Magnetfeld eines Stabmagneten

Der Stabmagnet ist das Urbild des Magnetismus: zwei Pole, ein unsichtbares Feld, Fernwirkung ohne Berührung. In drei Zielsetzungen wird er vollständig untersucht: Welche Stoffe spürt er überhaupt (Kraftwirkung)? Wie zeigt eine Kompassnadel Richtung und Stärke des Feldes an? Und welches Gesamtbild zeichnen tausende Eisenfeilspäne auf einen Schlag?

Das Magnetfeld des Stabmagneten ist die Blaupause für alle weiteren Felder des Magnetismus: Das Feld der Spule sieht außen genauso aus, das Erdfeld ebenfalls. Die Feldlinienbilder, die hier entstehen, sind die Sprache, in der später Elektromagnete, Motoren und Induktion beschrieben werden. Und der Versuch räumt mit hartnäckigen Fehlvorstellungen auf: Magnete ziehen nicht „alles Metall“ an, und ein halbierter Magnet hat keineswegs nur noch einen Pol.

Magnetit war schon in der Antike bekannt; William Gilbert erkannte 1600, dass die Erde selbst ein Magnet ist. Die Feldlinien-Sprache stammt von Faraday, und die Suche nach dem isolierten Magnetpol (Monopol) blieb bis heute erfolglos: ein experimentell bestens gesicherter Nullbefund.

Lege den Magneten auf ein großes Blatt, setze die Kompassnadel an mindestens zwölf Positionen rundherum und zeichne jeweils die Nadelrichtung als Pfeil ein. Verbinde die Pfeile zu Feldlinien.

Die Kompassnadel ist selbst ein kleiner Magnet: Im Feld dreht sie sich, bis ihr Nordpol in Feldrichtung zeigt (die Richtung ist per Konvention die, in die eine Nordpol-Sonde gezogen würde: außen vom Nord- zum Südpol des Stabmagneten). Punkt für Punkt gesetzt, liefert die Nadel also Richtungspfeile des Feldes, und eine Linie, die überall diesen Pfeilen folgt, ist per Definition eine Feldlinie. Die Punktsondierung ist mühsamer als das Spänebild, aber sie liefert etwas, das die Späne nicht können: die Richtung (Pfeilspitze!) jeder Linie.

Magnet, Kompassnadel, großes Papier, Bleistift. Eisenteile (auch Handys und Tischgestelle) vom Arbeitsplatz entfernen: Sie verbiegen das Feldbild.

Das Blatt mit Magnetumriss und den zwölf geplanten Sondierpunkten: vor den Polen, seitlich, diagonal, nah und fern.

Aufbau: Stabmagnet auf dem Tisch, darüber (für das Spänebild) eine Glasplatte oder ein Blatt Karton; kleine Kompassnadel auf Nadellager; Materialkasten mit Proben (Eisen, Stahl, Kupfer, Aluminium, Messing, Kunststoff, Holz, Nickelmünze).

Schritt 1: Magnetumriss aufzeichnen, Pole beschriften.

Schritt 2: Nadel an den ersten Punkt setzen, warten bis sie ruht, Richtung als Pfeil (Nadel-Nordpol = Spitze) einzeichnen.

Schritt 3: Alle Punkte abarbeiten; zusätzlich einige Punkte in größerem Abstand.

Schritt 4: Linienzüge einzeichnen, die überall den Pfeilen folgen.

Vor dem Nordpol zeigen alle Pfeile vom Magneten weg, vor dem Südpol auf ihn zu; seitlich verlaufen sie in Bögen vom Nord- zum Südpol. Weit weg vom Magneten dreht sich die Nadel kaum noch aus der Nord-Süd-Richtung des Erdfelds heraus.

Die verbundenen Pfeile ergeben das bekannte Feldbild: Bögen vom Nordpol zum Südpol, dicht an den Polen, weit geschwungen in der Ferne. Die Pfeilrichtungen legen die Konvention offen: Außen laufen die Linien von Nord nach Süd (im Inneren, für die Nadel unzugänglich, schließen sie sich von Süd nach Nord: Das Feldbild der Theorie ergänzt, was die Sonde nicht erreichen kann).

Der Fernbereich zeigt zweierlei: Das Magnetfeld fällt mit dem Abstand rasch ab, und darunter liegt überall das Erdmagnetfeld, das die Nadel übernimmt, sobald der Stabmagnet zu schwach geworden ist. Die Kompassnadel funktioniert als Navigationsgerät nur, weil die Erde selbst ein Magnet ist.

Die punktweise Sondierung liefert das gerichtete Feldlinienbild des Stabmagneten: geschlossene Bögen, außen von Nord nach Süd, dicht an den Polen und rasch schwächer werdend, bis das Erdfeld übernimmt.

Die Sonde selbst und die Umgebung sind die Störquellen: