Magnete stellen für viele Leute etwas Mysteriöses dar. Schließlich kann der Mensch Magnetismus weder sehen, hören, riechen, schmecken noch direkt fühlen. Zudem ziehen Magnete ferromagnetische Gegenstände oder andere Magnete wie von Geisterhand an. Glauben Sie etwa, daß es sich um ein unerklärbares Phänomen handelt? Dem ist mitnichten so! Magnetismus ist etwas, was die Wissenschaft schon seit sehr langer Zeit kennt und versteht. Nur leider ist nicht naturwissenschaftlich geprägten Menschen das Wissen darüber nicht sehr leicht zu vermitteln, weil man Magnetismus halt weder mit Händen fassen kann noch sich mittels einfacher Versuchsaufbauten zu Hause begreifbar machen kann. Nachfolgend finden Sie den Versuch einer einfach gehaltenen Erklärung des Magnetismus anhand von Bildern statt durch Formeln.

Für die zugunsten der Einfachheit etwas ungenaue Beschreibung bitte ich um Nachsicht. Wer es genauer wissen möchte, findet geeignete Literatur in der Regel bei den Physikbüchern für Oberstufe oder Universtität. Meiner Meinung nach sind übrigens für Studenten gedachte Bücher oft besser als Schulbücher zu verstehen, weil sie oft für das Selbststudium vorgesehen sind.
Es dürfte wohl jedem bekannt sein, daß ein Stabmagnet zwei, in Anlehnung an die Erde normalerweise als Süd- und Nordpol bezeichnete Enden besitzt, auch Pole genannt. Hat man zwei Magnete, so ziehen sich Nord- und Südpol an, während sich gleiche Pole abstoßen, ohne daß man hierzu Energie zuführen muß. Auf dieser Basis funktionieren auch Kompaßnadeln: Es handelt sich um kleine, sehr leichte, beweglich gelagerte Magnete, die sich üblicherweise im Magnetfeld der Erde ausrichten und aufgrund ihrer Ausrichtung eine Information über das umgebende Magnetfeld liefern.

Indem man z.B. auf einen mit vielen Kompaßnadeln versehenen Karton einen Stabmagneten legt, kann man die Auswirkungen des starken Magnetfelds eines Magneten auf die Umgebung d.h. die schwachen Magnetfelder der Kompaßnadeln studieren. Mit einer Reihe von Kompaßnadeln kann man also Magnetfelder "sichtbar" machen. In Bild 2 ist dies anhand einer Graphik verdeutlicht.

Die Kompaßnadeln richten sich hierbei an den magnetischen Feldlinien aus, von denen in roter Farbe vier Stück exemplarisch eingezeichnet sind. Es handelt sich hierbei nur um gedachte Linien, denn sehen kann man sie selbstverständlich nicht.
Schon im Jahr 1820 stellte der Physiker Oersted fest, daß eine Kompaßnadel von stromdurchflossenen Leitern beeinflußt wird. Magnetismus kann also durch Stromfluß erzeugt werden. Wenn man den oben beschriebenen Versuch mit einem stromdurchflossenen Leiter wiederholt, der durch den mit Kompaßnadeln versehenen Karton geführt wird, stellt man fest, daß um den Leiter ein ringförmiges Magnetfeld erzeugt wird (Bild 3, linke Seite).

Auf der linken Seite von Bild 3 sind nur diejenigen Feldlinien dargestellt, die sich in einer Ebene rechtwinklig zum stromdurchflossenen Leiter befinden, da die Kompaßnadeln ja nur in einer Ebene angeordnet sind. Man kann aber den gesamten Karton mit den Kompaßnadeln auf dem Leiter hin- und herschieben und erhält immer das gleiche Bild. Somit gilt der dargestellte Sachverhalt für jede Stelle des Leiters, so daß sich bei einem ringförmigen Leiter das auf der rechten Seite von Bild 3 dargestellte magnetische Feld ergibt, wobei Sie die rot gezeichneten Feldlinien auf dem linken Bild denjenigen auf der rechten Seite entsprechen. Selbstverständlich haben die eingezeichneten Feldlinien nur exemplarischen Charakter, denn es gibt unendlich viele davon. Alle Feldlinien zusammen ergeben das magnetische Feld.
Die wichtige Erkenntnis ist: Magnetfelder werden durch elektrischen Strom, d.h. sich bewegende Elektronen hervorgerufen.

