Magnetfelder

Magnetfelder sind Vektorgrößen, die die Wirkung magnetischer Kräfte beschreiben. Sie zeigen, wie sich bewegte Ladungen, etwa elektrische Ströme, sowie magnetische Dipole in ihrer Nähe orientieren. Typische Quellen von Magnetfeldern sind Permanentmagneten, Leiterschleifen mit Strom und sich bewegende Ladungen. Der Feldvektor B (magnetische Flussdichte) folgt der Richtung der Kraftlinien.

In der Praxis werden zwei Größen verwendet: die magnetische Flussdichte B und die Feldstärke H. In Vakuum gilt B = μ0 H. In Materialien ist B = μ0(H + M) und hängt von der magnetischen Polarisierung M ab; bei linearen, isotropen Materialien gilt oft B ≈ μ H, wobei μ = μ0 μr.

Die Felder erfüllen die Maxwell-Gleichungen. Gauss’ Gesetz für Magnetfelder besagt ∇·B = 0, es gibt keine isolierten magnetischen Monopole. Faradays Gesetz (∇×E = -∂B/∂t) beschreibt die Entstehung von elektrischen Feldern aus zeitlich veränderlichen Magnetfeldern. Ampères Gesetz (∇×B = μ0 J + μ0 ε0 ∂E/∂t) verbindet Feldstärke, Ströme und zeitliche Änderungen des elektrischen Feldes. In Materialien wird zusätzlich die magnetische Polarisation berücksichtigt.

Eine stromdurchflossene Leiterschleife in einem Magnetfeld erfährt eine Kraft F = I L × B. Ein magnetisches Dipolmoment m in einem B-Feld erfährt ein Drehmoment τ = m × B, was Grundlage für das Kompassprinzip, Elektromagnete und Magnetresonanzverfahren bildet.

Magnetische Materialien zeigen verschiedene Verhaltensweisen: Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus. Bei ferromagnetischen Stoffen bilden sich Domänen; äußere Felder richten diese aus und es entsteht eine Hysterese. Die Eigenschaften hängen von Temperatur ab; oberhalb der Curie-Temperatur verlieren ferromagnetische Materialien ihre spontane Magnetisierung.

Anwendungen reichen von elektrischen Maschinen, Transformatoren und Datenspeichern bis hin zur Magnetresonanztomographie (MRT) in der Medizin. Das Erdmagnetfeld dient als Orientierungshilfe für Kompasse. In der Grundlagenforschung kommen Magnetfelder in Teilchenbeschleunigern, der Materialforschung und der Quantenphysik zum Einsatz.