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Magnetometer). [* 2] Die täglichen Variationen stehen offenbar mit dem täglichen Gang [* 3] der Sonne [* 4] in Beziehung; die Ursache der säkularen Variationen kennt man nicht. Von den Störungen weiß man, daß sie mit Erdbeben [* 5] und vulkanischen Ausbrüchen, namentlich aber mit der Erscheinung des Nordlichts in innigem Zusammenhang stehen. Dieselben treten oft über weite Ländergebiete gleichzeitig ein, was namentlich durch die Beobachtungen des von Humboldt angeregten und von Gauß geleiteten Magnetischen Vereins bestätigt wurde, dessen Mitglieder an verschiedenen Orten an vorausbestimmten Terminen 24 Stunden lang den Gang der Deklinationsinstrumente von 5 zu 5 Minuten nach Göttinger Zeit beobachten.
Eine Eisenstange, welche man in die Inklinationsrichtung hält, wird durch den Einfluß des Erdmagnetismus magnetisch, und zwar bekommt sie oben einen Südpol, unten einen Nordpol. Kehrt man die Stange um, so sind auch sogleich die Pole umgekehrt. Gibt man dem Stab [* 6] eine andre Richtung, so ist die auf ihn ausgeübte magnetisierende Wirkung der Erde um so geringer, je größer der Winkel [* 7] ist, den er mit der Inklinationsrichtung bildet, und verschwindet ganz, wenn er auf ihr senkrecht steht.
Auf vertikale Stäbe, deren Richtung in unsern Gegenden von derjenigen der Inklinationsnadel nur wenig abweicht, ist der magnetisierende Einfluß der Erde noch ziemlich bedeutend. Stahlstäbe, in der Richtung der Inklinationsnadel oder auch nur vertikal gehalten, werden dauernd magnetisch, namentlich wenn man sie in dieser Stellung hämmert. Erschütterungen scheinen nämlich die Drehung der Molekularmagnetchen zu befördern. Daraus erklärt es sich, daß fast alle Werkzeuge [* 8] in der Werkstatt eines Schlossers Magnete sind. Auch chemische Einwirkungen scheinen das Magnetischwerden zu begünstigen; Eisenstangen, welche in vertikaler Stellung rosten, werden dauernd magnetisch.
Coulombs Gesetz.
Die Kraft, [* 9] mit welcher zwei Magnetpole sich gegenseitig anziehen oder abstoßen, ist dem Quadrat ihrer Entfernung umgekehrt proportional. Dieses Grundgesetz des Magnetismus [* 10] wurde von Coulomb nach zwei Methoden experimentell nachgewiesen. Erstlich durch die Schwingungen einer kleinen Magnetnadel, welche an einem Kokonfaden aufgehängt war; bringt man dieselbe ein wenig aus ihrer Gleichgewichtslage, so schwingt sie unter dem Einfluß des Erdmagnetismus. Nähert man nun ihrem Südpol den Nordpol eines sehr langen Magnetstabs, dessen Südpol demnach so weit entfernt ist, daß seine Wirkung auf die Nadel außer acht gelassen werden kann, so schwingt sie jetzt unter dem vereinigten Einfluß der Erde und des genäherten Magnetpols.
Bestimmt man die Schwingungszahlen bei verschiedenen Abständen des Pols und berechnet daraus nach dem bereits oben angeführten Gesetz die jedesmal wirksame Kraft, so findet man, daß die vom Pol allein geübte Anziehung bei doppelter Entfernung nur noch ¼, bei dreifacher nur 1/9 etc. beträgt. Bei der zweiten Methode kam die Drehwage (s. d.) zur Anwendung. Ein Magnetstäbchen hängt an einem Drahte, dessen oberes Ende durch Umdrehung einer Scheibe um einen meßbaren Winkel gedreht werden kann.
Wäre das Stäbchen nicht magnetisch, so würde es der Drehung folgen, ohne daß der Draht [* 11] eine Drillung oder Torsion erleidet. Da aber das Stäbchen seiner Entfernung aus dem magnetischen Meridian widerstrebt, so erleidet der Draht eine Torsion, und das Stäbchen nimmt stets diejenige Stellung an, daß sein magnetisches Moment dem Torsionsmoment des Drahts das Gleichgewicht [* 12] hält. Nähert man nun seinem einen Pol einen gleichnamigen Magnetpol, der es in die Gleichgewichtslage zurückzutreiben strebt, so muß man, um dies zu verhindern, dem Draht eine neue Torsion erteilen.
Bestimmt man die hierzu nötige Torsion für verschiedene Entfernungen des Magnetpols, so läßt sich, da die Kraft, mit welcher der Draht in seine Gleichgewichtslage zurückzukehren strebt, stets der Größe der Torsion proportional ist, die in jedem Fall wirksame Abstoßungskraft leicht berechnen. Auch diese Versuche bestätigen die Richtigkeit des obigen Gesetzes. Aus diesem Gesetz, welches für die Wechselwirkung zweier Pole gilt, folgt, daß die gegenseitige Einwirkung zweier vollständiger Magnete, deren Entfernung im Verhältnis zu ihren Dimensionen so groß ist, daß die Wechselwirkung aller vier Pole in Betracht kommt, der dritten Potenz ihrer Entfernung umgekehrt proportional ist. Die leicht durchzuführende experimentelle Bestätigung dieser Folgerung liefert einen neuen Beweis für die Richtigkeit des Grundgesetzes.
Befindet sich eine Magnetpol in der Nähe eines Magnets, so werden dessen beide Pole, der eine mit einer anziehenden, der andre mit einer abstoßenden Kraft, auf ihn wirken, welche sich zu einer resultierenden Kraft vereinigen, deren Richtung und Größe von der Lage jenes Pols in Beziehung auf den Magnet abhängig ist. Die verschiedenen Richtungen der magnetischen Kräfte in der Nähe eines Magnets können in anschaulicher Weise sichtbar gemacht werden, indem man auf ein über den Magnet gelegtes Blatt [* 13] steifen Papiers Eisenfeilspäne siebt. Diese ordnen sich zu regelmäßig gestalteten Kurven [* 1] (Fig. 12), welche beide Pole miteinander verbinden, und deren Richtung in jedem Punkte die Richtung der magnetischen Kraft angibt. Diese Linien heißen magnetische Kurven oder (nach Faraday) Magnetkraftlinien. Die Linien, welche wir im vorigen Abschnitt als magnetische Meridiane bezeichneten, sind die Magnetkraftlinien der Erde.
Theorien.
Zur Erklärung der magnetischen Erscheinungen hat man angenommen, daß es zwei unwägbare magnetische Flüssigkeiten (Fluida), eine nordmagnetische und eine südmagnetische, gebe, denen man die Eigenschaft zuschreibt, daß die Teilchen derselben Flüssigkeit einander abstoßen, daß dagegen Anziehung stattfindet zwischen den Teilchen der einen und denjenigen der andern Flüssigkeit. Diese Hypothese kann nicht den Anspruch erheben, über die Natur des Magnetismus Aufschluß zu geben; sie hat vielmehr nur die Bedeutung einer bildlichen Ausdrucksweise, welche uns den Überblick über die Erscheinungen und die Beschreibung derselben erleichtert, und wird von den Physikern heutzutage auch nur noch in diesem Sinn angewendet.
[* 1] ^[Abb.: Fig. 12. Magnetische [* 14] Kurven.] ¶
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Eine andre Theorie des Magnetismus, welche alle magnetischen Erscheinungen auf die Wirkungen elektrischer Ströme zurückführt, hat Ampère aufgestellt. Nachdem derselbe nämlich erkannt hatte, daß zwei Stromleiter sich anziehen oder abstoßen, je nachdem sie in gleicher oder entgegengesetzter Richtung vom Strom durchflossen werden, und daß eine von Elektrizität [* 16] durchströmte Drahtspirale (Solenoid) sich einem Magnet, der Erde oder einer zweiten durchströmten Spirale gegenüber ganz wie ein Magnetstab verhält, nahm er an, daß jedes Eisenmolekül unaufhörlich von einem kleinen Kreisstrom umflossen werde, von denen jeder nach den Gesetzen der Elektrodynamik [* 17] (s. d.) einen kleinen Magnet darstellt, dessen Pole zu beiden Seiten des Kreisstroms in der Achse liegen, die man sich senkrecht durch die Mitte des Kreises gelegt denken kann. In einem unmagnetischen Eisenstab haben die Ebenen dieser Kreisströme die verschiedensten Lagen und heben deswegen ihre Wirkungen nach außen gegenseitig auf.
Führt man nun einen elektrischen Strom um den Eisenstab, so richtet derselbe die Molekularströme gleichlaufend mit sich und folglich deren Achsen parallel zur Achse des Eisenstabes; der Stab ist jetzt magnetisch (zu einem Elektromagnet, s. d.) geworden und hat seinen Südpol nach der Seite gewendet, von welcher aus betrachtet sowohl der magnetisierende Strom als auch die Molekularströme des Eisens in der Richtung des Uhrzeigers kreisen. Während die Molekularströme des weichen Eisens nach Aufhören der magnetisierenden Ursache in ihre frühern Lagen zurückkehren, behaupten diejenigen des Stahls dauernd die ihnen einmal gegebene Richtung.
Die Ströme, welche die innern Moleküle eines Magnets umkreisen, können nach außen keine bemerkbare magnetische Wirkung ausüben, weil in Bezug auf jeden solchen innern Kreisstrom alle benachbarten Ströme so laufen, daß sie die Wirkung desselben aufheben; vielmehr können nur die Ströme, welche die an dem Umfang des Stabes liegenden Moleküle umfließen, und zwar nur in den nach auswärts gewendeten Teilen ihrer Bahn die vom Stab ausgehende magnetische Wirkung verursachen.
Diese Ströme kann man sich aber ersetzt denken durch geschlossene Ströme, welche den ganzen Stab rings umlaufen, und sonach wäre ein Magnetstab vergleichbar mit einer vom Strom durchlaufenen Drahtspirale. Das Gesetz der Pole erklärt sich alsdann aus dem Bestreben der Ströme in den beiden aufeinander wirkenden Magneten, sich parallel und gleichzurichten [* 15] (Fig. 13). Ebenso wird eine Magnetnadel durch den elektrischen Strom abgelenkt, weil die sie umkreisenden Ströme sich parallel mit dem Strom im Leitungsdraht zu stellen suchen. Auch der Erdmagnetismus ist nach dieser Theorie nichts weiter als die Wirkung von elektrischen Strömen, welche die Erde in stets veränderlicher Richtung und Stärke, [* 18] aber im allgemeinen von O. nach W. umkreisen. Die tägliche Periode der magnetischen Variationen scheint darauf hinzudeuten, daß diese Erdströme thermoelektrischen Ursprungs sind.
Diamagnetismus.
Bringt man ein Stäbchen von Wismut, welches, an einem Kokonfaden aufgehängt, horizontal schwebt, zwischen die Pole eines sehr kräftigen Elektromagnets [* 15] (Fig. 14, von oben gesehen), so wird es von beiden Polen abgestoßen und stellt sich daher rechtwinkelig (a b) zur Verbindungslinie der beiden Pole (äquatorial), während ein Eisenstäbchen sich natürlich in die Verbindungslinie (N S) der beiden Pole (axial) gestellt hätte. In Bezug auf dieses Verhalten lassen sich alle Körper in zwei Gruppen teilen: die magnetischen (auch »paramagnetische« genannt) werden vom Magnet angezogen und stellen sich axial, die übrigen werden abgestoßen und stellen sich äquatorial;
letztere wurden von Faraday, der diese Erscheinung entdeckte, diamagnetisch genannt.
Außer Eisen, [* 19] Nickel und Kobalt, deren magnetische Eigenschaften schon längst bekannt waren, erwiesen sich noch Mangan, Chrom, Cer, Titan, Palladium, Platin, Osmium sowie fast alle Eisenverbindungen als magnetisch, als diamagnetisch dagegen vorzüglich Wismut, sodann Antimon, Zink, Zinn, Blei, [* 20] Silber, Kupfer, [* 21] Gold [* 22] etc. Um Flüssigkeiten zu prüfen, füllt man sie in dünnwandige Glasröhren, oder man stellt sie in einem Uhrglas über die sehr genäherten Pole eines starken Elektromagnets; im letztern Fall bilden sie unebene Oberflächen, und zwar häufen sich magnetische Flüssigkeiten über den Kanten der Pole an und bilden kleine Hügel, während diamagnetische Flüssigkeiten sich nach der axialen Richtung ausdehnen und nach der äquatorialen zusammenziehen; in der Mitte zwischen den beiden Polen bildet sich alsdann statt des frühern Bergrückens ein in der äquatorialen Richtung sich hinziehendes Thal. [* 23]
Kerzenflammen sind in höherm Grade diamagnetisch als die umgebende Luft; sie werden von den Magnetpolen abgestoßen und nehmen in äquatorialer Richtung eine verbreiterte Gestalt an. Die Gase [* 24] sind diamagnetisch, Sauerstoffgas aber verhält sich gegen alle andern Gase magnetisch, d. h. es ist weniger diamagnetisch als sie. Wie Plücker zuerst gezeigt hat, üben die Kristallisationsverhältnisse auf die diamagnetischen Erscheinungen einen wesentlichen Einfluß aus.
Eine parallel zur Kristallachse geschliffene Turmalinplatte stellt sich axial, wenn jene Achse senkrecht steht, dagegen äquatorial, wenn ihre Achse horizontal liegt. Aus Versuchen mit kristallisiertem Wismut ergab sich, daß die Hauptspaltungsebene sich äquatorial zu stellen strebt, so daß ein Stäbchen aus kristallisiertem Wismut, dessen Längsrichtung auf dieser Ebene senkrecht steht, sich axial stellt. Faraday nennt diese Richtung des kristallisierten Wismuts, welche sich axial zu stellen strebt, die Magnetkristallachse. Plücker bezeichnet als magnetische Kristallachsen solche durch die Kristallform bedingte feste Richtungen, nach welchen die magnetische oder diamagnetische Polarität unabhängig von der Lage der magnetisierenden Pole auftritt.
Weber erklärt den Diamagnetismus [* 25] durch molekulare Ströme, welche aber nicht, wie diejenigen der
[* 15] ^[Abb.: Fig. 13. Erklärung des Magnetismus nach Ampère.]
[* 15] ^[Abb.: Fig. 14. Diamagnetismus.] ¶