Oben wurde dargestellt, wie man mit elektrischem Strom Magnetfelder erzeugen kann. Wie aber funktionieren Permanentmagnete? Ein auch als Dauermagnet bezeichneter Permananentmagnet erzeugt nämlich Magnetfelder, ohne daß man einen Stromfluß erkennen könnte. Trotzdem arbeitet auch ein Permanentmagnet mit Strom; allerdings muß dieser nicht von außen zugeführt werden. Ein Permanentmagnet besteht aus vielen sehr kleinen Elementarmagneten, die durch eine Ansammlung von Atomen gebildet werden. Bei jedem Atom umkreist mindestens ein Elektron den Atomkern. In Bild 4 ist dies anhand eines Wasserstoffatoms, welches nur ein einziges Elektron besitzt und damit das am einfachsten gebaute Atom darstellt, dargestellt.

Dieses eine Elektron wirkt genauso wie weiter oben beschrieben ein elektrischer Strom durch z.B. einen Kupferdraht und erzeugt durch seine Bewegung ein magnetisches Feld. Denn der elektrische Strom ist nichts anderes als sich in eine Richtung bewegende Elektronen. Sind sie überrascht, daß Wasserstoffatome magnetisch sind? Nun, das Gas Wasserstoff ist in seiner Gänze nicht magnetisch, auch wenn die einzelnen Atome Magnetfelder erzeugen und sich damit die Atome in einem äußeren Magnetfeld ausrichten lassen. Der Grund liegt darin, daß Wasserstoffatome sich völlig ungeordnet bewegen und sich daher in Summe die Magnetfelder der einzelnen Atome kompensieren. Denn statistisch gesehen sind genausoviele Magnete in die eine Richtung ausgerichtet wie in die entgegengesetzte. Es handelt sich daher, wie auch die Erfahrung betätigt, bei Wasserstoff nicht um einen Permanentmagneten.

Bei bestimmten Materialien (wie z.B. Eisen mit geringen Verunreinigungen) bilden sich jedoch kleine Bereiche, in denen die Magnetfelder der Atome in die gleiche Richtung orientiert sind. Man nennt sie Weißsche Bezirke oder Elementarmagnete. Man kann sie sich als winzig kleine magnetische Körnchen vorstellen, die in der Praxis selbstverständlich nicht so schön regelmäßig geformt sind wie in Bild 5. Da diese Weißschen Bezirke nach dem Erkalten der Schmelze zuerst einmal völlig wahllos orientiert sind, heben sich wie bei den Wasserstoffatomen die Magnetfelder der einzelnen Elementarmagnete nach außen hin komplett auf. Legt man aber ein ausreichend großes magnetisches Feld von außen an, so richten sich einige Elementarmagnete entsprechend aus und verbleiben in dieser Stellung auch dann, wenn das äußere Feld verschwindet. Sie können sich das so vorstellen, daß zum Ausrichten der Elementarmagnete eine unterschiedlich hohe Kraft erforderlich ist, die davon abhängt, wie die Elementarmagnete schon im jungfräulichen Zustand ausgerichtet sind und wie sie mit den Nachbarkörnchen "verhakt" sind. Je stärker das äußere Feld ist, desto mehr Weißsche Bezirke richten sich entsprechend aus, bis bei einer bestimmten Feldstärke alle Elementarmagnete ausgerichtet sind. Wenn sich die Weißchen Bezirke nach dem Abschalten des externen Magnetfelds nicht alle wieder in ihre Ursprungsposition zurückdrehen (was materialabhängig ist), hat man einen Permanentmagneten hergestellt.