Ein Magnetfeld ist ein Kraftfeld, das durch die Bewegung elektrischer Ladungen erzeugt wird. Dieses Kraftfeld wirkt auf andere, sich nicht parallel bewegende Ladungen. Zusammen mit dem elektrischen Feld bildet das magnetische Feld das elektromagnetische Feld, das für die elektromagnetische Wechselwirkung im Raum verantwortlich ist.
Aus magnetischer Sicht können Materialien wie folgt klassifiziert werden:
- Paramagnetische Materialien
- Diamagnetische Materialien
- Ferromagnetische Materialien
- Ferrimagnetische Materialien
- Antiferromagnetische Materialien
- Dies hängt vom Verhalten seiner magnetischen Suszeptibilität ab.
Was ist ein Magnetfeld?
Ein Magnetfeld ist ein Raumbereich, in dem eine magnetische Kraft auf sich bewegende geladene Teilchen einwirkt.
Sie wird sowohl durch elektrische Ströme als auch durch die Bewegung geladener Teilchen, wie zum Beispiel Elektronen, verursacht. Es ist durch magnetische Flusslinien gekennzeichnet, die vom Nord- zum Südpol verlaufen.
Magnetfelder spielen in der Natur eine grundlegende Rolle, vom Erdmagnetismus, der Kompasse steuert, bis hin zu ihrer Verwendung in Technologien wie Magneten, Elektromotoren und MRTs in der Medizin. Das Verständnis und die Manipulation magnetischer Felder ist für verschiedene wissenschaftliche, technologische und medizinische Anwendungen von entscheidender Bedeutung.
Beispiele für Magnetfelder
- Das Erdmagnetfeld: Der äußere Kern der Erde erzeugt ein Feld magnetischer Kräfte, das Partikel und Objekte beeinflusst und sie zum Zentrum des Planeten zieht. Dieses Phänomen ist für die Orientierung und Navigation auf der Erde von wesentlicher Bedeutung.
- Magnete: Magnete bestehen aus bestimmten Materialien und erzeugen aufgrund der inneren Anordnung der Elektronen Magnetfelder um sich herum. Jeder Magnet verfügt über einen Nordpol und einen Südpol, die in zahlreichen Anwendungen unerlässlich sind, vom alltäglichen Gebrauch zum Halten von Gegenständen bis hin zu fortschrittlicheren technologischen Anwendungen wie Festplatten und Magnetresonanztomographie in der Medizin.
- Elektromotoren: Sowohl Gleichstrom- als auch Wechselstrommotoren nutzen Elektromagnete zur Erzeugung statischer Magnetfelder. Dieser Prozess treibt die Drehbewegung des Rotors an und bildet die Grundlage für den Betrieb zahlreicher elektrischer Geräte und Maschinen, wie zum Beispiel Ventilatoren, Waschmaschinen und Elektrofahrzeuge.
- Kompass: Ein klassisches Beispiel für magnetischen Einfluss ist der Kompass , der seine Magnetnadel zwischen Nord- und Südpol ausrichten kann. Dieses Instrument war im Laufe der Geschichte für die Navigation von entscheidender Bedeutung, da es den Menschen ermöglichte, sich am Erdmagnetfeld zu orientieren.
- Kernspinresonanz (MRT): Im medizinischen Bereich nutzt die Kernspinresonanz Magnetfelder, um detaillierte Bilder des Inneren des menschlichen Körpers zu erstellen. Diese nicht-invasive Methode ist für medizinische Diagnosen von entscheidender Bedeutung und liefert genaue Informationen über Gewebe und Organe.
Tesla: Magnetfeldeinheit
Die Einheit des Magnetfelds im Internationalen Einheitensystem ist Tesla (T). Ein Tesla stellt das Feld dar, das eine Kraft von 1 Newton (N) auf eine elektrische Ladung von 1 Coulomb (C) erzeugt, die sich innerhalb des Feldes und senkrecht zur Richtung der magnetischen Feldlinien mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s bewegt.
Da Tesla jedoch eine sehr große Einheit ist, wird manchmal auch Gauss (G) verwendet: 10.000 G entsprechen 1 T.
Eigenschaften eines Magnetfeldes
Das magnetische Feld kann auf ähnliche Weise wie das elektrische Feld angegangen werden, aber anstatt die elektrische Ladung (einen Skalar) als Quelle des Feldes zu betrachten, wird diese Rolle vom magnetischen Dipolmoment (einem Vektor) gespielt.
Magnetische Kräfte sind proportional zum erzeugten Magnetfeld, also zum Wert der magnetischen Induktion, einer Vektorgröße, die zur Charakterisierung eines Feldes verwendet wird.
Der Zusammenhang zwischen dem Magnetfeld und einem elektrischen Strom ist durch das Ampèresche Gesetz gegeben. Der allgemeinste Fall, der den Verschiebungsstrom einschließt, ist durch das Ampère-Maxwell-Gesetz gegeben.
Durch eine Punktladung erzeugtes Magnetfeld
Das von einer einzelnen bewegten Ladung (nicht von einer Bewegung elektrischer Ladungen) erzeugte Magnetfeld kann näherungsweise aus der aus dem Biot-Savart-Gesetz abgeleiteten Gleichung berechnet werden:
Wo
- q ist die vom Feld erzeugte elektrische Ladung.
- v ist die Bewegungsgeschwindigkeit der Last
- r ist der Abstand vom Punkt P zur Position der Last
- u r ist ein Einheitsvektor, der vom Punkt P zum Ort der elektrischen Ladung verläuft
- μ 0 ist eine Konstante namens Freiraumpermeabilität. Sein Wert im Internationalen System für Vakuum beträgt 4π 10-7 T m/A