Magnetische Pole werden in Südpol und Nordpol unterschieden.
Die Pole treten immer paarweise auf, Nord- und Südpol ziehen sich gegenseitig an, gleiche Pole stoßen sich ab. Die Pole sind die magnetischen Schwerpunkte, haben jedoch keine scharfe Abgrenzung. Die Pole lassen sich nicht selbst separieren; wird der Magnet in der Mitte (oder auch an anderer Stelle) geteilt, hat jede Hälfte wiederum einen Nord- und Südpol.
Die Feldlinien sind in sich geschlossen, in der neutralen Zone (Mittelpunkt zwischen den Polen) verlaufen die Feldlinien parallel zur Linie, welche die beiden Pole verbindet. Die Feldlinien laufen immer vom Nordpol zum Südpol. Feldlinien können leicht mit Späne ferromagnestischer Metalle nachgewiesen werden.
Als Feld wird ein Raum bezeichnet, welcher mit der Wirkung einer Kraft erfüllt ist. Um dem Magneten herum sowie in seinem Inneren existiert ein magnetisches Feld. Die wirkende Kraft braucht kein Raummedium (wirkt also auch im Vakuum) und wird mit zunehmender Entfernung schwächer.
Dauermagnetismus hält permanent (bis zur einer eventuellen Entmagnetisierung) an.
Dauermagneten können u.a. durch gezielte Magnetisierung (Ausrichtung der Elementarmagnete, die kleinste magnetische Einheit in einem ferromagnetischen Material) bis zur Sättigung eines ferromagnetischen Materials erzeugt werden. Die Sättigung ist erreicht, wenn eine weitere Magnetisierung des Materials nicht mehr möglich ist oder genauer, wenn eine Erhöhung der äußeren magnetischen Feldstärke H keine weitere Magnetisierung bringt.
Neben den Dauermagneten bringen auch stromdurchflossene, elektrische Leiter ein Magnetfeld mit sich. Diese Leiter erzeugen das Magnetfeld zeitlich nur während des elektrischen Stromflusses. Das Magnetfeld entsteht durch die Bewegung der Träger elektrischer Ladung (Ladungsträger).
Die Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials kann auch durch eine Spule geschehen. Eine Spule erzeugt durch elektrischen Stromfluss durch einen gewickelten Leiter ein starkes magnetisches Feld. Ist dieses magnetische Feld dauergerichtet (durch Gleichstrom), kann eine Magnetisierung eines sich im magnetischen Feld befindlichen Materials geschehen. Eine Entmagnetisierung kann durch selbiges Verfahren, jedoch mit Wechselstrom statt Gleichstrom, passieren. Eine Entmagnetisierung hat das Ziel, die ungeordnete Ausrichtung der Elementarmagnete wieder herzustellen.
Das gegenseitige Anziehen bzw. Abstoßen elektrischer Pole liegt an einer magnetischen Kraft F (Lorentzkraft). Diese Kraft lässt sich auch dann nachweisen und berechnen, wenn ein elektrischer Leiter von Strom durchflossen wird und in einem anderen Magnetfeld (z. B. eines Dauermagneten oder durch einen weiteren, stromdurchflossenen Leiter) liegt.
Magnetischer Fluss Φ
Der magnetische Fluss Φ dient der Beschreibung der magnetischen Erscheinung um ein magnetfelderzeugendes Objekt herum. Der magnetische Fluss ist abhängig von einem magnetischen Widerstand und einer magnetischen Spannung. Vereinfacht: Was für die Elektrizität der elektrische Fluss (Strom) ist, ist für den Magnetismus der magnetische Fluss. welcher in der Einheit Weber (Wb) gemessen und bewertet wird.
Der magnetische Fluss Φ ist in einem homogenen magnetischem Feld das Produkt aus den Faktoren magnetische Flussdichte B und durchflossene Fläche A.
Die magnetische Kraft F, welche auf die elektrischen Leiter (bzw. Ladungsträger) wirkt, wird erheblich von der magnetischen Flussdichte B beeinflusst. Die magnetische Flussdichte B ist das Verhältnis aus magnetischen Fluss und Fläche in welcher der Fluss vorhanden ist. Die magnetische Flussdichte ist um so intensiver, je höher der magnetische Fluss und je kleiner die durchflossene Fläche A ist. Dieser Grundsatz gilt in dieser einfachen Form jedoch nur, solange der Fluss senkrecht durch die Fläche A tritt.
