Magnetismus

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Das Wort Magnetismus stammt wahrscheinlich von der Stadt Magnesia in Kleinasien, in deren Nähe man schon im Altertum einen besonderen Stein fand, der auf Eisen eine Anziehungskraft ausübte. Es handelte sich dabei um Magneteisenstein oder Magnetit -Fe₃O₄.

Andere Sage : Das Wort Magnetismus stammt vom Namen eines griechischen Hirten, Magnes, der die eiserne Spitze seines Hirtenstabes auf einen magnetischen Stein setzte, der daran haften blieb.

Außerdem war schon bekannt, wie man ein Stück Eisen magnetisch machen konnte, nämlich durch Bestreichen des Eisens mit einem natürlichen Magneten.

Schon im Altertum wußte man einiges über die Fähigkeit des Magneteisensteins. Vor etwa 2000 Jahren verwendeten chinesische Seefahrer Magnetnadeln als Kompasse. In Europa kennt man den Kompaß erst seit dem 12. Jahrhundert. PARACELSUS von Hohenheim stellte auch fest, daß der Magneteisenstein eine heilende Wirkung hat. Denn der Magnetismus besitzt die Kraft, Krankheiten festzuhalten.

Im 16. Jahrhundert erforschte der Londoner Arzt William GILBERT den Magnetismus. Er erkannte, daß die Kraft eines Magneteisensteins von allen Teilen des Steins ausgeht und nicht nur in den sogenannten Polen konzentriert ist. Sein Verdienst ist auch die Tatsache, daß die Erden selbst ein großer Magnet ist. Der Magneteisenstein (Magnetit) ist durch sehr langes Liegen im magnetischen Feld der Erde zu einem Dauermagneten geworden. Man hatte auch ein Stück Stahl dadurch magnetisiert, indem man es in die Richtung des Erdfeldes legte.

Im Laufe des 19. Jahrhunderts faßte man die bis dahin getrennten Erscheinungen - Magnetismus und Elektrizität zusammen. Beide bilden die Elektrodynamik. Den Grundstein legte Alessandro VOLTA, der Erfinder der Batterie, der die Experimente mit elektrischen Strömen ermöglichte. 1820 erkannte der Däne Christian OERSTED die Gemeinsamkeit der Elektrizität und dem Magnetismus, denn er spannte eine Magnetnadel parallel über einen stromführenden Draht. Die Folge war, daß die Magnetnadel aus ihrer Nord-Süd-Stellung abgelenkt wurde. Damit wurde gezeigt, daß Ströme Kräfte auf Magneten ausüben.

Das Magnetfeld der Erde

Eine Magnetnadel stellt sich in N-S-Richtung des magnetischen Erdfeldes ein.

Der magnetische Pol auf der Nordhalbkugel der Erde liegt nördlich der Insel Prince of Wales und Nord-Kanada. Der magnetische Südpol liegt am Nordrand der Antarktis, südlich von Tasmanien. Die beiden Magnetpole liegen nicht genau an gegenüberliegenden Punkten der Erdoberfläche. Die magnetische Flußdichte B der Erde beträgt an den Polen ~ 0,6 10^-4 Tesla, am Aquator etwa die Hälfte.

Die Abweichung der Richtung der Magnetnadel von der Richtung zum geographischen Nordpol bezeichnet man als Deklination (Die Kenntnis der Deklination war früher für die Schiffahrt wichtig). Die 1.Deklinationskarte wurde von 1701 von Halley für den Atlantischen und Indischen Ozean aufgestellt. Da sich die Lage der Magnetischen Pole verändert, ändert sich auch die Deklination (Zeitweise wußte man nicht, wo die magnetischen Pole waren).

Wenn sich eine Magnetnadel in N-S-Richtung eingestellt hat und sich um eine horizontale Achse drehen kann, dann neigt sie sich in Mitteleuropa um etwa 66° gegen die horizontale Richtung. Die Neigung der Magnetnadel gegen die Horizontale bezeichnet man als Inklination. Über die Herkunft des magnetischen Erdfeldes gibt es einige Vermutungen.

Anderungen des magnetischen Erdfeldes

Sehr alte Gesteine zeigen manchmal eine, im Vergleich zu heute, umgekehrte Richtung der Magnetisierung an. Außer der Richtungsänderung gibt es auch Schwankungen der Stärke des magnetischen Erdfeldes. Lange Zeit hindurch war man der Meinung, daß

das magnetische Feld der Erde Ahnlichkeit mit dem Feld eines Stabmagneten hat.

Seit man mit Hilfe von Raketen und Satelliten Messungen durchführen kann, ist man zu einem anderen Bild gekommen.

Der von der Sonne ausgeschleuderte Sonnenwind (er besteht aus Protonen, He-Kernen und Elektronen) verändert das Magnetfeld der Erde und umgekehrt, er wird auch vom Magnetfeld der Sonne beeinflußt. Auch das Polarlicht wird durch den Sonnenwind verursacht.

Das Magnetfeld

Das Magnetfeld ist eine Kraftwirkung, die den stromdurchführenden Leiter im ganzen Raum umgibt. Graphisch wird dieses Feld durch Feldlinien dargestellt. Ihre Richtung wird durch die Einstellung einer kleinen Magnetnadel festgelegt, die die Richtung vom N- zum S- Pol zeigt. Die Feldlinien sind in sich geschlossen, d.h. sie haben weder einen Anfang noch ein Ende. Die Stärke des Magnetfeldes wird durch die Dichte der Feldlinien veranschaulicht (magnetische Flußdichte). Bis jetzt konnten keine einzelne Magnetpole gefunden werden. Die Messung verläuft anhand kleiner Magnete auf die eine Kraft wirkt.

Ströme im Magnetfeld

Oersteds Experiment zeigte, daß Ströme auf Magnete Kräfte ausüben.

Wäre es vielleicht auch möglich, daß Magnetfelder mit Strömen das gleiche tun ?

Oersted erwartete dies auf Grund des allgemeinen Wechselwirkungsgesetzes.

Ein Beispiel dafür ist die LEITERSCHAUKEL:

Schaltet man den Strom ein,

so wird die Leiterschaukel

ausgelenkt. Auf einen strom-

durchflossenen Leiter wirkt

also im Magnetfeld eine Kraft.

Das Experiment zeigt unter anderem, daß der Draht nur dann abgelenkt wird, wenn er zu den Feldlinien senkrecht steht. Liegt er parallel zu den Feldlinien, wirkt keine Kraft. Der Versuch zeigt, daß die Kraft F auf den Strom proportional zur Stromstärke I und zur Länge s des Drahtstückes ist, das sich im Magnetfeld befindet. Die Kraft nimmt mit der Stärke des Magneten zu. Diese Stärke ist die magnetische Feldstärke B. Die Feldstärke ist ein Vektor. Ihre Richtung wird durch den Nordpol einer kleinen Magnetnadel festgelegt. Ihr Betrag ist B = F / I s , wobei F die Kraft auf einen Leiter der Länge s ist, der vom Strom I durchflossen wird, und der senkrecht zur Feldrichtung steht. Die Einheit der magnetischen Feldstärke wird Tesla genannt und mit T bezeichnet. Sie ist keine Grundeinheit des Maßsystems.

Die magnetische Feldstärke beträgt  B = 1 T .

In einem Magnetfeld B erfährt ein Leiter der Länge s, in dem ein Strom I fließt, eine Kraft F = IsB , wenn I senkrecht zur Feldrichtung fließt.

Diese Kraft heißt Lorentzkraft.

Die Richtungen von Strom I, Magnetfeld B und Kraft F folgen einer ,,Dreifingerregel der rechten Hand ', wo alle drei Faktoren als Vektoren normal aufeinander stehen.

Die Erzeugung magnetischer Felder durch Ströme

Für I = 1A, I' = 1A, s = 1m, r = 1m gilt :

F = m p d.h. F = 2 10^-7 N

Ein langer, geradliniger Leiter, durch den ein Strom der Stärke I fließt, ist umgeben von einem ringförmigen Magnetfeld der Stärke  B = m p I / r

wobei  = 4p Vs/Am ist.

Fließen die Ströme parallel, so ziehen sie einander an; antiparallele Ströme stoßen nebeneinander. Die Dreifingerregel liefert die Erklärung :

Das Magnetfeld des ersten Drahtes übt auf den zweiten Draht eine Kraft aus, die bei parallelen Strömen anziehend ist. Hier wirkt auch das Wechselwirkungsgesetz.

Die Kraft ist dem Produkt I I der Stromstärken und der Drahtlänge s proportional, dem Abstand r der Drähte umgekehrt proportional.

Der Proportionalitätsfaktor heißt : m p

Der Richtungssinn der kreisförmigen Feldlinien um einen Strom entspricht dem Drehsinn einer Rechts-Schraube, die man in Stromrichtung einschraubt => Rechts-Schraubenregel. Das elektromagnetische Feld ist ein quellenfreies Wirbelfeld.

Befindet sich parallel zum ersten stromdurchflossenen Leiter ein zweiter Leiter, in dem der Strom I` fließt, so übt das Magnetfeld des ersten Leiters auf den zweiten Leiter eine Kraft aus: Parallele Ströme ziehen einander an, antiparallele Ströme stoßen einander ab. Mit Hilfe dieser Erscheinungen ist die Einheit der elektrischen Stromstärke festgelegt.

Der Strom I erzeugt das Magnetfeld B = m p I / r In diesem Magnetfeld befindet sich der Leiter, durch den der Strom I2 fließt, auf diesen wirkt die Lorentzkraft

F = B I' s F = m I I' s / 2pr                          

s Länge des 2.Leiters

m = 4p 10 ^-7 Vs/Am

1.Das Magnetfeld eines Kreisstromes

Das entstehende Feldlinienbild entspricht dem Feld einer kleinen Magnetnadel. Auch die Kräfte zwischen frei drehbaren Stromschleifen entsprechen den Kräften zwischen Magnetnadeln. Durch die Abstoßung antiparalleler Ströme stellen sich die Schleifen parallel zueinander ein. Im Erdmagnetfeld verhält sich eine Stromschleife wie eine Magnetnadel.

2.Das Magnetfeld einer langen Spule

Das Magnetfeld wird verstärkt, wenn wir mehrere Stromschleifen aneinander fügen. Wir erhalten eine Spule. So wie das Feld einer einzelnen Stromschleife dem einer Magnetnadel entspricht, entspricht das Feld einer Spule dem Feld, das man beim Aneinanderlegen vieler kleiner Magnete zu einem Stabmagneten erhält.

Die Feldstärke ist umso größer, je dichter die Spule gewickelt ist, je mehr Windungen sie also bei gleicher Länge enthält. Das Magnetfeld im Inneren einer langen Spule ist nahezu homogen und hat den Betrag B = m I N / l

N die Anzahl der Windungen

l die Spulenlänge.

3.Das Magnetfeld einer Spule mit Eisenkern

Bringt man einen Eisenkern ins Innere einer langen Spule, so zeigt die Ablenkung einer außen angebrachten Magnetnadel eine Verstärkung des Magnetfelds um einen Faktor 100 bis 1000 an. => Elektromagnet

B bleibt dem Strom durch die Windungen der Spule proportional, der Proportionalitätsfaktor m wird als relative Permeabilität bezeichnet.

Im Kristallverband entstehen mikroskopische Bereiche mit paralleler Ausrichtung, die

die sogenannten Weiss`schen Bezirke sind. Durch die zufällige Magnetisierungsrichtung der einzelnen Bezirke erscheint der gesamte Festkörper unmagnetisch.

Beim Anlegen eines Magnetfelds vergrößern sich die Bereiche mit zum Feld paralleler Magnetisierung auf Kosten anderer Bezirke, bis eine vollständige Ausrichtung erreicht wird. In Stahl lassen sich die Weiss`schen Bezirke besonders schwer ausrichten.

Wenn sie einmal durch ein starkes Magnetfeld parallel gerichtet wurden, behalten sie Großteils ihre Orientierung auch dann, wenn das äußere Magnetfeld abgeschaltet wird -

der Stahl ist zum Permanentmagneten geworden.

Beim Erwärmen über eine materialspezifische Temperatur ( Curiepunkt, bei Eisen 770 °C ) wird die Ausrichtung zerstört und des Material hört auf, ferromagnetisch zu sein. Alle nicht ferromagnetische Stoffe lassen sich auf Grund ihres Verhaltens im Magnetfeld in zwei Gruppen teilen: Diamagnetische und paramagnetische Stoffe.

Diamagnetische Stoffe werden aus dem Magnetfeld gedrängt (z.B. Bismut).

Diamagnetische Stoffe werden von einem Magnetfeld abgestoßen, paramagnetische Stoffe werden angezogen ( verhalten sich qualitativ wie ferromagnetische Stoffe, nur ist die Kraft geringer ).

Die Supraleitung:

Bei manchen Elementen (Stoffen) hat man herausgefunden, daß sie eine sogenannte Sprungtemperatur haben. Diese ist bei jedem Stoff anders

Wenn ein Stoff unter diese Sprungtemperatur gekühlt wird, kommt es zum Phänomen der Supraleitung.

Supraleitung: Ein Zustand bei dem elektrischer Strom praktisch ohne Verlust durch einen Stoff geschickt werden kann. à Der Stoff hat unter dieser Sprungtemperatur fast keinen Widerstand.

Diese Hochtemperatursupraleiter können leider nicht zu Kabeln verarbeitet werden, weil sie zu spröde sind.

Man versucht noch immer Stoffe mit höherer "Sprungtemperatur" zu finden, weil es weniger aufwendig ist diese auf ihre Sprungtemperatur abzukühlen.

Der Meißnereffekt:

Ein Supraleiter verdrängt aus seinem Innern das Magnetfeld. Legt man einen Supraleiter auf einen Magneten, so schwebt er wenn man ihn unter den Sprungpunkt abkühlt.

Die Lorentzkraft

Bewegt sich eine Ladung q mit der Geschwindigkeit v senkrecht zum Magnetfeld B, so wirkt auf sie senkrecht zu v und B die Lorentzkraft F = q v B, bzw. F = qvB, wenn v und B einen beliebigen Winkel einschließen.

Da die Lorentzkraft stets senkrecht zur Bewegungsrichtung steht, verändert sie nur die Richtung der Geschwindigkeit, aber nicht deren Betrag.  

1.Geladene Teilchen im homogenen Magnetfeld

Geladene Teilchen bewegen sich im homogenen Magnetfeld auf schraubenförmigen Bahnen. Die Achse der Schraubenbahn liegt parallel zur Feldrichtung. Der Radius der Schraubenbahn beträgt : r = mv / qB

2.Das Zyklotron:

Das Zyklotron (Teilchenbeschleuniger) besteht aus zwei Dosenhälften mit angelegter Spannung , einer Ionenquelle in der Mitte und einem Magnetfeld.

Ein geladenes Teilchen tritt aus der Ionenquelle aus und beschreibt mit seiner Bahn zunächst einen Halbkreis, aufgrund des einwirkenden Magnetfeldes, in der einen Dosenhälften. Befindet sich das Teilchen am Spalt zwischen den beiden Dosenhälften, so wird die Spannung umgepolt, das Teilchen wird von der anderen Dosenhälfte angezogen. Dies beschleunigt das Teilchen und bewirkt eine größere Kreisbahn. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jedem Durchtritt in die andere Dosenhälfte. Solange, bis das Teilchen die vorgesehene Geschwindigkeit erreicht hat, aus der Dose herausgelenkt wird und für Experimente verwendet werden kann.

3.Der Speicherring:

Der Speicherring soll schnelle Teilchen auf hohen Geschwindigkeiten halten. Bei großen Anlagen sind mehrere tausend Einzelmagnete erforderlich. Die Teilchen werden auf einer Kreisbahn in eine, Vakuumrohr geführt, um später mit anderen Teilchen zur Kollision gebracht zu werden.

4.Der Massenspektrograph

Mit dem Massenspektrograph können von einander getrennt werden, die sich in der Masse nur gering unterscheiden.

Der Bahnradius r = mv / QB geladener Teilchen im Magnetfeld hängt vom Verhältnis m / Q ab. Wenn die Ladung Q (stets ein Vielfaches der Elementarladung) bekannt ist, kann man die Masse aus dem Bahnradius bestimmen.

5.Die Strahlungsgürtel der Erde

Die Sonne schickt ständig einen Strom geladener Teilchen zur Erde. Dieser Sonnenwind besteht vor allem aus Protonen und Elektronen. Geraten die Teilchen in den Bereich des Erdmagnetfeldes, so bewegen sie sich auf schraubenförmigen Bahnen um die Feldlinien.

In der Umgebung der Pole, wo die magnetische Feldstärke zunimmt, verringert sich die Geschwindigkeitskomponente der Teilchen parallel zur Feldrichtung, wie die Abbildung zeigt, und kehrt sich schließlich um. Die Teilchen pendeln daher ständig zwischen den Polen hin und her. Dadurch wird eine beträchtliche Anzahl von Teilchen in einigen Bereichen des Erdmagnetfeldes gespeichert. Diese Bereiche heißen Strahlungsgürtel oder van Allen Gürtel.

In den Polargegenden stoßen die gespeicherten Teilchen mit Molekülen aus der Lufthülle der Erde zusammen. Dadurch kommt die Leuchterscheinungen des Polarlichts zustande.

Das Magnetfeld eines geradlinigen Leiters

Ein gerader, stromdurchflossener Leiter ist von einem zylindersymmetrischen Magnetfeld umgeben. Der Stromleiter liegt in der Zylinderachse. Das elektromagnetische Feld ist ein quellenfreies Wirbelfeld.

Die Deutung des Dia- und Paramagnetismus

Die Elektronen eines Atoms umkreisen den Atomkern. Diese Kreisbahnen stellen einen elektrischen Strom dar, der ein Magnetfeld erzeugt. Auch die Elektronen selbst haben eine Eigenrotation (einen Spin), der einen magnetischen Moment erzeugt.

Diamagnetismus : In abgeschlossenen Elektronenschalen kompensieren sich die entsprechenden Magnetfelder. Das Einschalten eines äußeren Magnetfeldes induziert zusätzlich Ströme, die nach der Lenzschen Regel der Ursache entgegenwirken und das angelegte Feld schwächen. Diese Induktionsströme treten bei allen Atomarten auf, d.h. alle Atomarten sind diamagnetisch.

Paramagnetismus : Elektronen in nichtabgeschlossenen Schalen verhalten sich insbesondere wegen ihres Spins wie Elementarladungen. Wegen der Temperaturbewegung sind ihre Richtungen regellos verteilt. Durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes richten sich die Elementarmagnete aus und verstärken dieses Feld.

Das Induktionsgesetz:

Andert sich der magnetische Fluß in einer Leiterschleife, so wird eine Spannung induziert.

U_IND df

Die Entdeckung der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes durch Oersted ließ Faraday nach der Umkehrung suchen. 1831 war Faraday am Ziel seiner Suche: nach zahlreichen Versuchen kam er zum Schluß, daß nicht konstante Magnetfelder, sondern nur die Anderung der Magnetfelder Ströme hervorruft. In einer Spule wird also Spannung induziert, wenn sich das Magnetfeld im Inneren der Spule nach Größe und Richtung ändert.

Das von Faraday gefundene Induktionsgesetz ist eine der wichtigsten Grundlagen für die Elektrotechnik. Um das Gesetz verständlicher zu machen gibt es z.B. drei Versuchsanordnungen.

1.Experiment: Ruhender Magnet - bewegter Leiter

Zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten wird ein kleines Drahtstück waagrecht aufgehängt und mit einem empfindlichen Voltmeter verbunden. Läßt man diese Schaukel schwingen, so zeigt das V.m einen Ausschlag, wobei die Spannung ihr Vorzeichen mit der Schaukelbewegung periodisch umkehrt.

Um dieses Ergebnis erklären zu können, wird das magn. Feld des Hufeisenmagneten einem homogenen Feld angenähert. Bewegt sich die Leiterschaukel darin mit der Geschwindigkeit v, so wirkt auf jedes Elektron im Draht die Lorentzkraft.

F = evB

Sie verschiebt die Elektronen im Draht. Dadurch wird das eine Ende des Drahtes negativ geladen (Elektronenüberschuß), während das andere positiv geladen ist (Elektronenmangel). Diese Ladungsverteilung erzeugt eine elektrische Feldstärke E im Draht, die so lange anwächst, bis Gleichgewicht zwischen Lorentzkraft und elektrischer Kraft besteht:

evB = eE

Nun wird die elektrische Feldstärke E mit der Länge s des Drahtes multipliziert, sodaß man die induzierte Spannung erhält:

U_ind = Es = vBs           

2. Experiment: bewegter Magnet - ruhender Leiter

Wir kehren zur ursprünglichen Versuchsanordnung zurück, aber statt des Leiters wird nun der Magnet bewegt. Am Voltmeter zeigt sich der gleiche Ausschlag, wie im ersten Versuch - nach dem Induktionsgesetz hat sich der magnetische Fluß durch die Bewegung des Magneten geändert, und daher wurde Spannung induziert. Das Auftreten dieser Spannung kann nicht mit der Lorentzkraft erklärt werden, weil der Leiter sich nicht bewegt hat. Das Induktionsgesetz kann das Auftreten der Spannung aber trotzdem erklären, denn es besagt, daß bei jeder Anderung des magnetischen Flusses innerhalb einer Leiterschleife eine Spannung auftritt.

