Navigation und heiße Drähte

Ähnlich lange wie die anziehende Kraft der Elektrizität bekannt ist, kennt man den Magnetismus. Ein bestimmtes Mineral, Magnetit, hat die Eigenschaft, anderes Magnetit anzuziehen oder abzustoßen. Außerdem ließen sich andere Materialien, genauer Eisen, Kobalt und Nickel, von diesen Magneten anziehen, obwohl sie alleine nicht magnetisch waren. Die zunächst wohl wichtigste Anwendung fand der Magnetismus im Kompass, der es erlaubte sich einfach und ohne die Sterne zu orientieren. Das hängt mit zwei fundamentalen Eigenschaften von Magneten zusammen:


1. Ähnlich, wie man in der Elektrizität von positiven und negativen Ladungen spricht, gibt es im Magnetismus einen Nord- und einen Südpol. Ein magnetischer Nordpol stößt einen anderen magnetischen Nordpol ab, zieht jedoch einen magnetischen Südpol an. Entsprechendes gilt für den Südpol.

2. Anders als in der Elektrizität gibt es jedoch keine sogenannten Monopole, also separate Nord- oder Südpole. Jeder noch so kleine Magnet hat genau einen Nord- und genau einen Südpol.

Aus diesem Grund richtet sich eine kleine Magnetnadel, die drehbar gelagert ist (Kompass), stets so aus, dass ihr Nordpol zum stärksten Südpol zeigt. Ist kein anderer Magnet in der Nähe, richtet sich eine solche Magnetnadel also im Erdmagnetfeld aus. Die Richtung, in die der Magnetische Nordpol zeigt, nannte man Norden.

Vielleicht wundern Sie sich darüber, denn eigentlich müsste doch der Nordpol der Magnetnadel zum Südpol zeigen. Das tut er auch, allerdings zum magnetischen Südpol. Der geographische Nordpol der Erde entspricht in der Tat ihrem magnetischen Südpol. Es scheint aber, dass sich die Erde von Zeit zu Zeit magnetisch umpolt (im Mittel etwa alle 250000 Jahre). Man vermutet, dass eine solche Umpolung das letzte Mal vor 780000 Jahren stattfand, und eine erneute inzwischen überfällig ist. Und dieser Vorgang wird wahrscheinlich 4000 bis 10000 Jahre dauern. Aber das ist ein anderes Thema.

Was aber hat der Magnetismus mit der Elektrizität zu tun?

Ampère führte Experimente durch, bei denen er beobachtete, dass auch stromführende Drähte eine Magnetnadel beeinflussen können, also ein Magnetfeld erzeugen. In diesem Fall ist das Magnetfeld in ringförmig um den Draht angeordnet. Die Rotationsrichtung bestimmt man mit der „Rechten Hand Regel“: Bildet man mit der rechten Hand eine Faust, die den Leiter umschließt und der Daumen zeigt in Stromrichtung, dann zeigen die Fingerspitzen in Richtung des Magnetfeldes um den Leiter. Das Magnetfeld ist dabei jedoch nicht sehr stark. Wickelt man jedoch einen stromführenden Draht spiralförmig auf, wirkt er wie ein großer Dauermagnet, denn die Magnetfelder um die einzelnen Drahtstücke addieren sich zu einem Gesamtmagnetfeld. Dies lässt wiederum Rückschlüsse auf „normale Magneten“ zu: In einem Dauermagnet gibt es viele kleine Ströme, die wiederum viele kleine Magnetfelder erzeugen. Und diese Magnetfelder übelagern sich zu einem Gesamtmagnetfeld.
Es stellt sich heraus, dass Magnetfelder immer ring- oder schleifenförmig (genauer: geschlossen) sind. Selbst in großen Dauermagneten, bei denen das Magnetfeld vom Nordpol ausgehend Richtung Südpol zeigt, geht das Feld im Inneren wieder vom Südpol zum Nordpol zurück. Aus diesem Grund gibt es eben keine magnetischen Monopole.

Aufgrund dieser engen Verknüpfung zwischen Elektrizität und Magnetismus, und aufgrund ihrer bedeutenden gegenseitigen Wechselwirkung, bezeichnet man den Bereich der Physik, der sich mit diesen Themen beschäftigt, „Elektromagnetismus“. Und damit werden wir uns dann nächstes Mal beschäftigen.

Nachtrag: PDF aktualisiert