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Magnetische Energie

Jedes Magnetfeld enthält Energie, auch magnetische Energie genannt. Sie ist eine feste Größe in der Physik. Weil ein magnetisches Feld von elektrischen Strömen erzeugt wird, handelt es sich bei der magnetischen Energie um eine Energieform bewegter Ladungsträger (Elektronen). Um zu verstehen woher diese Energie kommt, lohnt sich zunächst ein Blick auf die Wirkungsweise eines Magnetfelds.

Wie wird ein Magnetfeld erzeugt?

Magnetismus wird durch Magnetfelder beschrieben. Diese werden hervorgerufen durch magnetische Materialien (z.B. Dauermagnete bzw. Permanentmagnete), elektrische Ströme (z.B. bei stromdurchflossenen Spulen) oder eine temporäre Änderung des elektrischen Feldes. Magnetische Feldlinien zeigen dabei den magnetischen Fluss an. Wie bei dem Magnetfeld der Erde haben Magnete (z.B. Stabmagnete) einen Nord- und einen Südpol, wobei sich Ersterer stets in die Richtung des arktischen Magnetpols ausrichtet. Da für die Erzeugung eines Magnetfelds Arbeit verrichtet wird, besitzt das Feld Energie in einem magnetischen Energiespeicher.

Je nach Material kann die Menge der magnetischen Energie unterschiedlich sein. Die Hysterese beschreibt diesen Zusammenhang. Es sind wiederum jene Effekte, welche durch die Maxwellgleichungen beschrieben werden, die erkennen lassen, aus welchen Gründen elektrische Ladungsträger Magnetfelder erzeugen.

Wie kann magnetische Energie berechnet werden?

Um die Energie eines Magnetfelds (Spule) zu beschreiben, kann eine Formel für magnetische Energie aufgestellt werden. Die Einheit für die magnetische Energiedichte an einem beliebigen Punkt eines Magnetfelds im Vakuum lautet (Gesamtenergie: E) Für deren Berechnung werden folgende Einheiten und Größen gebraucht:

  • (magnetische Feldstärke, CGS-System: Einheit Oersted)
  • (magnetische Flussdichte am Punkt , Einheit Tesla)
  • L (Induktivität der magnetischen Energie einer Spule, Einheit Henry)
  • I (Stromstärke, Einheit Ampere)
Daraus ergibt sich:

Bzw. für die Gesamtenergie:

Es gilt: Je höher die magnetische Energie, desto größer sind auch die magnetischen Kräfte.

Anwendungen magnetischer Energie

Wenn einem Magneten ein Stück Eisen angenähert wird, entsteht im Luftraum dazwischen eine Energie, die größer ist als die im magnetischen Objekt. Je nach Permeabilität des Eisens, verringert sich der Anteil dieser Energie. Wenn sich nun aber Magnet und Eisen berühren, verschwindet die Feldenergie im Luftraum gänzlich.

Der Magnet muss für das Anziehen Arbeit verrichten, dafür verringert sich die eigene magnetische Energie. Interessant dabei ist, dass das Magnetfeld des Magneten aber nicht zerstört wird, sondern sich jedes Mal neu aufstellt, wenn wiederum Kraft von außen angewandt werden muss, um das Eisen vom Magneten zu trennen. Dann nimmt auch die magnetische Energie im Lauftraum wieder zu.

Ein klassisches Beispiel für die Nutzung magnetischer Energie ist der Generator. Vereinfacht betrachtet wird dort ein Magnet innerhalb einer Spule dauerhaft im Kreis gedreht, wobei das Magnetfeld Arbeit verrichtet. Hier greift die Lorentzkraft, die auf bewegte elektrische Ladungen in einem Magnetfeld wirkt. Dadurch kann Strom erzeugt und bei Änderung des Magnetfelds eine Spannung induziert werden.