Die Flussdichte wird in der Einheit Tesla (T) gemessen und bewertet. Einige Dauermagneten erreichen Flussdichten von einem Tesla, während das Erdmagnetfeld wegen seiner enormen Ausbreitung ein weit geringere Flussdichte aufweist.
Die Flussdichte kann bei durch Elektrizität erzeugtem Magnetfeld auch über die magnetische Feldstärke H zusammen mit der magnetischen Permeabilität μ ermittelt werden. Die Feldstärke H ist eine direkt mit dem elektrischen Strom verknüpfte Größe.
Die magnetische Permeabilität μ ist ein Produkt aus der Permeabilität des Vakuums μ0 und der materialabhängigen Permeabilität μr, welche eine dimensionslose, da relativ zu μ0 stehende, Materialkonstante.
Die Permeabilität μ0 ist eine Naturkonstante und lässt sich mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit c0, der Dielektrizitätskonstante des Vakuums ε0 bestimmen.
Die Permeabilität μr des luftleeren Raums ist gleich 1, Luft hat eine Permeabilität von unwesentlich über 1.
Die materialabhängige Permeabilität μr kann relativ zur Permeabilität des Vakuums kleiner oder größer sein. Eine negative Permeabilität ist jedoch nicht möglich (mindestens eine Permeabilität von 0). Hierfür gibt es drei Klassifizierungen der Stoffe nach ihrer Permeabilität.
- Diamagnetische Stoffe haben eine Permeabilität kleiner 1. Die meisten diamagnetischen Stoffe haben eine, i.d.R. temperaturunabhängige Permeabilität von nur geringfügig unter 1, darunter beispielsweise Blei, Zinn, Kupfer und Wasser. Einige diamagnetische Stoffe können gar eine Permeabilität von 0 haben (Supraleiter).
- Paramagnetische Stoffe haben eine Permeabilität von größer 1. Darunter zählen z. B. Aluminium, Platin oder auch Luft. Die Permeabilität ist bei paramagnetischen Stoffen i.d.R. temperaturabhängig.
- Ferromagnetische Stoffe haben eine Permeabilität von weit über 1. Ab einer Permeabilität von 300 zählen Stoffe somit nicht mehr zu den paramagnetischen, sondern zu den ferromagnetischen Stoffen. Eisen, Kobalt und Nickel sind Beispiele für ferromagnetische Stoffe.
Die Flussdichte steigt proportional zur magnetischen Feldstärke H an. Der Betrag der magnetischen Feldstärke spiegelt unter Berücksichtigung der Permeabilität μ die magnetische Flussdichte wieder.
Die Kraft F ist an den Polen am stärksten (die Feldlinien laufen auf die Pole zu oder von ihnen weg und verdichten sich somit an den Polen).
Die durch den Magnetismus wirkende Kraft F steigt proportional mit der Erhöhung der Flussdichte B und des elektrischen Stroms I sowie der Länge l des Leiters, welche im Magnetfeld liegt.
Ein praxisrelevantes Beispiel, ist die Ermittlung der Kraft zwischen zwei parallel verlaufenden, elektrischen Leitern.
Die Länge l, die sich die zwei Leiter begegnen (in diesem vereinfachten Beispiel parallel verlaufend), beeinflusst die auf die Leiter wirkende Kraft multipliziert mit einer Konstante K genauso wie die elektrischen Ströme, die durch beide Leiter fließen. Der Abstand zwischen diesen Leitern ist antiproportional zu der resultierenden Kraft.
Die Konstante k hat für unendlich lange, dünne Leiter und näherungsweise für endlich lange Leiter, bei l >> d im Vakuum und Luft den Wert 0,0000002 Vs / Am.
Auf zwei Leiter, welche im Abstand von 2,5 m parallel auf die Länge von 15m angeordnet sind und durch welche jeweils ein Strom von 60 kA fließt, wirkt somit eine Kraft von 4320 N ein.
