Magnetischer Fluss ist die Größe des Magnetfelds, die einen Bereich im rechten Winkel dazu durchdringt. In einer einfachen Situation, in der das Feld rechtwinklig durch eine ebene Fläche verläuft, ist diese Größe die Stärke des Magnetfelds multipliziert mit der Fläche der Fläche. In den meisten realen Situationen müssen jedoch andere Faktoren berücksichtigt werden. Magnetischer Fluss ist ein wichtiges Konzept in vielen Bereichen der Wissenschaft, mit Anwendungen in Bezug auf Elektromotoren, Generatoren und das Studium des Erdmagnetfelds. Es wird in der Physik durch den griechischen Buchstaben phi, , dargestellt.
Gaußsches Gesetz
Ein Stabmagnet hat zwei Pole, die aufgrund ihrer Reaktion auf das Erdmagnetfeld, das ungefähr von Nord nach Süd ausgerichtet ist, als Nord und Süd bezeichnet werden. Es ist eine wissenschaftliche Konvention, dass die magnetischen Kraftlinien von Norden nach Süden verlaufen. Nimmt eine Person die zweidimensionale rechteckige Fläche am nördlichen Ende eines Stabmagneten, so hat sie einen magnetischen Fluss, ebenso wie die Fläche am Südpol. Der Magnet als Ganzes hat jedoch keinen Fluss, da Nord- und Südende gleich stark sind und das Feld vom Nordpol in den Südpol „fließt“ und eine geschlossene Schleife bildet.
Das Gaußsche Gesetz für den Magnetismus besagt, dass für eine geschlossene Oberfläche, wie eine Kugel, ein Würfel oder ein Stabmagnet, der magnetische Fluss immer Null ist. Anders gesagt, ein noch so kleines Objekt mit Nordpol muss immer einen gleich starken Südpol haben und umgekehrt. Alles, was ein Magnetfeld hat, ist ein Dipol, das heißt, es hat zwei Pole. Einige Wissenschaftler haben spekuliert, dass magnetische Monopole existieren könnten, aber keine wurden jemals entdeckt. Wenn sie gefunden werden, müsste das Gaußsche Gesetz geändert werden.
Faradaysches Gesetz
Das Faradaysche Gesetz besagt, dass eine Änderung des magnetischen Flusses eine Spannung oder elektromotorische Kraft (EMF) in einer Drahtspule erzeugt. Dies wird durch einfaches Bewegen eines Magneten in der Nähe einer Drahtspule erreicht, ebenso wie eine Änderung der Stärke des Magnetfelds. Die erzeugte Spannung kann aus der Änderungsrate des magnetischen Flusses und der Windungszahl der Spule bestimmt werden.
Dies ist das Prinzip von Stromgeneratoren, bei denen Bewegung beispielsweise durch fließendes Wasser, Wind oder einen mit fossilen Brennstoffen betriebenen Motor erzeugt wird. Magnete und Drahtspulen wandeln diese Bewegung gemäß dem Faradayschen Gesetz in elektrische Energie um. Elektromotoren demonstrieren die gleiche Idee umgekehrt: Ein elektrischer Wechselstrom in Drahtspulen interagiert mit Magneten, um eine Bewegung zu erzeugen.
Magnetische Werkstoffe
Materialien variieren in ihrer Reaktion auf Magnetfelder. Ferromagnetische Substanzen erzeugen selbst ein stärkeres Magnetfeld, und dieses Feld kann bestehen bleiben, wenn das externe Feld entfernt wird und ein Permanentmagnet zurückbleibt. Eisen ist das bekannteste Element dieser Art, aber auch andere metallische Elemente wie Kobalt, Nickel, Gadolinium und Dysprosium zeigen diesen Effekt. Sehr starke Magnete können aus Legierungen der Seltenerdmetalle Neodym und Samarium hergestellt werden.
Paramagnetische Materialien erzeugen als Reaktion auf ein externes Magnetfeld ein Magnetfeld, das eine relativ schwache Anziehung erzeugt, die nicht dauerhaft ist. Beispiele hierfür sind Kupfer und Aluminium. Ein weiteres Beispiel ist Sauerstoff; in diesem Fall lässt sich die Wirkung am besten mit dem Element in flüssiger Form demonstrieren.
Diamagnetische Substanzen erzeugen ein Magnetfeld, das einem externen Feld entgegengesetzt ist und eine Abstoßung erzeugt. Alle Stoffe zeigen diesen Effekt, jedoch ist er normalerweise sehr schwach und immer schwächer als Ferromagnetismus oder Paramagnetismus. In einigen Fällen, beispielsweise bei einer Form von Kohlenstoff namens pyrolytischem Graphit, ist der Effekt stark genug, um ein kleines Stück dieses Materials direkt über einer Anordnung starker Magnete in der Luft schweben zu lassen.
Fluss berechnen und messen
Die Berechnung des Flusses für eine ebene Oberfläche im rechten Winkel zur Richtung eines Magnetfelds ist einfach. Oftmals ist es jedoch notwendig, die Menge für eine Drahtspule, auch Magnetspule genannt, zu berechnen. Unter der Annahme, dass das Feld senkrecht zum Draht verläuft, ist der Gesamtfluss die magnetische Feldstärke multipliziert mit der Fläche, die es durchquert, multipliziert mit der Anzahl der Windungen in der Spule. Steht das Feld nicht rechtwinklig zur Oberfläche, muss der Winkel berücksichtigt werden, den die magnetischen Feldlinien zur Senkrechten bilden, und das Produkt wird mit dem Kosinus dieses Winkels multipliziert.
Ein Instrument namens Fluxmeter wird verwendet, um die Größe des Feldes zu messen. Es beruht auf der Tatsache, dass ein Magnetfeld einen elektrischen Strom in einem Draht erzeugt, wenn sich die beiden relativ zueinander bewegen. Dieser Strom kann gemessen werden, um den Fluss zu bestimmen.
Magnetischer Fluss in der Geologie
Die Messung des magnetischen Flusses an verschiedenen Punkten der Erdoberfläche ermöglicht es Wissenschaftlern, das Magnetfeld des Planeten zu überwachen. Dieses Feld, von dem angenommen wird, dass es durch elektrische Ströme im Eisenkern der Erde erzeugt wird, ist nicht statisch, sondern verändert sich im Laufe der Zeit. Tatsächlich haben sich die magnetischen Pole in der Vergangenheit viele Male umgedreht und werden dies wahrscheinlich auch in Zukunft tun. Die Auswirkungen einer Polumkehr können schwerwiegend sein, da während der Änderung die Feldstärke über einen Großteil des Planeten verringert würde. Das Magnetfeld der Erde schützt das Leben auf dem Planeten vor dem Sonnenwind, einem Strom elektrisch geladener Teilchen von der Sonne, der schädlich wäre.
Maßeinheiten
Die Stärke eines Magnetfelds oder die magnetische Flussdichte wird in Tesla gemessen, einer Einheit, die nach dem Elektroingenieur Nikola Tesla benannt ist. Der Fluss wird in Webers gemessen, benannt nach dem Physiker Wilhelm Eduard Weber. Ein Weber ist 1 Tesla multipliziert mit 1 Quadratmeter und ein Tesla ist 1 Weber pro Quadratmeter.