Entstehung eines Erdmagnetfeldes

Das Erdmagnetfeld besteht hauptsächlich aus dem Geodynamo, im flüssigen, äusseren Erdkern. Man kann sich diesen Geodynamo etwa wie einen magnetischen Dipol, physikalische Anordnung zweier Pole, vorstellen, der stabile Phasen hat, die viele 10 000 Jahre andauern und stehts leicht schief zur Erdachse steht.

Weiter braucht das Erdmagnetfeld elektrische Ströme in der Ionosphäre und der Magnetosphäre. Es schwächt die Dipole des Hauptfeldes und die Störung in der Magnetosphäre.

Zuletzt benötigt es noch das Feld der remanenten Magnetisierung der Erdkruste. Unter remanenter Magnetisierung versteht man eine Restmagnetisierung. Mit einer Restmagnetisierung meint man eine Magnetisierung durch ein externes Magnetfeld. Wodurch die magnetisierten Teilchen des externen Magnetfeldes zurückbleiben, beim Entfernen des externen Feldes. In diesem Falle ist es die Erdkruste, die durch eine externe Quelle magnetisiert worden ist.

Nutzung des Erdmagnetfeldes

Auswirkungen des Erdmagnetfeldes bemerken wir an der Oberfläche nicht, denn diese spielen sich im Erdinneren ab. Wir nutzen das Feld zur Orientierung mit dem GPS, zum Richtbohren (Richtung beim Tiefbohren beeinflussen) und auch Tiere nutzen es, wie der Rotfuchs, der sich am magnetischen Feld der Erde orientiert.

Das Magnetfeld wird in der Physik auch B-Feld genannt und dies kann man mit den Feldlinien darstellen. Je dichter die Feldlinien aneinander dargestellt sind, desto stärker ist das Magnetfeld. Man spricht von einem homogenen Feld, wenn zum Beispiel bei einem Hufeisenmagneten in der Mitte das Magnetfeld überall in gleichen Zügen herrscht.

Magnetische Pole + Polarlichter

Das Zerbrechen von magnetisiertem Eisen (Magneten) lässt zwei neue Magnete entstehen mit jeweils einem Nord- und Südpol. Und wenn man zwei Magnete zusammenfügt, entsteht ein Magnet mit einem Nord- und Südpol.

Magnetische Monopole wurden an sich noch nicht entdeckt, aber trotzdem wurde ein Forscherteam 2009 fündig, mit magnetischen Monopolen in Kristallen. Sie waren zwar keine komplett freie, magnetische Monopole und existieren bloss als kollektives (zusammensuchen) Phänomen, aber dennoch konnte man sie dazumals erschaffen und studieren.

Wenn man einen Magneten, zum Beispiel an einer Schnur herumschweben lässt, dann zeigt der Nordpol des Magneten immer zum geologischen Nordpol der Erde. Der magnetische Nordpol der Erde steht, im Gegensatz zum geologischen Nordpol, nie still. Mal bewegt er sich schneller, mal langsamer. Momentan ist der magnetische Südpol etwa über Sibirien. Das heisst, der magnetische Südpol ist etwa beim geographischen Nordpol. Darum zeigen auch alle kleinen Magnet von uns mit der Nordseite zum geographischen Norden.

Der magnetische Nordpol wurde 1838 entdeckt und verschiebt sich im Moment um die 40 Kilometer pro Jahr. Die magnetischen Pole der Erde haben eine grosse Variabilität. Das heisst wenn sie gerade vorwärts gehen, können sie auch irgendwann wieder zurückgehen. Nur wenn sie nicht mehr zurückgehen, ist eine Polumkehrung möglich. So eine Polumkehrung gab es zuletzt vor 780 000 Jahren.

Die Polarlichter gehen mit dem Magnetfeld mit, das heisst wenn sich die Pole irgendwann wieder tauschen, gäbe es im Verlaufe der Wanderung auf der ganzen Welt Nordlichter zu sehen und nicht bloss in Alaska. Nordlichter entstehen, wenn das Magnetfeld elektrisch geladene Teilchen (Elektronen/Protonen) der Sonne abfangen und zu den Polen leiten. Dort treten sie dann in die Erdatmosphäre ein, wo Sauerstoff- und Stickstoffatome auf geladene Teilchen, also Elektronen und Protonen, treffen und diese ionisieren. Ionisation ist ein Vorgang, bei dem mehrere Elektronen aus einem Atom entfernt werden und somit das Atom als positiv geladenes Ion (elektrisch geladenes Atom) zurückbleibt.

