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Magnetfeld der Erde

Was ist ein Magnetfeld und wie entsteht es?

Magnetfeld eines Stabmagneten © Dr. Ramm

Ein Magnetfeld entsteht immer dann, wenn sich elektrische Teilchen - in der Regel Elektronen - bewegen, also ein Strom fließt. Bei Permanentmagneten ist das die Summe aus den bewegten Elektronen der riesigen Anzahl  von Atomen, aus denen der Magnet besteht.

Daher ist jeder elektrische Leiter - auch die Leitungen im Haushalt oder die Hochspannungsleitungen - von einem Magnetfeld umgeben. Um ein besonders starkes Magnetfeld zu erhalten, kann man einen Leiter  viele Male aufwickeln und damit eine Spule erzeugen.

Deren Magnetfeld hat dann einen in der Abbildung prinzipiell dargestellten Verlauf.
Sofern ein Gleichstrom fließt, sich die Stromstärke und Polarität also nicht mit der Zeit ändert, folgt daraus auch ein konstantes Magnetfeld.

Ändert sich jedoch die Stromstärke, so ändert sich im gleichen Rhythmus auch das zugehörige Magnetfeld. Ein typisches Beispiel für Wechselströme sind unser Haushaltsstrom oder der Strom für die Züge der Deutschen Bahn. Unser Haushaltsstrom ändert seine Polarität (Richtung) 50-mal pro Sekunde, was einer Frequenz von 50 Hertz entspricht. Die Frequenz des Stroms bzw. der Spannung der Deutschen Bahn beträgt übrigens 16 2/3 Hertz.

Magnetfelder werden in der Technik über die erwähnten Spulen oder - bei höheren und sehr hohen Feldstärken - mit Hilfe von supraleitenden Spulen erzeugt. Bei den supraleitenden Spulen können aufgrund der Eigenschaft bei extrem niedrigen Temperaturen sehr hohe Ströme praktisch ohne Widerstand und damit ohne Energieverlust sehr lange in dem Leiter (Spule) fließen. Ein gutes Beispiel sind dafür die mit Hilfe von supraleitenden Spulen erzeugten konstanten Magnetfelder in den Kernspin-Tomografen (MRT) in der Medizin.

Das Magnetfeld in den metallischen Magneten (Eisen bzw. bestimmten Legierungen) entsteht ebenfalls durch einen Strom. Es sind die vielen um dem den Atomkern kreisende Elektronen, die aus ihren winzigen einzelnen Magnetfeldern alle zusammen ein größeres Magnetfeld erzeugen.

Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule © Dr.Ramm

Sofern man in die Spule eine ferromagnetische Substanz - z.B. einen Eisenkern einführt - erhöht sich das Magnetfeld um einen Faktor bis zu 3.000.

Hinweis

Die Lage des Nord- bzw. Südpols in der Spule hängt nicht primär von der Lage des Plus- und Minuspols ab, sondern ist von der Richtung des Stromes in der Spule abhängig und der ist z.B. bei einer im Uhrzeigersinn gewickelten Spule genau entgegengesetzt zu einer gegen den Uhrzeigersinn gewickelten.

Maßeinheiten von Magnetfeldern

Das magnetische Feld H
Die magnetische Feldstärke bzw. das magnetische Feld H ergibt sich aus der Stromstärke pro Länge:

H = Stromstärke/Länge

Daraus folgt nach Einsetzen der entsprechenden Einheiten für die Stromstärke - Ampere (A) und die Länge - Meter (m):

H = A/m

Die Maßeinheit Ampere pro Meter besitzt keine besondere Bezeichnung. 
Wobei früher die Einheit Örstedt verwendet wurde. (1 Örstedt = 1.000 A/4π·m = 79,59 A/m)

Magnetische Flussdichte B
Die Maßeinheit Ampere pro Meter spielt bei praktischen Anwendungen oft eine eher untergeordnete Rolle. Stattdessen wird die magnetischen Flussdichte B angegeben. Oft wird auch B - gerne aber nicht ganz korrekt -  vereinfacht als magnetische Feldstärke bezeichnet. Die magnetische Flussdichte im Vakuum errechnet sich aus dem Magnetfeld H durch Multiplikation mit der Naturkonstanten μ0, die als absolute Permeabilität bezeichnet wird. Bei Berechnung von B in Materie muss dieses Produkt dann noch mit der relativen Permeabilität μ multipliziert werde. Diese dimensionslose (ohne Einheiten) Größe ist für Luft nahezu Eins und muss für jede andere Substanz aus Tabellen bezogen werden. Somit folgt für die magnetische Flussdichte in Materie:

B = μ·μ0·H
0 = 1,256·10-6 V·s/A·m)
V = Volt
s = Sekunde
A = Ampere
m = Meter

Die Maßeinheit der magnetischen Flussdichte ist das Tesla

1 Tesla (T) = 1V·1s/1m2

Die in der Medizin verwendeten Kernspin-Tomografen besitzen in der Regel magnetische Flussdichten zwischen 1 Tesla und 3 Tesla - wobei es aber hier und da auch Geräte mit höheren Feldstärken gibt.

Größe, Wirkung und Entstehung des Erdmagnetfeldes

Größe des Erdmagnetfeldes
Die magnetische Flussdichte des Erdmagnetfeldes - gemessen in Tesla (T) - liegt je nach dem betrachteten Ort auf der Erde zwischen:

30 bis 60 μT

Verglichen z.B. mit den Feldern von Kernspin-Tomografen von 1 bis 3 T ist es das Magnetfeld der Erde also recht gering.
Es sei daran erinnert, dass 1 μT = 10-6 T, also 1 Millionstel Tesla sind.

Wirkung des Erdmagnetfeldes
Das Magnetfeld der Erde erzeugt magnetische Feldlinien, die an jedem Ort der Erdoberfläche die Richtung und Stärke des Feldes beschreiben. Dabei ist zu beachten, dass die kontinuierlich über die Erdoberfläche verteilten Feldlinien in der Regel nicht exakt in Richtung des magnetischen Nordpols zeigen, sondern an den meisten Orten eine Abweichung davon besitzen. Diese Abweichung wird in Grad angegeben. Meist sind es allerdings nur wenige Grad Abweichung. Dabei werden Abweichungen in westliche Richtung als negativ (-) und Abweichungen in östliche Richtungen als positiv (+) gekennzeichnet. In den Seekarten für die Berufs- und Sportschifffahrt sind diese Werte - sogar mit ihren jährlichen Änderungen eingezeichnet, bzw. in den elektronischen Karten entsprechend dargestellt

Die magnetischen Feldlinien verlassen das Erdinnere am geografischen Südpol und treten am geografischen Nordpol wieder ein. Dabei ist etwas verwirrend, dass am geografischen Nordpol der magnetische Südpol liegt - und entsprechend am geografischen Südpol der magnetische Nordpol.
Eine Magnetnadel (Kompassnadel) richtet sich im Magnetfeld der Erde in Richtung der Feldlinien aus, die an dem entsprechenden Ort gerade auf die Magnetnadel wirken. Auch ist bekannt, dass sich zahlreiche Tiere am Magnetfeld der Erde orientieren - so z.B. Vögel.
Interessant ist auch, dass sich das Feld im Laufe der 4,5 Milliarden Jahre langen Erdgeschichte mehrere hundert Mal umgepolt hatte. Das letzte Mal vor ca. 780.000 Jahren. Man konnte dies daran erkennen, da eisenhaltige flüssige Vulkangesteine beim Erstarren das gerade herrschende Magnetfeld "sozusagen " gespeichert hatten. Da das Erdfeld seit den ersten Messungen um 1830 bis heute um etwa 10% schwächer geworden ist, geht man davon aus, dass sich das Erdfeld gerade wieder in einer Phase der Umpolung befindet - also der jetzige magnetische Südpol zum Nordpol - und umgekehrt - wird.
Ganz wichtig ist das Magnetfeld bei der Ablenkung des Sonnenwindes, der u.a. aus geladenen Teilchen besteht.

Wie entsteht das Magnetfeld der Erde?
Mit Hilfe der obigen Erläuterungen zur Entstehung eines Magnetfelds lässt sich diese Frage im Prinzip gut beantworten, wenn auch zahlreiche Detail noch einer wissenschaftlichen Erklärung harren:
Um ein Magnetfeld zu erzeugen, müssen nach dem Gesagten irgendwo innerhalb der Erde größere elektrische Ströme -z.B. in Form bewegter elektrisch geladener Flüssigkeiten - fließen. Und in der Tat   "fließen" derartige  Ladungen  im flüssigen äußeren Erdkern, der sich zwischen dem festen eisernen inneren Erdkern und dem ca. 2.900 km dicken Erdmantel befindet. Die Energie für den stetigen Fluss bezieht das "System" aus dem Temperaturunterschied zwischen dem inneren Erdkern mit dem untersten Teil des äußeren Erdkerns und dem darüber liegenden festen und kühleren Erdmantel. So steigt ständig heißes flüssiges und stark eisenhaltiges Material innerhalb des äußeren Erdkerns auf und steigt bis zum Erdmantel, wo es abkühlt und dann wieder absinkt. Wegen der Corioliskraft bekommt das Ganze noch eine senkrecht dazu liegende Bewegungskomponente.
Die Feldumkehrprozesse sind noch nicht hinreichend genau bekannt, daher verzichten wir an dieser Stelle auf eine Erläuterung und belassen es bei der Feststellung, dass sie relativ regelmäßig stattfinden - im Mittel alle 250.000 Jahre.


Kommentare
Saigmar Otto  (Montag, 23.11.2015)
Ich finde diesen Artikel zwar aufklärend, aber dennoch bitte ich Sie höflich, etwas weniger Physik zu schreiben. Ich bedanke mich im Voraus recht herzlich bei Ihnen. GORUMA: Wir sind Ihrem Wunsch nachgekommen und haben ein wenig gekürzt.
Stop Phantasy Satellite Accompagying !  (Mittwoch, 13.05.2015)
Da das Erdfeld seit den ersten Messungen um 1830 bis heute um etwa 10% schwächer geworden ist, geht man davon aus, dass sich das Erdfeld gerade wieder in einer Phase der Umpolung befindet - also der jetzige magnetische Südpol zum Nordpol - und umgekehrt - wird.; und was ist mit Bergbau und Raumfahrt?


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