Elektrischer Strom und Magnetfeld

Bereits im Altertum war bekannt, dass Magneteisenstein (Magnetit, $Fe_3O_4$) Eisen anzieht und durch Berühren diese Fähigkeit auf Körper aus Eisen überträgt. Vor rund 2 000 Jahren verwendeten chinesische Seefahrer Magnetnadeln als Kompasse, seit dem 12. Jh. kennt man in Europa Kompasse. Columbus (1451-1506) kannte bereits die Missweisung (Deklination), die Abweichung der Magnetnadel von der geografischen Nordrichtung.

Dem Magneteisenstein wurde auch heilende Wirkung zugeschrieben; so meinte der Arzt Paracelsus (1493-1541 Salzburg) „Der Magnet hat die Kraft, Krankheiten festzuhalten, deswegen muss man ihn auf den Krankheitsherd legen.“ Zu Ende des 16. jh. erkannte der Londoner Arzt William Gilbert (1544-1603), dass die Kraft eines Magneteisensteines von allen Teilen des Steins ausgeht und nicht nur in den sogenannten Polen konzentriert ist. Seine Versuche mit einem kugelförmig geschliffenen Magnetstein führten ihn zur Erkenntnis, dass die Erde selbst ein großer Magnet ist.

Gilberts Terrella (kleine Erde) aus Magneteisenstein ist ein Modell für das Magnetfeld der Erde. Magnetnadeln zeigen die Richtung des Magnetfeldes der Kugel.

Lange standen Elektrizität und Magnetismus als getrennte Phänomene neben einander. Wie viele seiner Zeitgenossen suchte der Däne Christian Oersted (1777-1851) nach einem Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus, da er alle Naturerscheinungen als Einheit ansah. 1820 entdeckte er:

Eine Magnetnadel, über die parallel ein stromführender Draht gespannt ist, wird aus ihrer Nord-Süd-Stellung abgelenkt.

Hans Christian Ørsted entdeckte 1820, dass eine Magnetnadel aus der Nord-Süd-Richtung abgelenkt wird, wenn zu ihr parallel ein Draht Strom führt.

Oersted teilte diese wissenschaftliche Sensation befreundeten Wissenschaftlern mit, die seine Experimente weiter ausbauten. Über Oersteds Entdeckung schrieb Goethe: „… als auf einmal in der Entdeckung des Bezuges des Galvanismus auf die Magnetnadel durch Prof. Oersted sich uns ein blendendes Licht auftat.“

Ein einfaches Experiment zeigt das Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter:

Demo-Experiment: Magnetfeld um einen stromführenden Leiter

Man steckt einen geraden Draht durch ein Blatt Papier und bestreut es mit Eisenfeilspänen. Man lässt kurz einen Strom von einigen Ampere durch den Draht fließen. Die Eisenspäne ordnen sich als Magnetnadeln in konzentrischen Kreisen um den Draht an. Die zusätzlichen Magnetnadeln zeigen die Richtung der Kraft: Umfasst man den Leiter mit der rechten Hand, wobei der Daumen in die technische Stromrichtung zeigt, geben die Fingerden Umlaufsinn der Feldlinien um den Leiter an (Rechtsschraubenregel).

Die Verteilung von Eisenfeilspänen um einen Strom führenden Draht veranschaulicht das Magnetfeld in seiner Umgebung.

Da diese Kraftwirkung im gesamten Raum um den Draht vorhanden ist, spricht man von einem Magnetfeld, das den Draht umgibt. Stab- und Hufeisenmagnete zeigen eine ähnliche Wirkung - auch der Raum um Permanentmagnete ist von einem Magnetfeld erfüllt.

Grafisch werden Magnetfelder durch Feldlinien dargestellt. Ihre Richtung wird durch den nach Norden weisenden Pol einer kleinen Magnetnadel (Nordpol) bestimmt. Wie beim elektrischen Feld wird die Stärke des Magnetfelds in einem Raumbereich durch die Dichte der Feldlinien veranschaulicht. Magnetische Feldlinien sind im Gegensatz zu elektrischen Feldlinien immer in sich geschlossen, sie haben weder Anfang noch Ende. Trotz intensiver Suche konnten bisher keine einzelnen Magnetpole gefunden werden - es gibt keine magnetischen Ladungen, von denen Feldlinien ausgehen.

Das Magnetfeld eines Stabmagneten, sichtbar gemacht durch kleine Magnetnadeln