Magnetismus ist ein physikalisches Phänomen, das sich als Kraftwirkung zwischen Magneten, magnetisierten bzw. magnetisierbaren Gegenständen und bewegten elektrischen Ladungen wie z. B. in stromdurchflossenen Leitern äu�ert. Die Vermittlung dieser Kraft erfolgt über ein Magnetfeld, das einerseits von diesen Objekten erzeugt wird und andererseits auf sie wirkt. Alle Erscheinungsformen von Magnetismus können letztlich auf die Bewegung von elektrischen Ladungen oder das magnetische Moment von Elementarteilchen als Folge ihres Spins zurückgeführt werden. Der Magnetismus ist ein Teilgebiet des Elektromagnetismus, welcher eine der vier Grundkräfte der Physik repräsentiert.

Magnetfelder

Um die Erscheinungen des Magnetismus zu beschreiben, führt man den Begriff des Magnetfelds ein. Magnetfelder können verursacht werden

* durch magnetische Materialien, etwa einen Dauermagneten,

* durch elektrische Ströme, z. B. eine stromdurchflossene Spule oder

* durch zeitliche Ã?nderung eines elektrischen Feldes.

Feldlinien

Magnetische Feldlinien veranschaulichen in jedem Punkt des Feldes Richtung und Richtungssinn des Magnetfeldes bzw. des magnetischen Flusses. Der Abstand zwischen benachbarten Feldlinien ist ein Anhaltspunkt für die Stärke des Magnetfeldes: je dichter die Feldlinien, desto stärker das Feld.

Magnetische Feldlinien haben keinen Anfang und kein Ende, sondern verlaufen als geschlossene Bahnen. In der Magnetostatik gibt es im Gegensatz zur Elektrostatik keine Ladungen â?? magnetische Monopole sind zwar mathematisch denkbar, alle experimentellen Tatsachen sprechen aber gegen ihre Existenz. Somit ist das Magnetfeld quellenfrei.

Magnetische Feldlinien können durch die Ausrichtung von Eisenfeilspänen oder einer Kompassnadel sichtbar gemacht werden; für dreidimensionale Demonstrationen kann man die Eisenfeilspäne zum Beispiel in Silikonöl suspendieren.

Hall-Sonden sind elektronische Sensoren auf Basis des Hall-Effektes, die Stärke und oft auch Richtung der Magnetfelder messen können.

Magnetische Kraftwirkung

Das magnetische Feld übt eine Kraft auf bewegte Ladungen aus, die so genannte Lorentzkraft. Sie wirkt senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfeldes sowie senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung. Sie ist die Grundlage vieler Generatoren sowie der Ablenkung bewegter geladener Teilchen (z. B. mit Ablenkspulen). Mit dem Magnetfeld wird dabei keine Energie ausgetauscht â?? es ist lediglich Vermittler (Anmerkung: bei solchen Generatoren und Motoren ist dies das Erregerfeld).

Das magnetische Feld übt ferner Kräfte auf Magnete und magnetisierbare Körper (Ferrimagnetismus der weichmagnetischen Ferrite und Ferromagnetismus von Metallen wie Eisen) aus. Magnete und gestreckte Probekörper aus magnetisierbaren Materialien richten sich immer längs der Feldlinien beziehungsweise antiparallel zu diesen aus, das hei�t, der magnetische Südpol eines Probemagneten richtet sich entlang der Feldlinien zum Nordpol des erzeugenden Feldes aus. Dieser Effekt wird zum Beispiel beim magnetischen Kompass ausgenutzt, bei dem sich die Kompassnadel, ein magnetischer Dipol, nach dem Erdmagnetfeld ausrichtet. Weitere Beispiele sind Zugmagnete, Haltemagnete und Elektromagnete an Magnetkranen.

Da sich ungleichnamige Pole anziehen und gleichnamige abstoÃ?en, sind zwei Magnete bestrebt, ungleichnamige Pole einander zuzuwenden. Handelt es sich jeweils um inhomogene Felder, ziehen sich die beiden Magnete an. Ursache für beide Beobachtungen ist, dass ein energieärmerer Zustand eingenommen wird â?? die Kräfte wirken stets so, dass die Gesamtenergie des Feldes abnimmt, wenn die Magnete ihnen folgen. In der mathematischen Beschreibung der Kraft spielt daher der Gradient des Magnetfeldes eine Rolle.

Bei der Ausrichtung von Magneten und magnetisierbaren Körpern in Magnetfeldern wird Energie mit dem Feld ausgetauscht â?? folgen die Körper der Kraft, nimmt die Summe der Feldenergie ab und es wird mechanische Arbeit frei. Werden die Magnete auseinandergezogen, muss mechanische Arbeit verrichtet werden und dadurch steigt die Feldenergie des resultierenden Gesamtfeldes. Die Magnetisierung beteiligter Dauermagnete bleibt dabei jedoch erhalten. Sind magnetisierbare Körper umgebende Spulen beteiligt, kann auch Elektroenergie am Energieaustausch beteiligt sein. Beispiele hierfür sind Reluktanzmotoren und Schrittmotoren.

Grö�en und Einheiten

Die Stärke eines Magnetfeldes kann durch zwei verschiedene physikalische Grö�en ausgedrückt werden, die magnetische Feldstärke H (Einheit: A/m) und die magnetische Flussdichte B (Einheit Tesla). Während die magnetische Feldstärke bei Berechnungen mit elektrischen Strömen von Vorteil ist, verwendet man die magnetische Flussdichte zum Berechnen von induzierten Spannungen oder der Lorentzkraft. Die beiden Feldgrö�en sind über die Materialgleichungen der Elektrodynamik miteinander verknüpft, welche sich im einfachsten Fall über einen Faktor, die magnetische Permeabilität, ausdrücken lässt.

Beispiele für Magnetfelder

Das intergalaktische Magnetfeld, ausgedrückt als magnetische Flussdichte in der Einheit Tesla (T), schätzt man auf weniger als 0,1 nT (10−10 T), das der MilchstraÃ?e auf 30 nT. Das Magnetfeld der Erde hat an der Oberfläche eine Stärke um 40 µT, dies entspricht im GauÃ?schem Einheitensystem 0,4 Gs. Die magnetische Flussdichte der Sonnenflecken liegt unter 1 mT. Die Sättigungsmagnetisierung von Eisen beträgt ca. zwei Tesla.

Auf der Oberfläche von Neutronensternen, wie z. B. Pulsaren, herrschen dagegen typischerweise Flu�dichten von 108 Tesla, bei Magnetaren, einer speziellen Sorte von Neutronensternen, sogar 1011 Tesla.

Das mit 1 nT derzeit (2009) schwächste Magnetfeld auf der Erde findet man in einem speziell abgeschirmten kubischen Gebäude der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin. Zweck des Kubusâ?? ist die Messung der schwachen Hirnströme von Menschen. Am National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee (Florida) wird das mit 45 T derzeit stärkste (stabile) Magnetfeld auf der Erde erzeugt.

Höhere Magnetfelder können mit Elektromagneten nur in kurzen Pulsen erzeugt werden. Europarekord hierbei hält das Institut Hochfeld-Magnetlabor Dresden mit 87,2 T für maximal 150 ms. Mittels intensiver Laserstrahlung lassen sich Flussdichten von bis zu 34 kT erzeugen â?? allerdings nur für die sehr kurze Zeitspanne von etwa 10 ps.