Magnetfelder und Feldlinien

Das Erdmagnetfeld an der Oberfläche beträgt etwa 25 bis 65 Mikrotesla. Das Feld im Inneren einer MRT-Spule im Krankenhaus ist mehrere Zehntausendmal stärker.

Eine Karte der Kräfte

Ein Magnet zieht einen anderen Magneten an oder stößt ihn ab, ohne ihn zu berühren. Um diese Fernwirkung zu beschreiben, ordnet die Physik dem Raum um einen Magneten ein Magnetfeld zu, das B-Feld. An jedem Punkt hat es eine Richtung und eine Stärke. Die Richtung wird mit einem kleinen Kompass festgelegt: Das Feld zeigt dorthin, wohin das Nordende der Kompassnadel zeigt. Ein Kompass ist klein genug, um das gemessene Feld nicht zu stören.

Stellst du Kompasse rund um einen Stabmagneten auf und verbindest die angezeigten Richtungen, erhältst du Feldlinien. OpenStax fasst ihre Eigenschaften in vier Regeln zusammen. Erstens verläuft das Feld an jedem Punkt entlang der dortigen Feldlinie. Ein Kompass richtet sich entsprechend aus. Zweitens zeigt der Abstand der Linien die Feldstärke: Dicht beieinanderliegende Linien bedeuten ein starkes Feld. Drittens kreuzen sich Feldlinien nie, denn das Feld hat an jedem Punkt nur eine Richtung. Viertens bilden sie geschlossene Schleifen ohne Anfang und Ende: Außerhalb des Magneten verlaufen sie vom Nordpol zum Südpol, im Inneren vom Südpol zurück zum Nordpol.

Feldlinien sind eine zeichnerische Hilfe, keine Fäden im Raum. Ihr Muster lässt sich aber sichtbar machen: Streue Eisenfeilspäne auf ein Blatt Papier über einem Magneten. Jeder Span wird zum winzigen Magneten und richtet sich im Feld aus. So bilden die Späne Kurven, die den Feldlinien entsprechen.

Magnetische Flussdichte messen: das Tesla

Die SI-Einheit der magnetischen Flussdichte ist das Tesla (T). Ein Tesla ist ein starkes Feld: Auf einen 1 m langen Draht, durch den 1 A quer zu einem Feld von 1 T fließt, wirkt eine Kraft von 1 N. Daher gilt 1 T = 1 N/(A·m). Alltagsfelder sind viel schwächer. Deshalb begegnen dir oft Mikrotesla (μT, Millionstel Tesla) und Nanotesla (nT, Milliardstel). Eine ältere Einheit, das Gauß, ist in der Geologie und auf Magnetetiketten noch verbreitet: 1 Gauß = 10⁻⁴ T = 100 000 nT.

Einige Vergleichswerte helfen bei der Einordnung. Die National Centers for Environmental Information der NOAA geben für das Erdmagnetfeld an der Oberfläche ungefähr 25 000 bis 65 000 nT an. Das entspricht 25 bis 65 μT oder 0.25 bis 0.65 Gauß. OpenStax rundet oft auf 5.0 × 10⁻⁵ T, also 50 μT. In den Rechenbeispielen stehen 1.50 T für einen starken Labormagneten und 2.01 T für das Innere einer großen Spule, wie sie in MRT-Geräten verwendet wird. Das ist etwa 40 000-mal so stark wie das Erdmagnetfeld.

Zwei Magnete: Die Felder addieren sich

Stehen zwei Magnete nahe beieinander, ist das Feld an jedem Punkt die Summe beider Felder, die als Pfeile addiert werden. Steht ein Nordpol einem Südpol gegenüber, verlaufen die Linien gerade durch den Zwischenraum von einem Magneten zum anderen. Dort ist das Feld stark und die Magnete ziehen sich an. Stehen sich zwei Nordpole gegenüber, werden die Linien beider Magnete seitlich abgelenkt. Sie weichen aus dem Zwischenraum aus. Genau in der Mitte zwischen den Polen liegt ein Punkt, an dem sich die beiden Felder aufheben. Ein Kompass hat dort keine bevorzugte Richtung mehr und wird nur vom schwachen Erdmagnetfeld ausgerichtet.

Diese Addition erklärt auch, warum ein Kompass auf einem Schreibtisch irreführen kann. Ein Tischgestell aus Stahl, ein Lautsprechermagnet oder Strom in nahen Leitungen erzeugt ein eigenes Feld. In der Nähe kann es stärker sein als das Erdmagnetfeld mit seinen 25 bis 65 μT. Die Nadel zeigt dann entlang des Gesamtfeldes, nicht nach Norden. Halte einen Kompass von Metallgegenständen und elektrischen Geräten fern, wenn du eine zuverlässige Anzeige möchtest.