Daher erweist sich das Induktionsgesetz gültig.

Die Lenzsche Regel:

Das Induktionsgesetz ermöglicht eine einfache Berechnung der auftretenden Spannung. Für die Richtung der durch Induktion verursachten Spannung gilt folgende Regel:

Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, daß er seiner Ursache entgegen wirkt.

Das negative Vorzeichen im Induktionsgesetz berücksichtigt diese Regel.

Anhand einiger Beispiele möchte ich die Lenzsche Regel illustrieren.

1. Die Leiterschaukel

Bewegt sich eine Leiterschaukel zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten, so tritt eine induzierte Spannung auf, und Strom beginnt zu fließen. Durch die Bewegung der Elektronen in Drahtrichtung tritt eine Lorentzkraft auf, die senkrecht zur Richtung des Drahtes ist. Sie ist der Bewegung der Leiterschaukel entgegengerichtet, sodaß diese Bewegung allmählich zum Stillstand kommt - der induzierte Strom wirkt seiner Ursache also entgegen.

Wirbelströme

Ein Metallpendel schwingt zwischen den Polen eines Elektromagneten. Wird der Magnet eingeschaltet, so bleibt das Pendel sehr rasch stehen. Grund dafür sind Wirbelströme.

Wir könne das Metallpendel als eine Vielzahl von geschlossenen Leiterkreisen auffassen, die sich im Magnetfeld bewegen. In jedem dieser Leiterkreise wird Spannung induziert, und die darauf wirkende Lorentzkraft hemmt die Bewegung. Die Lenzsche Regel faßt dies kurz zusammen: Der induzierte Strom ist so gerichtet, daß er seiner Ursache, der Bewegung, entgegen wirkt.

Thomsonscher Ringversuch

Auf einem Eisenkern, der aus einer Spule herausragt, wird ein Aluminiumring verschiebbar aufgesetzt. Beim Einschalten des Spulenstroms wird der Magnet weggeschleudert.

Der rasch anwachsende Magnetische Fluß induziert eine Spannung im Ring, die der Ursache entgegenwirkt. Der Induktionsstrom wirkt seiner Ursache entgegen - es kommt zu einer Abstossung.

Anwendungen:

Größtenteils liegen die Anwendungsgebiete in der Forschung und im medizinischem Bereich.

Schreib- und Lesekopf bei Magnetband und -platte

In Kassettentonbandgeräten werden, ähnlich beim Magentplattenspeichern für Daten, kombinierte Schreib- und Leseköpfe verwendet. Sie bestehen aus einem ringförmigen Elektromagneten mit sehr schmalem Luftspalt, an dem das Magnetband vorbeiläuft. Zum Schreiben der Informationen auf den Datenträger wird zunächst das Signal, z.B.: Schallschwingungen mit einem Signalwandler, z.B.: einem Mikrophon, in Wechselstrom umgewandelt, der der Spule zugeführt wird. Durch das entstehende magnetische Wechselfeld wird die Eisenoxidschicht des Bandes im Rhythmus des Signals magnetisiert. Bei der Wiedergabe induziert das wechselnde Magnetfeld des Bandes in der Spule eine Wechselspannung, die nach Verstärkung einem Kopfhörer oder Lautsprecher zugeführt wird.

Das Telefon

Der Telefonhörer enthält Sprechkapsel (Mikrofon) und Hörkapsel (Lautsprecher).

Im Mikrofon, meist einem Kohlekörnermikrofon, werden beim Sprechen die Schallschwingungen in Gleichstrom variabler Stärke umgewandelt. In der Hörkapsel befinden sich auf einem Permanentmagneten zwei hinter einander geschaltete Spulen und davor eine Stahlmembran. Beim Hören schwingt die Membran im Takt der Stromschwankungen und ruft Schallschwingungen hervor.

Über das Fernsprechamt, in dem die Signale zusätzlich verstärkt werden, wird beim Wählvorgang eine elektrische Verbindung zum gewünschten Partner hergestellt, durch die die modulierten Gleichströme fließen.

Elektrodynamische Lautsprecher und Mikrophone

Sie sind gleich aufgebaut: An der Mikrophonmembran ist eine Spule befestigt, die im Luftspalt eines Topfmagneten schwingt und in deren Windungen tonfrequente Wechselspannung induziert wird. Diese bringt nach Verstärkung die Membran eines nach dem gleichen Prinzip gebauten Lautsprechers zum Schwingen.

Magnetoencephalographie

Die elektrischen Ströme in den Nervenzellen des Gehirns verursachen Magnetfelder, die etwa eine Milliarde schwächer sind, als das Erdfeld. Die Entwicklung der als Squid ("Superconducting Quantum Interference Device") bezeichneten Detektoren für Magnetfelder dieser geringen Stärke hat die Magnetoencephalographie (MEG) ermöglicht. Schon lange hat man die Elektroencephalographie zur Messung von Strömen an der Schädeloberfläche benutzt. Diese Ströme stehen jedoch nur in einem indirekten Zusammenhang mit den Gehirnströmen, da Gehirn, Schädelknochen und Kopfhaut ein äußerst komplexes elektrisch leitendes System bilden. Die MEG erlaubt ohne Eingriff und ohne Strahlenbelastung Darstellung des zeitlichen Verlaufs und die Lokalisierung von Gehirnaktivitäten.

Die Magnetresonanz

Die Magnetresonanz oder KERNSPIN- TOMOGRAPHIE ist die komplizierteste Technik unter den bildgebenden Verfahren. In jedem MR- Gerät wirken insgesamt fünf stromdurchflossene Spulen an der Abbildung mit. Die größte erzeugt ein starkes Magnetfeld, das meist eine Stärke zwischen 0,2 und 2,0 Tesla erreicht und damit mehrere zehntausendmal stärker ist als das Erdmagnetfeld. Um bei hohen Feldstärken Strom zu sparen, verwenden die Hersteller supraleitende Spulen, die dem Stromfluß keinen elektrischen Widerstand mehr entgegensetzen. Dafür müssen sie allerdings durch flüssiges Helium auf minus 269 Grad Celsius gekühlt werden.

Weil sich die Atomkerne vieler Elemente selbst wie kleine Magnete verhalten, stehen sie in dem starken Feld gleichsam stramm. Dem liegt ein physikalischer Effekt zugrunde, der schon in den zwanziger Jahren entdeckt worden ist: Bei Atomkernen, die sich wie Kreisel unablässig um ihre eigene Achse drehen, wird die positive elektrische Ladung herumgewirbelt, wodurch sich ein winziges Magnetfeld bildet. Die Verbindungslinie zwischen dessen Nord- und Südpol ist die Drehachse.

Das Ausrichten der Atomkerne ist der erste Schritt zum MR- Bild. Ihm folgt ein spezielles Radiosignal, ausgesandt von einer zweiten kleineren Spule. Die elektromagnetischen Wellen stoßen die Atomkerne an und bringen sie zum Torkeln. Bei jeder Sorte von Kernen ist dazu eine bestimmte Frequenz nötig: Bei den Kernen von Wasserstoff - dem häufigsten Element im Körper - beträgt sie 42 Megahertz pro Tesla Magnetfeldstärke.

Funktionsprinzip der Magnetresonanztomographie:

Nur wenn die Radiowellen exakt die zum Feld passende Frequenz haben, verstärkt ein

Resonanz- Effekt die Torkelbewegung. Schon bei einer leichten Frequenzabweichung kommt diese 'Präzession' jedoch gar nicht erst in Gang.

Wenn die Radiowellen verstummen, richten sich die Wasserstoffkerne allmählich wieder auf und stehen im Magnetfeld erneut stramm. Dabei senden sie Radiowellen eben jener Frequenz aus, die sie angeregt hatte. Je nach Gewebeart ist die Antwort der Kerne unterschiedlich stark und lang.

Aus diesen Signalen puzzelt dann der Computer im MR- Gerät jeweils jene Daten heraus, die für die Konstruktion des gewünschten Schichtbilds wichtig sind. Der Rechner setzt Stärke und zeitlichen Verlauf der empfangenen Wellen in verschiedenen Helligkeitsstufen des Bildes um. Sie verraten dem Arzt, ob es sich um Leber, Niere oder Fettgewebe handelt, um einen Tumor oder eine harmlose Zyste, um Knorpel oder Knochenmark.