Magnetismus im Dienste des Menschen
WAS wäre das Leben in unserem modernen Zeitalter ohne Magnetismus? Eigentlich verdanken wir dem Magnetismus die Versorgung mit elektrischem Strom, der uns die Beheizung unserer Häuser, die Beleuchtung unserer Straßen, die Zubereitung warmer Mahlzeiten und viele andere tägliche Annehmlichkeiten ermöglicht. Ohne Magnetismus könnten wir uns keiner Musik aus dem Radio erfreuen, uns keinen Fernsehfilm ansehen und auch nicht mit einem Freund telefonisch Verbindung aufnehmen.
In Verbindung damit spielt etwas eine Rolle, was die Chinesen den „Stein, der Eisen aufleckt“, nannten. Wir bezeichnen dieses Etwas als Magnet, ein Wort, das von Magnetit hergeleitet ist. Von dem Erz Magnetit gab es reiche Vorkommen in Kleinasien im Bezirk Magnesia. Dieser Stein wurde dank der ihm innewohnenden mysteriösen Kraft so wertvoll wie Gold. Selbst Könige waren davon fasziniert. Die Seeleute orientierten sich auf See mit Hilfe eines kleinen Splitters dieses Erzes. Abergläubische dachten, die Götter hätten ihnen den Stein gesandt, um sie zu leiten. Doch trotz all der Aufmerksamkeit, die ihm entgegengebracht wurde, hätte kein Mann des Altertums das gewaltige Potential der Kraft vorhersehen können, die wir als Magnetismus bezeichnen.
Heutzutage ist es leicht, in den Besitz eines Magnets zu gelangen. Das Erz Magnetit gibt es im allgemeinen zwar nicht zu kaufen, doch künstlich hergestellte Magnete großer Kraft kann man bereits zu einem geringen Preis erstehen. Schon so manches Kind hat stundenlang mit einem Paar Magneten gespielt. Es gibt heute so viele Magnete, daß man ihnen häufig keine Beachtung mehr schenkt.
Aber was ist Magnetismus? Inwiefern beeinflußt er unser Leben? Worin liegt der Ursprung dieser mysteriösen Kraft? Wollen wir diese Kraft, die im Dienste des Menschen steht, ein wenig eingehender betrachten!
Merkmale des Magnetismus
Einige Experimente mit zwei Stabmagneten werden uns helfen, grundlegende Kenntnisse über den Magnetismus zu sammeln. Lege über einen der Magnete ein Stück Papier, und streue darauf etwas Eisenfeilicht (beispielsweise Feilspäne von einem Nagel). Wenn du mit dem Finger einige Male auf das Papier klopfst, werden diese Feilspäne ein merkwürdiges Muster bilden. Wie du siehst, ordnen sich die kleinen Eisenteile zu Linien an, die scheinbar an dem einen Ende des Magnets entspringen und in das andere einmünden. Was wir hier sehen, ist lediglich ein kleiner Teil des Magnetfelds. In Wirklichkeit ist der Magnet in allen Richtungen vollständig von diesen unsichtbaren Linien magnetischer Kraft umgeben. Den Bereich an jedem Ende des Magnets, an dem all diese Linien einander nähern, nennt man Pol. Jeder Magnet hat zwei Pole, die nicht voneinander getrennt werden können. Wenn wir unseren Stabmagnet halbieren, erhalten wir nicht zwei Halbmagnete, von denen jeder nur einen Pol hat, sondern zwei vollständige Magnete, von denen jeder — wie der ursprüngliche Magnet — zwei Pole hat.
Da wir nun die Spuren des Magnetfelds „verfolgt“ und die beiden Magnetpole ausfindig gemacht haben, möchten wir uns einer anderen sehr interessanten Erscheinung des Magnetismus zuwenden. Binde in der Mitte des Magnets eine Schnur fest, und hänge ihn auf. Du wirst bemerken, daß ein Ende des Magnets hin und her pendeln wird, bis es schließlich nach Norden weist. Entfernst du es aus seiner Lage, wird es sich immer wieder nach Norden einpendeln. Den Magnetpol, der nach Norden weist, nennt man N-Pol und den nach Süden weisenden S-Pol. Diese Eigenschaft des Magnetismus ist Voraussetzung für die Wirkungsweise des Kompasses. Wodurch wird aber diese Erscheinung bewirkt?
