Ist das Magnetfeld der Erde bereit, sich umzudrehen? , Wie funktionieren Magnete? , Kartierung der Magnetfelder der Milchstraße – Der Faradaysche Himmel , Magnetfelder in Spiralgalaxien – endlich erklärt? , Astronomie ohne Teleskop – Kosmische Magnetfelder .
Wenn Sie mehr über das Magnetfeld der Erde erfahren möchten, schauen Sie sich an Der NASA-Leitfaden zur Erforschung des Sonnensystems auf der Erde . Und hier ist ein Link zu Erdobservatorium der NASA .
Wir haben auch eine Episode von Astronomy Cast rund um den Planeten Erde aufgenommen. Hör zu, Folge 51: Erde .
Quellen:
