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Ausrichtung von Permanentmagneten in magnetischen Feldern.

In der Schule hat man gelernt, dass man zur Bestimmung der magnetischen Feldrichtung einen Kompass benutzen kann. Dieser richtet sich immer so aus, dass der magnetische Nordpol der Kompassnadel zum magnetischen Südpol zeigt. Aus diesem Grund wird der Nordpol der Erde auch als Nordpol bezeichnet, obwohl es sich eigentlich um den (magnetischen) Südpol handelt. Die Kompassnadel weist quasi in Richtung des magnetischen Nordpols der Kompassnadel. Dies ist historisch bedingt, war schon immer verwirrend, aber so ist es nun mal! Auf die Abweichung zwischen magnetischem (Südpol) und geographischem Nordpol möchte ich nun gar nicht eingehen, da der Hintergrund für die folgenden Überlegungen irrelevant ist.

Magnetische Feldlinien treten aus dem Nordpol aus und in den Südpol ein. Weiterhin sind magnetische Feldlinien stets geschlossen – im Gegensatz zu elektrischen Feldlinien.

Die obige Bestimmung der magnetischen Feldrichtung ist bei einem Permanentmagneten problemlos anwendbar: bringt man einen Kompass in die Nähe des Südpols eines Permanentmagneten, so richtet sich die Kompassnadel so aus, dass die Nordseite des Kompasses zum magnetischen Südpol des Permanentmagneten weist.

Außerhalb des Permanentmagneten ist diese Vereinbarung völlig korrekt. Wie aber würde sich die Kompassnadel verhalten, wenn sie in das Innere des Permanentmagneten gelangen würde?

Laut obiger Festlegung müsste sich die Kompassnadel im Inneren des Permanentmagneten eigentlich um 180° drehen, denn nur dann weist der Nordpol der Kompassnadel wieder zum Südpol des Permanentmagneten.

Die Frage ist also die: Was passiert mit einer Kompassnadel, wenn sie in das Innere eines Magneten kommt?

Um diese Frage zu beantworten, kann man den Permanentmagneten durch eine elektrische Spule ersetzen und die Kompassnadel durch einen Permanentmagneten. Wie reagiert der Permanentmagnet, wenn er in das Innere der Spule geschoben wird in Abhängigkeit seiner Feldrichtung?

Im Fall A spürt man beim Einschieben zunächst einen Widerstand, anschließend schießt der Permanentmagnet förmlich durch die Spule. Verhindert man dies, so findet sich in Spulenmitte eine Position, in der der Permanentmagnet verharrt. Aber jede kleine Bewegung nach links oder rechts wirft den Permanentmagneten wieder aus der Spule. Der Permanentmagnet kann demnach durchaus in der Mitte ruhen, der Zustand ist aber labil. Die eingezeichneten Pfeile verdeutlichen die auftretenden Kräfte bei einer Auslenkung nach links oder rechts.

Im Fall B wird der Permanentmagnet von rechts in die Spule gebracht (Abbildung A1.3). Der Permanentmagnet wird hierbei merklich hineingezogen und wenn man nicht aufpasst, schießt auch hier der Permanentmagnet aus der Spule.

In der Mitte der Spule befindet sich eine überaus stabile Lage. Jede Bewegung nach links oder rechts erzeugt rücktreibende Kräfte. Dies sollen die eingezeichneten Pfeile verdeutlichen.

Das bedeutet: Ein Permanentmagnet in einer Spule kann dann einen stabilen Zustand einnehmen, wenn die am Permanentmagnet senkrecht austretenden Feldlinien in die gleiche Richtung weisen wie die Feldlinien im Inneren der Spule. 

Wie sind die Verhältnisse, wenn ein Permanentmagnet im Inneren der Spule drehbar gelagert ist? → Der Permanentmagnet versucht, eine stabile Lage zu finden und bei den Verhältnissen von Abbildung A1.4 bedeutet dies, dass sich der Permanentmagnet im Uhrzeigersinn um 90° dreht.

Mit der herkömmlichen Argumentation, dass sich gleichnamige Pole abstoßen, würde man genau das Gegenteil erwarten. Besser ist demnach die Begründung, dass der Permanentmagnet versucht, die Richtung der eigenen „Kopffeldlinien“ an die Richtung der inneren Feldlinien der Spule anzupassen.