Wenn man nahe genug an den Polen ist, lässt sich das Phänomen der Polarlichter beobachten. Dass aber überhaupt ein Aufeinandertreffen der Atome der beiden Sphären geschieht, erfordert es vorgängig einen magnetischen Sturm. Der Auslöser kann aber auch eine Störung der Magnetosphäre eines Planeten sein, wenn spezifisch die Erde gemeint ist: Geomagnetischer Sturm, anstelle der Sonne. An dieser Stelle kommen die Elektronen und Protonen von der Magnetosphäre und von dieser können sie in die Atmosphäre eindringen.

Das Phänomen der Anziehung und Abstossung

Was genau das Phänomen Magnetismus ist kann man nicht sagen, man  nimmt an es existiert ein Art Magnetfeld, eine Art Energie, die Materialien aus Nickel, Eisen und Kobalt anzieht. Wieso lassen sich die Stoffe von Magneten anziehen?

Jedes Eisenatom hat 26 Elektronen, die sich im Kreis drehen und dabei den Nukleus umdrehen, die Elektronenspins genannt werden. Vergleichbar mit der Erde, wie sie um die Sonne dreht. Diese Drehbewegung der Elektronenspins wirkt magnetisch, wie man es bei Magneten kennt. Aber durch die häufige Auftreten als Paar der Elektronen geht die magnetische Wirkung wieder ein wenig verloren. Jedoch nur ein wenig, weil 4 von den 26 Elektronen einzeln vorkommen und somit verleihen sie dem ganzen Eisenatom eine magnetische Wirkung.

Solch eine Wirkung besitzt auch Aluminium, Kupfer und sogar Sauerstoffatome. Ein kleiner Anteil vom flüssigen Sauerstoff neigt dazu von einem Magneten leicht angezogen zu werden. Dies entspricht etwa einem Millionstel der Anziehungskraft und ist somit sehr schwach.

Eisenatome werden auch, wegen ihrer magnetischen Fähigkeit, Eisenatommagnete und diese wiederrum werden Elementarmagnete genannt. Diese Elementarmagnete sind winzig kleine Magnete mit Nord- und Südpolen, beispielsweise Stabmagneten. Bei zum Beispiel einem Eisenstab sind ganz viele kleine Elementarmagnete in den Stäbchen, die ihre Richtung variieren können, somit schauen alle in all möglichen Richtungen und das Material ist unmagnetisch.

Wenn man nun einen Magneten nimmt und über einen Eisenquader streicht, dann lenkt man alle Elementarmagnete im Eisenquader in eine Richtung und die Summe der schwachen Magnetfelder, der Elementarmagnete bilden ein starkes Magnetfeld. Dann sind beispielsweise alle Nordpole nach links gelenkt und die Südpole nach rechts. Diesen Vorgang nennt man Magnetisieren. Die Elementarmagnete schauen nach der Magnetisierung immer noch in die gleiche Richtung, an der man sie geführt hat, weil alle Eisenatome gleichgross und gleichgeformt sind. Ein Beispiel ist Magnetit, der schon magnetisch ist: Wenn aber einige Elementarmagnete schon parallel zueinander eingestellt sind, so passt sich der Rest an wegen den kleinen Magnetfeldern und das Material ist magnetisch, wie Magnetit.

Dieses Prinzip funktioniert ebenso bei Nickel und Cobalt, denn deren Atome haben ebenso die gleiche Grösse und Form wie ein Eisenatom. Deshalb werden diese drei Elemente auch als ferromagnetische Elemente bezeichnet, wobei Eisen die stärkste magnetische Kraft besitzt. Auf diese drei Elemente trifft man im Alltag sehr oft an.