Um das herauszufinden, müssen wir den zweiten Magnet verwenden. Wir könnten bei jedem Magnet den Pol, der nach Norden weist, mit einem N kennzeichnen und den, der nach Süden weist, mit einem S. So nehmen wir in jede Hand einen Magnet und nähern uns mit dem N des einen Magnets dem S des anderen. Was geschieht? Sie scheinen sich zufolge einer unsichtbaren Kraft gegenseitig anzuziehen. Drehen wir jedoch einen der Magnete um, so daß die N-Pole oder die S-Pole einander gegenüberstehen, scheinen sie sich zufolge dieser Kraft gegenseitig abzustoßen. Dadurch wird ein unveränderliches Gesetz des Magnetismus bewiesen, nämlich, daß ungleichartige Pole immer einander anziehen, wogegen gleichartige Pole einander abstoßen.
Aus diesem Grund pendelt sich immer ein Ende des Magnets nach Norden ein. So wie der Stabmagnet hat auch die Erde ein Magnetfeld. Dieses Feld erstreckt sich weit in den Weltraum und ist an den Polen der Erde gebündelt. Folglich wird der N-Pol eines Magnets immer vom Nordpol des „Magnets Erde“ angezogen, doch von dem Südpol abgestoßen werden.
Die bekannteste Eigenart des Magnetismus ist die Fähigkeit, Metalle anzuziehen. Freilich, ein Magnet zieht nicht alle Metalle an. Messing, Aluminium, Gold und Silber werden nicht angezogen, wogegen Eisen, Stahl, Nickel, Kobalt, Chrom und andere Metalle verschieden stark angezogen werden. Interessanterweise ist die Anziehungskraft eines Magnets an beiden Polen gleich groß. Ein Eisennagel wird also von jedem Ende unseres Stabmagnets gleich stark angezogen.
Unser Überblick über die Haupteigenschaften des Magnetismus läßt immer noch sehr wichtige Fragen unbeantwortet. Wo ist der Ursprung dieser Kraft? Ja, wodurch wird der Magnetismus hervorgerufen? Warum sind nicht alle Metalle magnetisch?
Die Ursache des Magnetismus herausfinden
Um obige Fragen beantworten zu können, müssen wir den Grundbaustein der Materie untersuchen: das Atom. Es besteht aus einem kompakten Kern aus Protonen und Neutronen, der von einer unterschiedlich großen Zahl Elektronen umkreist wird — so wie die Planeten unseres Sonnensystems die Sonne umkreisen. Durch diese Bewegung der Elektronen entsteht in Wirklichkeit innerhalb des Atoms eine winzige magnetische Kraft. Die meisten Elektronen sind so gepaart, daß sich ihre Magnetfelder gegenseitig aufheben. Sind in einem Atom alle Elektronen gepaart, ist das Gesamtmagnetfeld null. Metalle, die aus solchen Atomen bestehen, sind nicht magnetisch.
Ein Atom dagegen, das über ungepaarte Elektronen verfügt, hat eine magnetische Kraft. Die Stärke dieser magnetischen Kraft bestimmt, wie die Atome in dem Metall (im Festkörperzustand) angeordnet sind. In den meisten Metallen ist bei normaler Temperatur die Bewegung der Atome genügend heftig, um die Magnetkräfte zu überwinden, so daß die „Atommagnete“ ungeordnet sind, in verschiedene Richtungen weisen. Im Durchschnitt beträgt das Gesamtmagnetfeld einer großen Zahl von Atomen null.
Solche Metalle kann man jedoch magnetisieren, indem man sie in ein Magnetfeld bringt. Chrom ist ein solches Metall. Die Stärke des Magnetfelds bewirkt, daß sich die Atome parallel zueinander anordnen. Sobald man das Metall aus dem Magnetfeld entfernt, beginnen wieder die thermischen Bewegungen zu überwiegen und die parallele Anordnung zu zerstören. Das Chrom verliert seinen Magnetismus. Metalle dieser Art, die den Magnetismus nicht behalten, bezeichnet man als paramagnetisch.
Im Gegensatz dazu haben in einigen Metallen — einschließlich Eisen, Kobalt und Nickel — die einzelnen Atome eine größere magnetische Kraft. Sie ist so groß, daß beim Herauskristallisieren von Atomen in einer Schmelze ein Atom unter den Einfluß des Nachbaratoms gerät und sich Gruppen von Atomen bilden, deren magnetische Achsen zueinander parallel liegen. Jede dieser Gruppen wird in Wirklichkeit ein kleiner Magnet. In einer frischen Schmelze sind diese Gruppen jedoch mikroskopisch klein und ungeordnet. Aus diesem Grunde ist zum Beispiel ein gewöhnlicher Eisennagel kein Magnet.
