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.

Streue Eisenfeilspäne auf eine Platte über dem Magneten und dokumentiere das Muster. Wiederhole für zwei Magnete mit zugewandten ungleichnamigen und dann gleichnamigen Polen. Prüfe zuletzt am zerteilten Magneten, ob ein einzelner Pol übrig bleibt.

Jeder Eisenspan wird im Feld selbst zum Minimagneten (Influenz des Magnetismus: Die Elementarmagnete im Span richten sich aus) und dreht sich in Feldrichtung; benachbarte Späne hängen sich Pol an Pol aneinander. So entsteht in Sekunden das Bild, für das die Kompassnadel eine Stunde bräuchte, allerdings ohne Pfeilrichtungen: Späne zeigen Linien, nicht deren Orientierung.

Erwartungen: Einzelmagnet wie in der Kartierung. Ungleichnamige Pole: durchgehende Linien von Pol zu Pol, der Zwischenraum voller Ketten. Gleichnamige Pole: Die Linien weichen einander aus, dazwischen entsteht eine spanarme neutrale Zone. Zerteilter Magnet: zwei vollständige Dipolbilder, nirgendwo ein einzelner Pol.

Grundbestand plus zweiter Magnet. Späne sparsam und aus etwa 20 cm Höhe streuen; leichtes Klopfen an die Platte hilft den Spänen, sich auszurichten.

Vier Rahmen für die vier Spänebilder: Einzelmagnet, Anziehungspaar, Abstoßungspaar, zerteilter Magnet.

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: Platte über den Einzelmagneten, Späne streuen, klopfen, Bild fotografieren, Späne zurückschütten.

Schritt 2: Zwei Magnete mit Nord gegen Süd im Abstand weniger Zentimeter, Bild erzeugen.

Schritt 3: Zwei Magnete mit Nord gegen Nord, Bild erzeugen.

Schritt 4: Vorbereiteten Magnetstab zerteilen, beide Hälften einzeln unter die Platte, Bilder erzeugen.

Einzelmagnet: Das Spänebild deckt sich mit der Kompass-Kartierung: Dieselben Bögen, und die Spandichte bestätigt die Kraftbeobachtung (dicht = stark an den Polen, leer = schwach in der Mitte). Zwei unabhängige Sonden, ein Feldbild: Das Feld ist real, nicht ein Artefakt der Methode.

Magnetpaare: Anziehung und Abstoßung bekommen sichtbare Signaturen: verbindende Brücken gegen ausweichende Linien mit neutraler Zone. Das Feldbild „erklärt“ die Kraft: Wo Linien verbinden, ziehen die Partner zusammen; wo sie sich verdrängen, herrscht Abstoßung.

Zerteilung: Beide Hälften sind vollständige Magnete: An der Bruchstelle sind neue Pole entstanden. So oft man teilt, nie bleibt ein einzelner Pol übrig, der experimentelle Kern der Aussage „es gibt keine magnetischen Monopole“. Das passt zum Elementarmagnet-Modell: Schon jeder kleinste Baustein ist ein vollständiger Dipol.

Die Spänebilder bestätigen das Feldlinienbild flächig: geschlossene Bögen mit Polverdichtung, verbindende Linien bei Anziehung, ausweichende bei Abstoßung, und beim Zerteilen entstehen stets vollständige neue Magnete: keine Monopole.

Das Spänebild ist schnell, aber grob; seine Artefakte sollte man kennen: