Einleitung

Der Elektromagnetismus bildet die Grundlage vieler Technologien in unserem täglichen Leben. Die Magnetresonanztomographie ermöglicht zum Beispiel präzise Diagnosen und Therapien in der Medizin. Die effiziente Erzeugung, Übertragung und Verteilung von elektrischer Energie wird durch Generatoren und Transformatoren gewährleistet. In der Computertechnik sind magnetische Speicher wie Festplattenlaufwerke für die Datenverarbeitung und -speicherung unverzichtbar. Die Grenzen der Anwendungsgebiete sind jedoch noch nicht erreicht. Zukünftige technologische Entwicklungen wie Quantencomputer, drahtlose Energieversorgung und magnetische Levitation werden diese weiter verschieben. Ein fundiertes Verständnis magnetischer Größen ist entscheidend für die Weiterentwicklung und Optimierung existierender sowie zukünftiger Technologien.

Dieses Kapitel bietet eine Einführung in die elektromagnetischen Wirkungsweisen und die dazugehörigen magnetischen Größen. Zunächst wird das magnetische Feld beschrieben, gefolgt von einer Erklärung relevanter Größen für den magnetischen Kreis wie Durchflutung, magnetischer Fluss und magnetischer Widerstand. Anschließend werden die Funktionsweisen der Lorentzkraft, der Induktion und der Induktivität erläutert, gefolgt von der Berechnung des Energieinhalts im magnetischen Feld. Das Kapitel schließt mit einem Exkurs zum Skin-Effekt und Hall-Effekt.

1 Magnetismus

Der Magnetismus ist ein physikalisches Phänomen, das sich in Form von wechselwirkenden Kräften zwischen magnetisierten bzw. magnetisierbaren Festkörpern und bewegten elektrischen Ladungen äußert. Die Kräfte werden mittels eines Magnetfeldes dargestellt. Zu den geläufigsten Formen des Magnetismus werden der Elektromagnetismus und der Magnetismus von Festkörpern gezählt. Der Ferromagnetismus ist die bekannteste und wichtigste Art magnetisierter Festkörper und beschreibt das magnetische Verhalten einiger metallischer Körper, sogenannter ferromagnetischer Werkstoffe. Wie in Abbildung 1 ersichtlich, besteht ein ferromagnetisches Material wie Eisen, Kobalt oder Nickel aus vielen kleinen Elementarmagneten in sogenannten Weiss’schen Bezirken, die durch Blochwände voneinander getrennt sind. In einem unmagnetisierten Körper sind diese Weissschen Bezirke willkürlich angeordnet und somit nicht ausgerichtet. Der Körper ist nach außen nicht (oder nur wenig) magnetisiert, da sich die Magnetisierungsrichtungen der einzelnen Bezirke größtenteils gegenseitig aufheben.

Durch ein starkes externes Magnetfeld (die benötigte Stärke ist temperatur- und materialabhängig) können die ungeordneten Elementarmagnete parallel ausgerichtet werden. Durch die gleiche Ausrichtung der Weissschen Bezirke wird das Material selbst magnetisch.

2 Magnetisches Feld

Durch die geordnete Ausrichtung der Weiss’schen Bezirke entsteht ein außerhalb des Körpers messbares Magnetfeld. Magnetfelder sind Vektorfelder, die eine Krafteinwirkung auf magnetische Materialien im Raum ausüben. Die Stärke des Magnetfelds wird durch die magnetische Feldstärke \( \vec {H}\) beschrieben. Diese vektorielle Größe ordnet jedem Punkt des Raums, in dem das Magnetfeld wirkt, eine Richtung und einen Betrag zu. Magnetfelder und die damit verbundene magnetische Feldstärke werden mittels Feldlinien dargestellt. Magnetische Feldlinien besitzen charakteristische Eigenschaften:

• Magnetische Feldlinien sind immer geschlossen (quellenfrei).
• Außerhalb des Magneten verlaufen sie vom Nord- zum Südpol.
• Sie treten stets senkrecht aus bzw. in die Oberfläche des Magneten ein.