Wird allerdings ein Stück Eisen in ein Magnetfeld gebracht, dehnen sich die Gruppen, die bereits mit dem Magnetfeld übereinstimmen, auf Kosten der Nachbargruppen aus, indem sie benachbarte Atome zwingen, sich nach ihnen auszurichten. Dieser Vorgang wird noch verstärkt, wenn man das Metall erhitzt oder verformt, beispielsweise durch Zug. Die auf diese Weise erzielte Ausrichtung bleibt bestehen, wenn das Eisen aus dem Feld entfernt wird. Folglich wurde das Metall zu einem Dauermagnet. Solche Metalle, die dauerhaft magnetisierbar sind, bezeichnet man als ferromagnetisch. Die Eisenatome im Magnetit wurden offensichtlich auf diese Weise ausgerichtet, als das Erz im Magnetfeld der Erde kristallisierte.
Je größer die nach dem Feld ausgerichteten Gruppen und je kleiner die ungeordneten Gruppen sind, um so starker wird der Dauermagnet sein. Wie Wissenschaftler herausgefunden haben, kann man die größtmögliche Zahl von Atomgruppen dauerhaft ausrichten, wenn man das Metall einer Hitzeeinwirkung oder mechanischen Belastung aussetzt, während es von einem starken Magnetfeld umgeben ist. Auf diese Weise kann man sehr starke Dauermagnete preiswert herstellen.
Erdmagnetismus
Wie bereits erwähnt, ist die Erde selbst ein großer Magnet. Wie entsteht dieses globale Magnetfeld? Einige dachten an die natürlichen Magneterze im Erdinnern. Mit anderen Worten, sie betrachteten die Erde als einen riesigen Dauermagnet. Allerdings hat man in neuerer Zeit festgestellt, daß die sehr hohe Temperatur im Erdinnern diese Möglichkeit ausschließt.
Gemäß der Erklärung, die heute von den meisten anerkannt wird, wird unser Erdmagnetfeld durch elektrische Ströme im Erdkern verursacht, die irgendwie mit der Drehung der Erde um ihre eigene Achse zusammenhängen. Es gibt Beweise dafür, daß andere Planeten ebenfalls magnetisch sind. Vor allem der Jupiter hat ein Magnetfeld, das viel stärker ist als das der Erde. Selbst die Sonne verfügt über ein extrem starkes Magnetfeld. Wie sich nachweisen läßt, hat sogar die Milchstraße — die Galaxie, zu der unsere Sonne und etliche hundert Milliarden andere Sterne gehören — ein Magnetfeld.
Gegenwärtig sammeln Wissenschaftler Kenntnisse darüber, welche Rolle das Erdmagnetfeld für den Schutz des Lebens spielt. Ein Beispiel dafür sind die heftigen Stürme auf der Sonnenoberfläche (als „Sonnenflecken“ bekannt). Diese riesigen konzentrierten Magnetfelder in der heißen Sonnenatmosphäre bedecken in Wirklichkeit Gebiete, die größer sind als unsere Erde, und sind mehr als tausendmal stärker als das Magnetfeld unseres Planeten. Die Sonne sprüht ständig Ströme elektrisch geladener Teilchen in den Weltraum, die man als „Sonnenwind“ bezeichnet. Dieser Wind könnte auf der Erde Leben zerstören, doch bevor die Teilchen von der Sonne überhaupt die Atmosphäre erreichen können, werden sie von unserem Magnetfeld eingefangen. Sie bewegen sich dann spiralförmig um die magnetischen Kraftlinien und werden im Bereich des Nord- und Südpols in die Atmosphäre eingeschleust. Wenn sich also auf der Sonne ein heftiger magnetischer Sturm ereignet, können wir damit rechnen, daß kurz darauf auf der Erde ein magnetischer Sturm stattfinden wird, durch den die Rundfunkübertragung, das Radar und eventuell die Stromversorgung unterbrochen wird. Es kann auch ein großes Feuerwerk entstehen, das man als Nordlicht bzw. Südlicht bezeichnet.
