Magnetfeldlinien, sichtbar gemacht mit Eisenfeilspaenen in Oel

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Woraus besteht ein Magnetfeld?

Abb. 1 ¦ Magnetfeld in Öl Magnetfeldlinien, sichtbar gemacht mit Eisenfeilspaenen in Oel
BildunterschriftMagnetfeldlinien, sichtbar gemacht mit Eisenfeilspänen in Speiseöl. Öl und Eisenspäne befinden sich im Deckel eines Marmeladenglases – das hat den Vorteil, dass der Magnet darunter haftet und das Muster auch erhalten bleibt, wenn man den Deckel herumträgt.Bildunterschrift Ende

Diese Frage wurde mir vor einiger Zeit von einem Leser gestellt (der seinerseits von einem Schüler gefragt wurde). Ich habe mal ins Blaue hineingedacht und ich glaube im Moment, dass sie in dem Sinne, in dem der Schüler sie beantwortet haben möchte, gar nicht zu beantworten ist.

Ich glaube, da kommen wir an ein ganz grundsätzliches Problem – dass die Physik nämlich letztlich „nur“ beschreibt, was wir sehen, aber nicht wirklich das Wesen der Dinge erklärt. Erklärungen gibt es nur in dem Sinne, dass eine Beschreibung auf eine grundlegendere Beschreibung zurückgeführt wird. (Ich setze das „nur“ bewusst in Anführungszeichen, weil die Beschreibungen, die die Physik liefert, ja natürlich nicht wertlos sind – im Gegenteil.)

Wir erkennen, dass der Fall des Apfels vom Baum und der Umlauf der Erde um die Sonne auf dieselbe Kraft zurückzuführen ist, wir finden auch eine Möglichkeit, diese Kraft in eine Gleichung zu übersetzen und damit berechenbar zu machen – aber wir begreifen nicht wirklich, was Gravitation ist, was da nun eigentlich den Apfel fallen lässt. Auch im nächsten Schritt, dem Übergang von der newtonschen Gravitationstheorie zur Allgemeinen Relativitätstheorie, kommen wir hinsichtlich des Begreifens nur scheinbar weiter – Gravitation als Raum-Zeit-Krümmung führt zwar die Gravitation auf die Raum-Zeit zurück, aber dann stellt sich die Frage, was ist der Raum, die Zeit, die Raum-Zeit eigentlich? Und wie machen Massen das, das Beeinflussen der Raum-Zeit? (Was sind überhaupt Massen? und so weiter …)

Irgendwann hat der erste Mensch beobachtet, dass Magnete Eisen anziehen. Irgendwann später hat man dann angefangen zu überlegen, wie man dieses Phänomen „erklären“ kann. Herausgekommen ist aber eigentlich „nur“ ein Modell, das das Phänomen „Magnetismus“ beschreibt – das Modell des Magnetfeldes. Die Wirkung das Magneten lässt sich eben so beschreiben, als sei er von einem Feld umgeben. Ein Feld erteilt jedem Punkt im Raum eine bestimmte Eigenschaft – in diesem Fall die Eigenschaft, dass Eisen eine Kraft spürt, die es auf den Magneten zufliegen lässt.
Und da wir das Modell schon so lange kennen, reden wir inzwischen davon, dass der Magnet von einem Feld umgeben ist. Aber letztlich ist das Feld nur ein Konstrukt, um die Beobachtung der Anziehung/Abstoßung bestimmter Materialien in der Nähe von Magneten zu beschreiben.

Auf die Frage „Woraus besteht ein Magnetfeld?“ meinte mein Mann spontan: „Aus Energie.“
Wenn man ein Stück Eisen zum Magneten macht, muss man die „Atommagneten“ ausrichten, also Arbeit hineinstecken. Diese Arbeit steckt anschließend im Magnetfeld als magnetische Energie. Nun hat ja jedes System das Bestreben, seine Energie möglichst zu minimieren. Bringt man Eisen in das Magnetfeld, befindet sich das Magnetfeld an dieser Stelle im Eisen und nicht mehr in der Luft. Im Eisen hat das Magnetfeld eine geringere Energie als in der Luft (das wird durch die hohe Permeabilität ausgedrückt). Die Energie des ganzen Systems kann also dann am wirkungsvollsten minimiert werden, wenn sich „möglichst viel“ Magnetfeld im Eisen befindet – also muss das Eisen dorthin, wo das Feld am stärksten ist, direkt neben den Magneten.
Damit ist das Phänomen, dass Eisen von Magneten angezogen wird, auf die Tatsache zurückgeführt, dass jedes System einen Zustand möglichst geringer Energie einnehmen will.

Aber letztlich ist auch diese Beschreibung über die Energie wieder ein Modell, das zwar die Vorgänge beschreibt, aber nicht wirklich erklärt. Denn es sagt nichts darüber aus, was magnetische (oder sonstige) Energie eigentlich ist. Wenn ein Körper sich in Bewegung setzt, kann man das im „Kraftmodell“ ausdrücken (der Körper spürt eine Kraft – magnetisch, elektrisch, …) oder im „Energiemodell“ (er hat im Feld das Bestreben, den energetisch günstigsten Zustand einzunehmen). Man kann damit beschreiben, was um einen herum geschieht (nach dem Übersetzen in die Sprache der Mathematik auch quantitativ). Aber man kann damit nicht begreifen, was die Kraft oder Energie eigentlich sind.

So weit erst mal meine Gedanken zum Thema.

© Wiebke Salzmann, April 2009

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