Physik

Was ist Magnetismus?

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Gábor Paál
Gábor Paál (Foto: SWR, Gábor Paál)

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Elektromagnetische Kraft

Der Magnetismus ist der "Zwillingsbruder" der Elektrizität, denn es gibt ein paar auffallende Ähnlichkeiten. Beides – elektrischer Strom wie auch Magnetismus – kennen wir vor allem von Metallen. Beides hat damit zu tun, dass zwei entgegengesetzte Pole eine Kraft aufeinander ausüben. In der Elektrizität kennen wir Plus- und Minus-Pole, beim Magnetismus sprechen wir von Nord- und Südpolen. Die ziehen sich gegenseitig an. Das heißt, zwischen beiden entsteht ein Feld – ein elektrisches oder ein magnetisches Feld. Das alles ist kein Zufall, sondern die beiden Phänomene hängen eng miteinander zusammen. Denn Elektrizität und Magnetismus sind unterschiedliche Ausdrucksformen ein und derselben physikalischen Kraft – eben der "elektromagnetischen Kraft".

Wie hängen Magnetismus und Elektrizität zusammen?

Magnetismus entsteht dadurch, dass elektrische Ladungen sich in irgendeiner Form bewegen. Das kann in einem Stromleiter sein. Wenn irgendwo Strom fließt, wenn also Elektronen durch einen elektrischen Leiter strömen, dann erzeugt dieser Strom um sich herum ein Magnetfeld. Wenn man einen Draht auf eine Spule wickelt und dann Strom durchjagt, wird diese Spule damit automatisch zu einem Magneten – eben einem Elektromagneten. Aber nur, solange der Strom fließt. Stelle ich den Strom wieder ab, hören also die Elektronen auf, sich zu bewegen, dann hört auch das magnetische Feld auf.

Wie entstehen Magnete, die ohne Strom funktionieren?

Auch dieser Magnetismus entsteht durch die Bewegung von Elektronen. Der Unterschied ist, dass die Elektronen gewissermaßen um die eigene Achse rotieren. Physiker bezeichnen dieses Phänomen als Spin. Elektronen drehen sich um die eigene Achse – das tun sie immer, dazu braucht es keinen Strom – und auch bei dieser "Bewegung" erzeugen sie ein Magnetfeld.

Elektronen gibt es in allen Stoffen. Warum kennen wir Magnetismus vor allem von Metallen?

Elektronen gibt es überall und überall rotieren sie – aber in den meisten Stoffen rotieren sie eben durcheinander, jedes in eine andere Richtung. Deshalb erzeugen sie kein klares magnetisches Feld.

Bei Metallen ist das anders. Metalle haben eine besondere Struktur. Die Atome sind dort in einem Gitter angeordnet, in dem sich zumindest ein Teil der Elektronen frei bewegen kann. Deshalb sind Metalle auch so gute elektrische Leiter – die Elektronen sind nicht so stark an die Atome gebunden. Sie bewegen sich frei und das führt dazu, dass sie sich auch in ihrer Spinrichtung gegenseitig beeinflussen. Das heißt, wenn sie in ein magnetisches Feld geraten, richten sie ihre "Drehachse" entlang des Feldes neu aus. Und wenn alle Elektronen sozusagen in der gleichen Richtung rotieren, entsteht durch die Summe all dieser Minirotationen ein Magnetfeld.

Insofern ist die Bewegung – vor allem von Elektronen – Ursache sowohl für elektrischen Strom als auch für Magnetismus – wenn auch auf sehr unterschiedliche Weise. Das zeigt sich zum Beispiel daran, dass ein elektrisch geladener Körper – also z.B. ein Minus-Pol – isoliert im Raum existieren kann. Dagegen trägt jeder Magnet immer beide Pole gleichzeitig in sich – auf der einen Seite ist ein Nordpol, auf der anderen ein Südpol. Daran ändert sich auch nichts, wenn man einen Magneten in der Mitte teilt: Dann hat man zwei Hälften, von denen jede wiederum einen Nordpol und einen Südpol hat.

Damit hängt ein weiterer Unterschied zusammen: Wenn man elektrische Ladungen trennt, kann man eine Spannung erzeugen und Strom fließen lassen. Mit diesem elektrischen Strom kann man Lampen zum Leuchten bringen und Maschinen antreiben – aber wir kennen nicht in gleicher Weise "magnetischen Strom". Ich habe am Anfang gesagt, Elektrizität und Magnetismus sind Zwillinge, aber sie sind bei allen Ähnlichkeiten ungleiche Zwillinge.

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