Das Erdmagnetfeld trägt auch dazu bei, uns vor den schädlichsten kosmischen Strahlen zu schützen, indem es sie mehr in die Nähe der Polgebiete ablenkt. Wahrscheinlich erkennen wir noch nicht völlig, auf welch vielfältige Weise dieses Magnet„polster“ zu unserem Nutzen dient. Es wird jedoch offenkundig, daß der Magnetismus unseres Planeten beim Schutz des Lebens eine Schlüsselrolle spielt.
Elektrizität und Magnetismus
Der Magnetismus steht vor allem deshalb im Dienste des Menschen, weil zwischen ihm und der Elektrizität eine Beziehung besteht. Wie wir festgestellt haben, entsteht der Magnetismus durch den winzigen elektrischen Strom innerhalb des Atoms. Magnetismus und Elektrizität sind tatsächlich so eng miteinander verwandt, daß das eine das andere bewirkt. Woher kommt das?
Fließt elektrischer Strom durch einen Draht, wird er magnetisch. Das bedeutet nicht, daß der Draht andere Metalle anzieht, da nämlich das Magnetfeld, das den Draht umgibt, ringförmig ist und keine Pole hat. Bei einem Draht dagegen, den man zu einer Spule wickelt, verstärkt das Magnetfeld der einen Windung das der benachbarten Windung, so daß insgesamt ein einziges großes Magnetfeld entsteht. Je größer die Zahl der Drahtwindungen, um so stärker der Magnet. Diesen Magnet kann man ein- und ausschalten, indem man einfach den hindurchfließenden Strom ein- und ausschaltet. Fließt kein elektrischer Strom, besteht auch kein Magnetfeld. Diese Art Magnet bezeichnet man als Elektromagnet.
Ein einfaches Beispiel für die Wirkungsweise des Elektromagnets ist die Türglocke. Sobald du auf den Knopf drückst, fließt Strom durch einen Elektromagnet, der ein drehbar gelagertes Metallteil anzieht. Während dieser Bewegung zum Elektromagnet hin stößt das Metallteil an einen Klangkörper. Läßt du den Knopf los, gibt der Elektromagnet das Metallteil frei, so daß es in seine Ausgangslage zurückschwingt und an einen anderen Klangkörper stößt, wodurch dieses vertraute „bing-bong“ entsteht. An den meisten elektrischen Geräten befinden sich Magnete und Elektromagnete, die auf diese Weise und manchmal auf kompliziertere Weise funktionieren.
Der Elektromagnet ist der Grundbaustein des Elektromotors. Einfach ausgedrückt, werden im Elektromotor in genau bestimmten Zeitabständen Elektromagnete ein- und abgeschaltet, die in einem Kreis angeordnet sind und durch ihren Wechsel zwischen Anziehen und Abstoßen einen Rotor in Bewegung setzen, der im Mittelpunkt dieses Kreises von Magneten gelagert ist. Auf diese Weise erfüllen Elektromotoren unterschiedlicher Stärke für uns viele Aufgaben, angefangen von dem kleinen Elektromotor, der die Zeiger der Uhr vorwärts bewegt, bis zu dem großen Triebwerk, das den schweren Schnellzug an seinen Bestimmungsort bringt.
Schalter, Relais, Meßinstrumente und viele andere Geräte der Elektroindustrie beruhen auf dieser einfachen Wechselwirkung zwischen Elektrizität und Magnetismus. Der Magnetismus ermöglicht es, daß deine Stimme über Telefondrähte zu deinen Angehörigen und ihre Stimme wiederum an dein Ohr getragen wird. Die Elektromagnete in den Lautsprechern deines Radios, deines Fernsehers oder deiner Stereoanlage wandeln die elektrischen Impulse in Schall um, so daß das Original mit erstaunlich großer Genauigkeit wiedergegeben wird. Dank des Magnetismus kannst du die ersten Worte deines Sohnes oder das erste Violinsolo deiner Tochter auf Tonband aufnehmen und Jahre später die bedeutungsvollen Augenblicke wiedererleben.
Das Bild deines Fernsehgeräts entsteht durch einen Elektronenstrahl, der von Magnetfeldern exakt gebündelt wird. Diese Bündelung der Elektronenstrahlen kommt auch Wissenschaftlern zu Hilfe, wenn sie mittels Elektronenmikroskopen in die Welt der unendlich kleinen Dinge Einblick nehmen.
Zwischen Elektrizität und Magnetismus besteht auch in entgegengesetzter Richtung eine Beziehung. Die Stromerzeugung in den Generatoren beruht auf dem Magnetismus. Mittels dampf- oder wasserbetriebener Turbinen werden Drahtspulen durch starke von Dauermagneten erzeugte Magnetfelder bewegt. Die Magnetfelder sind in einem Kreis angeordnet. Diese Bewegung des Drahts hat zur Folge, daß er von Strom durchflossen wird. Der Strom wird dann auf eine günstige Spannung transformiert und an die Haushaltungen weitergeleitet.
Es wäre keine Übertreibung, zu behaupten, daß die gesamte Elektroindustrie heute nicht bestehen würde, wenn wir nicht den Magnetismus hätten, der uns diese wertvollen Dienste leistet.
Großes Potential
Es gibt noch viel über den Magnetismus zu erforschen, und je mehr die Wissenschaftler über diese Kraft in Erfahrung bringen, um so mehr Anwendungsbereiche entdecken sie. Eine der neuen Techniken beispielsweise, nämlich die Magnetohydrodynamik (MHD), verspricht eine Stromerzeugung, die weit wirtschaftlicher ist als die gegenwärtig eingesetzten Systeme. Die Turbinen für die Stromgeneratoren werden heute vielfach mit Dampf angetrieben, der durch die Verbrennung von Erdöl oder Kohle erzeugt wird. Durch MHD ist es allerdings möglich, nicht nur im Generator Strom zu erzeugen, sondern bereits im Dampfkanal. Wie? Wenn die heißen Gase, die sich bei der Verbrennung von Kohle entwickeln, durch ein Magnetfeld geleitet werden, kann elektrischer Strom erzeugt werden. Dieses revolutionäre neue System kann die Energie der Kohle in Elektrizität umwandeln, wobei der Wirkungsgrad größer ist als bei irgendeinem anderen System. Einige Forscher sagen, daß aus einer Tonne Kohle durch MHD bis zu fünfzig Prozent mehr Strom erzeugt werden kann als üblich. Man hat auch vorgeschlagen, MHD einzusetzen, um aus bestimmten Typen von Atomreaktoren noch mehr „herauszuholen“.
Auch im Transportwesen hat uns der Magnetismus Fortschritte beschert. Man hat Züge entwickelt, die durch Magnetkraft über spezielle Schienen „fliegen“. Elektromagnete, die im Zug und in der Schiene untergebracht sind, bewirken, daß der Zug ungefähr 20 bis 30 Zentimeter über der Führungsbahn dahingleitet, und das mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit. Versuche, die in Deutschland und Japan durchgeführt wurden, zeigen, daß solche Züge Reisende mit einer Geschwindigkeit von 300 Stundenkilometern befördern können. Was die Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit betrifft, sind diese Hochgeschwindigkeits-Transportsysteme anderen Systemen überlegen. Es gibt zum Beispiel keine beweglichen Verschleißteile, der Energieverbrauch ist geringer, und die Umwelt bleibt von Verschmutzung und auch fast völlig von Lärm verschont.
Mit der Suche nach mehr Anwendungsbereichen für den Magnetismus hat der Mensch gerade erst begonnen. Durch zunehmende Kenntnisse über diese dynamische Kraft in unserem Universum fühlen wir uns mit Recht veranlaßt, über die Macht Jehovas Gottes, des Schöpfers solcher Kräfte, nachzudenken. Er hat eine „Fülle dynamischer Kraft“ und hat auch den Magnetismus erschaffen — diese wunderbare Erscheinung im Dienste des Menschen (Ps. 147:5; Jes. 40:26).
[Bilder auf Seite 19]
In nicht magnetisierten Metallen liegen kleine Atomgruppen vor, deren Magnetpole in die unterschiedlichsten Richtungen weisen.
Beim Magnetisieren ordnen sich die Atomgruppen so an, daß sie parallel zueinander liegen und in dieselbe Richtung zeigen.
[Bilder auf Seite 20]
Das Magnetfeld um einen von Strom durchflossenen Draht ist ringförmig und hat keine bestimmbaren Pole.
Eine Drahtspule wird durch den hindurchfließenden Strom zu einem Elektromagnet mit bestimmbaren Magnetpolen.
[Bild auf Seite 21]
Man entwickelt Hochgeschwindigkeitszüge, die mit Hilfe von Magnetkraft über einer speziellen Schiene „fliegen“.