Magnetismus Grundlagen

Jeder Magnet hat zwei Pole - einen Nordpol (rot) und einen Südpol (grün). Das wichtigste Gesetz: Gleiche Pole stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an.

In Materialien wie Eisen gibt es winzige Elementarmagnete, die normalerweise wild durcheinander zeigen und sich gegenseitig aufheben. Deshalb ist ein Eisenstück normalerweise nicht magnetisch. Bringst du aber einen starken Magneten in die Nähe, richten sich diese kleinen Magnete alle in die gleiche Richtung aus - das Eisen wird magnetisch!

Das Coole: Elektrischer Strom erzeugt auch Magnetfelder. Ein stromführender Draht ist von kreisförmigen Feldlinien umgeben. Zwei parallel verlaufende Drähte ziehen sich an, wenn der Strom in die gleiche Richtung fließt - sonst stoßen sie sich ab.

Merktipp: Stell dir vor, die Elementarmagnete sind wie kleine Kompassnadeln, die alle wild herumzeigen, bis ein starker Magnet sie "zum Stillstehen" bringt!

Die Lorentzkraft

Hier wird's richtig spannend! Wenn Elektronen durch einen Draht fließen, der senkrecht in einem Magnetfeld steht, wirkt eine Kraft auf den Draht. Diese Lorentzkraft steht sowohl zur Stromrichtung als auch zur Feldrichtung senkrecht.

Die Linke-Hand-Regel hilft dir, die Richtung zu finden: Daumen zeigt in Elektronenrichtung, Zeigefinger in Feldrichtung (Nord zu Süd), dann zeigt der Mittelfinger die Kraftrichtung an.

Das Leiterschaukelexperiment zeigt dir das perfekt: Ein Draht "schaukelt" weg, sobald Strom fließt und ein Magnetfeld da ist. Diese Kraft ist das Grundprinzip für Elektromotoren!

Praxistipp: Die Linke-Hand-Regel funktioniert immer - übe sie ein paar Mal, dann sitzt sie automatisch!

Magnetische Flussdichte messen

Wie misst man eigentlich, wie stark ein Magnetfeld ist? Die Lösung: Magnetische Flussdichte B! Sie wird in Tesla (T) gemessen.

Die Formel ist simpel: B = F/(I·L). Dabei ist F die Kraft auf einen Draht, I die Stromstärke und L die Drahtlänge. Ein Tesla ist ziemlich viel - zum Vergleich: Das Erdmagnetfeld hat nur etwa 0,00005 T!

Warum nicht einfach einen Testmagneten nehmen? Das Problem: Jeder Magnet ist anders. Mit einer Feldspule und Strom kannst du dagegen immer reproduzierbare Messungen machen.

Rechenbeispiel: F = 3N, L = 0,1m, I = 1,5A → B = 3/(0,1·1,5) = 20T. Das wäre ein extrem starkes Magnetfeld!

Aha-Moment: 1 Tesla entspricht der Kraft von 1 Newton auf einen 1 Meter langen Draht bei 1 Ampere Stromstärke!

Spulen und das Fadenstrahlrohr

Spulen verstärken Magnetfelder enorm! Ein gerader Draht hat schwache kreisförmige Feldlinien. Biegst du ihn zum Kreis, verstärkt sich das Feld in der Mitte. Eine Spule mit vielen Windungen erzeugt ein super starkes, gleichmäßiges Feld.

Das Fadenstrahlrohr nutzt das aus: Elektronen fliegen in einem Magnetfeld auf Kreisbahnen. Je stärker der Strom in den Spulen, desto kleiner wird der Radius. Je höher die Beschleunigungsspannung, desto größer wird der Radius.

Mit diesem Experiment kannst du sogar das Verhältnis von Ladung zu Masse eines Elektrons bestimmen - genial, oder?

Cooles Detail: Das Fadenstrahlrohr funktioniert wie ein alter Röhrenfernseher - nur dass du die Elektronenbahn sehen kannst!

Die drei Spulenarten

Es gibt drei wichtige Spulentypen, je nach dem Verhältnis von Länge zu Durchmesser:

Lange, schlanke Spule (L >> d): B = μ₀ · I · n/L. Das Feld ist innen super gleichmäßig und stark. Die magnetische Feldkonstante μ₀ ist immer 1,266 · 10⁻⁶ Vs/Am.

Kurze Spule (L << d): B = μ₀ · I · n/d. Hier zählt der Durchmesser statt der Länge.

Helmholtz-Spulen: Zwei identische Spulen im Abstand ihres Radius. B = μ₀ · 8·n·I/(√125·R). Erzeugen ein extrem homogenes Feld zwischen den Spulen.

Faustregel: Mehr Windungen = stärkeres Magnetfeld. Doppelte Windungszahl = doppelte Feldstärke!

Gekreuzte Felder und Hall-Effekt

Bei gekreuzten Feldern stehen elektrisches und magnetisches Feld senkrecht zueinander. Teilchen fliegen nur dann gerade durch, wenn E = v·B gilt. Das ist ein Geschwindigkeitsfilter - nur Teilchen mit genau dieser Geschwindigkeit kommen durch!

Der Hall-Effekt ist mega praktisch: Fließt Strom durch eine Platte im Magnetfeld, werden die Elektronen zur Seite gedrängt. Es entsteht eine Hall-Spannung quer zur Stromrichtung.

Mit Hall-Sonden kannst du unbekannte Magnetfelder messen. Tangentialsonden messen Felder parallel zur Oberfläche, Axialsonden senkrecht dazu.

Die Hall-Spannung: UH = B·I·d/(n·e·A). Je stärker das Magnetfeld, desto größer die Spannung!

Alltagsbezug: Hall-Sensoren stecken in deinem Handy - sie messen, ob eine Schutzhülle mit Magnet das Display abdeckt!

Elektromagnetische Induktion

Induktion ist überall: Induktionsherd, Wireless Charging, Dynamo am Fahrrad! Das Prinzip: Verändert sich die Anzahl der Magnetfeldlinien durch eine Spule, entsteht Spannung.

Das Einführungsexperiment zeigt's: Bewegst du einen Magneten in eine Spule rein oder raus, schlägt das Messgerät aus. Liegt der Magnet still - passiert nichts. Nur Veränderung erzeugt Spannung!

Schnellere Bewegung = höhere Spannung. Stärkerer Magnet = höhere Spannung. Mehr Spulenwindungen = höhere Spannung. Das ist das Grundprinzip aller Generatoren!

Aha-Moment: Dein Fahrradlicht funktioniert nur, wenn du fährst - stehenbleiben = Licht aus!

Bewegungsinduktion im Detail

Die Lorentzkraft erklärt alles! Bewegt sich ein Draht durch ein Magnetfeld, werden die Elektronen im Draht zur Seite geschoben. Eine Seite wird negativ, die andere positiv - Spannung entsteht!

Die Berechnung ist elegant: Im Gleichgewicht gilt Fe = Fel, also e·v·B = e·U/d. Daraus folgt: U = B·v·d.

Das bedeutet: Doppelte Geschwindigkeit = doppelte Spannung. Doppelte Magnetfeldstärke = doppelte Spannung. Doppelte Drahtlänge = doppelte Spannung.

Diese Formel ist der Schlüssel für alle bewegten Generatoren - vom Fahrraddynamo bis zum Kraftwerk!

Merkspruch: Bewegung + Magnetfeld = Spannung. Keine Bewegung = keine Spannung!

Einheiten verstehen

Die Einheitenherleitung von U = B·v·d zeigt, dass alles stimmt: 1V = 1T · $m/s$ · m = 1T · m²/s

Da 1T = 1N/(A·m) ist, ergibt sich: 1V = 1(N·m²)/(A·m·s) = 1(N·m)/(A·s) = 1V ✓

Die Tabelle zeigt den Zusammenhang zwischen elektrischen und mechanischen Größen:

• Energie: Epot = q·U ↔ Wmech = F·s
• Kraft: Fel = q·E ↔ F = m·a

Diese Verbindungen helfen dir, Physik als Ganzes zu verstehen - alles hängt zusammen!

Profi-Tipp: Einheiten sind wie eine Rechenprobe - stimmen sie nicht, ist irgendwo ein Fehler!

Der magnetische Fluss

Magnetischer Fluss Φ ist wie Bevölkerungsdichte: Φ = B·A. Je mehr Feldlinien durch eine Fläche gehen, desto größer der Fluss.

Die Einheit ist Tm² (Tesla mal Quadratmeter). Stell dir vor: B ist die "Dichte" der Feldlinien, A ist die Fläche - multipliziert ergibt das die "Gesamtmenge" der Feldlinien.

Faradays Entdeckung: Ändert sich der magnetische Fluss durch eine Spule, entsteht Spannung. Egal ob sich die Fläche ändert, das Magnetfeld oder der Winkel zwischen beiden.

Diese simple Formel Φ = B·A ist die Grundlage für das Induktionsgesetz - eines der wichtigsten Gesetze der Physik!

Visualisierung: Stell dir Feldlinien wie Regentropfen vor - je mehr durch dein Fenster (Fläche) kommen, desto größer der "Fluss"!