Energie des Magnetfeldes

Die Energie, die etwas Anziehen oder Abstossen lässt, wird mit dem Magnetfeld erklärt, aber diese Theorie zeigt nicht, was genau hinter dem Magnetfeld steckt. Wir wissen bloss, dass eine Energie um den Magneten herum herrscht. Somit machte man sich ein Bild/Theorie, wie die Energie aussehen könnte und kam auf ein Feld, das die Energie bildet. Und da diese Theorie schon so lange bekannt ist, reden alle von einem sogenannten Feld, das den Magneten umgibt. Doch wie schon erwähnt ist dieses Magnetfeld bloss ein Konstrukt um die Anziehung und Abstossung von bestimmten Elementen zu erklären.

Man kann dieses Feld zwar mit Hilfe von Eisenspänen sichtbar machen, aber ob es schlussendlich wirklich so aussieht können wir, wie auch die Energie, die hinter dem Magnetfeld steckt, nicht erkennen.

Eine Theorie der Energie, die hinter dem Magnetfeld steckt: Wenn man Eisen magnetisiert, entsteht im Eisen eine magnetische Energie. Jedes System hat das Bestreben, die eigene Energie zu minimieren, wie beispielsweise der Luftdruck mit dem Hoch und Tief. Wenn man nun an ein Magnetfeld einen Eisenquader legt, wird die Energie vom Eisenquader aufgenommen. Denn die Anziehung im Eisen ist viel niedriger, somit ist die Energie am wirkungsvollsten minimiert, wenn sich so viel wie möglich der Energie des Magnetfeldes im Eisen befindet.  Um dies zu realisieren muss das Eisen so nahe an den Magneten ran wie möglich.

In die Theorie würde auch dies passen: Die Energie hat einen Fluchtort, wenn sich zwei Magnete mit jeweils Nord- und Südpol zusammenschieben. Und das Abstossen von zwei gleichen Polen würde auch in das Konzept passen, denn wenn man zwei Nordpole oder zwei Südpole aneinanderdrückt so stossen sie sich ab, weil sich sonst mehr Kraft auf kleinem Raum befinden und somit die Kraft verstärkt werden würde. Dennoch ist dies eine Beschreibung/eine Vorstellung und keine Erklärung.

Elektromagnetismus

Elektromagnetismus ist eine der vier fundamentalen Wechselwirkungen (Grundkräfte der Physik) der Physik. Die anderen drei sind Gravitation, schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung. Denn diese sind für sämtliche Prozesse in der Physik verantwortlich.

Wie schon erwähnt, funktioniert ein Elektromagnet nur mit Strom. Dies geschieht, da die Elektronen (Strom) durch einen Draht von A nach B fliessen und dank den Elektronenspins (die magnetisch wirken auf die Elektronen) werden die Elementarmagnete, beispielsweise im Kupfer, alle in eine Richtung gelenkt und somit wirkt der Draht magnetisch. Dadurch, dass noch mehr Elektronen in den Draht kommen, verstärkt sich das Magnetfeld.

Wenn man die Stromzufuhr unterbricht, gehen die Elementarmagnete wieder zurück in ihre alte Stellung und der Draht ist wieder unmagnetisch, weil beispielsweise bei Kupfer die Atome nicht gleichgross und gleichgeformt sind, halten die Elementarmagnete nicht die Stellung wie im Eisen.

Eine Spule ist eigentlich bloss ein Draht, der aufgewickelt ist und dank der Stromzufuhr, innen- und aussenhalb des Drahtes ein Magnetfeld entsteht. Dabei gilt: Der Pluspol der Spule/Draht ist der Südpol des Magnetes und der Minuspol ist der Nordpol.

Watkins und Sturgeon haben dazumals noch einen Eisenzylinder, ohne Kontakt zwischen dem Draht, hineingebaut um die magnetische Kraft zu verstärken, weil dann die Summe der kleinen Magnetfelder der Elementarmagneten gestiegen. Ebenso kann man das Ganze mit einem Weicheisenmantel einhüllen um die Kraft zu verstärken.

Zum Elektromagnetismus lässt sich noch beifügen, dass es dort noch eine zusätzliche Kraft gibt, die Lorentzkraft. Diese wirkt aber erst, wenn man ein Elektron durch ein Magnetfeld durchfliegen lässt, dann wird das Elektron von seiner Laufbahn leicht weggedrückt. Die Formel dafür lautet: F=Q*V*B.

-F=Lorentzkraft

-Q=Ladung

-V=Geschwindigkeit

-B=Magnetisches Feld