Magnetischer Nordpol und Südpol

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Was versteht man unter magnetischem Nordpol und Südpol?

Nordpol und Südpol sind die beiden verschiedenen Pole eines Permanentmagneten. Dabei geht das magnetische Feld vom Nordpol aus und verläuft, wie über Feldlinien dargestellt werden kann, zum Südpol. Im Inneren des Magneten schließen sich die Feldlinien dann wieder. Gleichnamige Pole stoßen sich ab (also Nord- gegen Nordpol bzw. Süd- gegen Südpol). Entgegengesetzte Pole ziehen sich dagegen gegenseitig an. Die magnetische Kraft auf ein ferromagnetisches Material (z. B. Eisen) ist am Nordpol wie auch am Südpol anziehend.

Inhaltsverzeichnis

Jeder Magnet hat zwei Pole. Dies ist eine grundlegende Eigenschaft, welche elektrische Felder und Magnetfelder unterscheidet.

Ein Magnetfeld entsteht, wenn ein Strom fließt. Also immer dann, wenn sich elektrische Ladungen bewegen. In diesem Fall entsteht jedoch immer ein Feld mit zwei Polen, einem Nordpol und einem Südpol. Man spricht deshalb auch von einem Dipolfeld. Es gleicht dem elektrischen Feld von zwei entgegengesetzten Ladungen, dem elektrischen Dipol.

Auch in einem Permanentmagneten, also in einem magnetisierten Material, existieren elementare Elektronenspins mit einem magnetischen Moment, die als Elementarmagnete verstanden werden können. Das makroskopische Magnetfeld des Permanentmagneten ergibt sich als Summe der Beiträger aller Elementarmagnete. Die Elektronenspins haben dabei die gleiche Wirkung wie atomare Kreisströme und besitzen jeweils einen magnetischen Nord- und Südpol.

Während eine elektrische Ladung, beispielsweise ein negativ geladenes Elektron, ein elektrisches Feld verursacht, gibt es keine einzelne "magnetische Ladung". Es ist nicht möglich, nur einen einzelnen magnetischen Pol herzustellen.

Man sagt, dass das elektrische Feld Quellen besitzt (nämlich die elektrische Ladung) und das magnetische Feld dagegen quellenfrei ist. Es entsteht als Dipolfeld (mit Nord- und Südpol), wenn sich elektrische Ladungen bewegen. Ein echter Beweis für die Quellenfreiheit des Magnetfeldes existiert nicht, aber bis heute hat auch niemand eine "magnetische Ladung" beobachtet.

Mit Hilfe der Maxwellgleichungen kann jedoch mathematisch bewiesen werden, dass es keine einzelnen magnetischen Pole gibt. Man muss dazu jedoch die Maxwellgleichungen akzeptieren, da deren Gültigkeit selbst nicht bewiesen werden kann.

Abbildung magnetischer Nordpol und Südpol

Jeder Magnet hat einen Nordpol (N) und einen Südpol (S). Wenn man einen Permanentmagneten zerbricht, so hat man zwei kleinere Magnete, die ebenfalls jeweils einen Nordpol und einen Südpol besitzen. Dies kann man angesichts der Tatsache verstehen, dass ein Magnetfeld durch ausgerichtete Elektronenspins im Material zustande kommt. Diese besitzen wie winzige Kreisströme im Material ein magnetisches Moment und bedingen an jedem Punkt einen Nordpol und einen Südpol, deren Kräfte sich zu dem makroskopischen Magnetfeld überlagern.

Anziehung und Abstoßung der Magnetpole

Nähert man den Nordpol eines Stabmagneten an den Nordpol eines anderen Magneten an, so stoßen sich beide Magnete ab. Nähert man dagegen den Südpol eines Stabmagneten an den Nordpol eines anderen Magneten an, so wirkt die Kraft zwischen den Magneten anziehend.

Zum Test dieser Behauptung braucht man nur einen Magneten an einem Ende in die Hand zu nehmen und man wird feststellen, dass das freie Ende immer von einer Seite eines anderen Magneten angezogen wird, von der anderen Seite dieses Magneten jedoch abgestoßen wird.

Zwischen gleichnamigen Polen verschiedener Magnete (also zwischen Nordpol und Nordpol oder zwischen Südpol und Südpol) wirken also immer abstoßende Kräfte. Zwischen ungleichnamigen Polen verschiedener Magnete (also zwischen Nordpol und Südpol) wirken dagegen anziehende Kräfte.

Das Magnetfeld gibt eine Vorstellung davon, welche Kraftwirkung von einem Magneten ausgeht. In der Physik wird die Stärke eines Magnetfeldes meist über die magnetische Flussdichte B angegeben und wird in der Einheit Tesla oder Gauß gemessen.

Feldlinien von Magneten

Mit Hilfe von Feldlinien kann man ein Magnetfeld visualisieren. Dabei verlaufen die Feldlinien magnetischer Felder immer in geschlossenen Schleifen. Die Feldlinien von Magnetfeldern haben also keinen Anfang und kein Ende. Der Grund dafür, dass die Feldlinien geschlossene Schleifen bilden, liegt dabei gerade darin begründet, dass das Magnetfeld quellenfrei ist, also immer einen Nordpol und einen Südpol besitzt.

Startet man am Nordpol eines Magneten, so laufen die Feldlinien senkrecht von der Oberfläche des Nordpols des Magneten weg und krümmen sich zum Südpol, bis sie senkrecht auf der Oberfläche des magnetischen Südpols ankommen. Im magnetischen Material selbst laufen die Feldlinien jedoch wieder zum Ausgangspunkt am Nordpol zurück und bilden somit eine geschlossene Schleife.

Die Kraftwirkung des Magneten auf einen magnetischen Probekörper, also z. B. eine Kompassnadel ist proportional zur Dichte der Feldlinien. Die Ausrichtung der Kompassnadel erfolgt tangential zu den Feldlinien.

Experimentell kann man sich eine Vorstellung von der Existenz des Magnetfeldes um den Magneten herum verschaffen, indem Eisenfeilspäne auf ein Blatt Papier gestreut werden, unter dem sich ein Magnet befindet. Die Eisenspäne ordnen sich dann in geschwungenen Strukturen an, welche als Abbild der Feldlinien verstanden werden können.

Nordpol und Südpol eines Magneten sind per Definition festgelegt. Die Feldlinien laufen per Definition vom Nordpol zum Südpol. Das bedeutet, dass es kein physikalisches Prinzip gibt, das festlegt, welcher Pol eines Magneten der Nordpol und welcher der Südpol ist.

Grafik – Feldlinien eines Magneten verlaufen vom Nordpol zum Südpol

Unterschied zwischen magnetischem und geografischem Nordpol

Abbildung 1: Erdkugel mit geografischen und magnetischen Polen der Erde. Während der geografische Nordpol durch den Durchstoßpunkt der Erdachse (rot) in Richtung Polarstern definiert ist, befindet sich in seiner Nähe der magnetische Südpol der Erde, nach dem Kompassnadeln ausgerichtet sind (grüner Punkt). In der Nähe des südlichen Durchstoßpunktes der Drehachse liegt der magnetische Nordpol (roter Punkt)

Auch die Erde besitzt ein Magnetfeld als unsichtbaren Schutzschild gegen kosmische Strahlung und Sonnenwind. Dieses wird von unterirdischen Strömen des flüssigen Erdinneren verursacht. Der Nordpol der Erde ist jedoch definiert als Durchstoßpunkt der gedachten Drehachse der Erde durch die Erdoberfläche in Richtung des Polarsterns. Dieser Punkt wird deshalb auch genauer als "geografischer Nordpol" bezeichnet. Ein magnetischer Pol der Erde befindet sich zwar in der Nähe des geografischen Nordpols, dies ist jedoch gerade der magnetische Südpol der Erdkugel. So zeigt der Nordpol der Kompassnadel nach Norden, weil sich dort der magnetische Südpol der Erde befindet, welcher in der Nähe des geografischen Nordpols liegt (Abbildung 1).

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Das Erdmagnetfeld

Abbildung 2: Erdmagnetfeld, das den Sonnenwind um die Erde herumlenkt bzw. teilweise an den Polen einfängt. (Quelle: Herbert Bolz, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons)

Entstanden durch die Bewegung flüssigen Eisens im äußeren Erdkern, erstreckt sich das Magnetfeld weit ins All und schützt so das Leben auf unserem Planeten vor den hochenergetischen Teilchen des Sonnenwindes (Abbildung 2). Die Pole des Magnetfelds, wie gesagt – nicht zu verwechseln mit geografischen Polen, sind in ständiger Bewegung. Diese Wanderung der Pole wird durch Änderungen in der Umwälzung des flüssigen Kernmaterials verursacht. Bemerkenswert ist auch, dass sich das Magnetfeld der Erde gelegentlich umkehrt, ein Phänomen, bei dem der magnetische Nordpol zum Südpol wird und umgekehrt. Diese Polumkehrungen, die über Tausende von Jahren hinweg geschehen, sind Teil eines natürlichen Zyklus, dessen genaue Ursachen noch immer erforscht werden. Das Verständnis des Erdmagnetfelds ist nicht nur für die Wissenschaft von Bedeutung; es spielt auch eine entscheidende Rolle in der Navigation und in vielen technologischen Anwendungen.

Wie entstehen Nordlichter?

Nordlichter, auch bekannt als Aurora Borealis, entstehen durch Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen des Sonnenwinds und der Magnetosphäre der Erde. Diese Teilchen werden vom Erdmagnetfeld zu den Polen gelenkt, wo sie in der oberen Atmosphäre mit Gasatomen und -molekülen kollidieren und diese zum Leuchten anregen. Das Erdmagnetfeld fungiert dabei als Leitsystem, das die Teilchen entlang der Magnetfeldlinien zu den Polregionen führt, was die Entstehung der leuchtenden Aurorae in diesen Gebieten ermöglicht. Dies führt zu faszinierenden, bewegten, oft grünlichen Leuchterscheinungen, die bei klarem Wetter besonders in nördlichen Breitengraden zu beobachten sind.

Wie orientieren sich Zugvögel am Magnetfeld der Erde?

Zugvögel nutzen das Erdmagnetfeld als Navigationshilfe, indem sie durch spezialisierte Sinneszellen die magnetischen Felder wahrnehmen können und dadurch Richtungsorientierung erhalten. Diese Sinneszellen, oft im Bereich der Augen oder des Schnabels lokalisiert, ermöglichen es den Vögeln, magnetische Feldlinien zu "sehen" oder zu spüren, was ihnen hilft, sich auf ihren langen Wanderungen zwischen Brut- und Winterquartieren zu orientieren. Dieser magnetische Sinn ergänzt andere Navigationsmethoden, wie die Orientierung anhand von Sternen, Sonne und geografischen Landmarken, und ist ein faszinierendes Beispiel für die Anpassungsfähigkeit der Tierwelt an natürliche Phänomene.

Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt ist Physiker und wissenschaftlicher Leiter des Fortgeschrittenenpraktikums Physik an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Er war 2011–2019 an der Technischen Universität beschäftigt und leitete diverse Lehrprojekte und das Projektlabor Chemie. Sein Forschungsschwerpunkt ist zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie an biologisch aktiven Makromolekülen. Er ist ausserdem Geschäftsführer der Sensoik Technologies GmbH.

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