Liebe Studierende, ja, ja, damit meine ich Sie jetzt alle. Denn wer außer Studierenden kommt

freiwillig zu einer Vorlesung und obendrein noch zu einer Physikvorlesung. Gut, über das

freiwillig denken wir noch mal nach. Halt, halt, stopp, Entschuldigung, das war mein künstliches

Ich. Sie heißt Erika I. und hat jetzt erstmal Pause. Liebe Studierende und Wissbegierige,

herzlich willkommen zur Weihnachtsvorlesung der Erlanger Physik, die wie jedes Jahr Teil

der Vorlesungsreihe Collegium Alexandrinum ist. Elektrizität und Magnetismus sind zwei Grundpfeiler

der Physik. Ohne sie würde uns das wichtigste im Leben fehlen, das Handy. Ohne Magnete gäbe es

auch die Magnetresonanz-Tomographie nicht und man könnte keinen faszinierenden Blick in unser

Inneres werfen. Die Stärke des magnetischen Flusses, landläufig auch als Magnetfeldstärke

bezeichnet, trägt die Einheit Tesla. Nikola Tesla wurde 1856 im damaligen Kaiserreich Österreich

geboren und gilt als einer der Erfinder des Elektromotors. Deshalb sind auch die Autos von

Elon Musk mit dem Namen Tesla benannt. Tesla widersprach übrigens der Theorie, dass Atome

aus kleineren subatomaren Teilchen bestehen und er meinte auch, dass es keine Elektronen gäbe,

die eine elektrische Ladung erzeugen würden. Die Benennung der physikalischen Einheit nach ihm

erfolgte 1960, 17 Jahre nach Teslas Tod. Magnetismus gibt es nicht ohne Elektrizität und der

Elektromotor sollte deshalb besser Elektromagnetmotor heißen. Wir bleiben aber zunächst mal beim

statischen Magnetfeld und wie es erzeugt wird. Hierzu nutzen wir die Erkenntnisse von James

Clarke Maxwell, der von 1831 bis 1879 lebte und diese in seinen vier Gleichungen zusammengefasst

hat. Die sind Ihnen ja allen bekannt. Sie besagen, dass das elektrische Feld von Ladungen ausgeht,

die Feldlinien haben einen Anfang und ein Ende bei einer positiven und einer negativen Ladung,

das Magnetfeld dagegen ist quellenfrei und die magnetischen Feldlinien sind geschlossen. Es gibt

keine magnetischen Ladungen. Die anderen Gleichungen besagen, dass die beiden Felder

elektrisch und magnetisch gekoppelt sind, wenn sie sich zeitlich verändern. Dies ist die Grundlage

elektromagnetischer Wellen wie zum Beispiel Licht- oder Radiowellen, die sich auch im leeren Raum

ausbreiten können. Die hier wichtigste Gleichung besagt, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld

um sich herum erzeugt und ist die Grundlage der Erzeugung von Magnetfeldern mit Spulen.

In einem metallischen Draht sind viele Elektronen fast frei beweglich. Schließt man an die beiden

Enden des Drahtes eine Batterie an, erzeugt man im Draht einen Strom. Nach Maxwell erzeugt dieser

Strom ein Magnetfeld um den Draht herum. Die Feldstärke ist dabei proportional zur Stromstärke

im Draht, das heißt der doppelte Strom erzeugt das doppelte Magnetfeld. Allerdings sind die

Elektronen eben nur fast frei beweglich. Sie werden durch Stöße auf ihrem Weg durch den Draht immer

wieder von der geraden Linie abgelenkt. Diese Stöße kosten Energie, die als Wärme im Draht

verbleibt. Der Draht wird heiß und brennt bei einer hohen Stromstärke wie eine Sicherung durch.

Das haben Sie gerade gesehen. Damit ist der erreichbaren Magnetfeldstärke eine Grenze

gesetzt. Diese Grenze kann man aber sehr stark nach oben verschieben, wenn man einen

supraleitenden Draht verwendet. Kühlt man zum Beispiel einen Draht aus der Legierung NIOG-13

mit verflüssigtem Heliumgas auf eine Temperatur von minus 269 Grad ab, das sind nur gut vier Grad

über dem absoluten Nullpunkt der Temperaturskala verschwindet sein Widerstand. Jeweils zwei

Elektronen in dem Draht gehen dann trotz der Abstoßung durch ihre gleichen Ladungen eine

Bindung ein und verlieren bei den Stößen keine Energie mehr. Scheint zunächst unmöglich, ist

aber so. Um es noch mal zu betonen, der supraleitende Draht hat dann wirklich keinen Widerstand mehr,

nicht einmal ein bisschen. Die Magnetfelder mehrerer Drähte addieren sich. Ordnet man die

Drähte geschickt an, kann man aus den Beiträgen der einzelnen Drähte ein beliebiges Magnetfeld

aufbauen. Es entsteht eine Spule, die in ihrem Inneren ein homogenes Feld aufbaut. Das Innere

der Spule ist übrigens das Loch im Magnetresonanztomographen. Es gilt, je stärker

und homogener das Magnetfeld, desto besser das Bild. Der Draht der Hauptspule in einem MRT ist

supraleitend. Das ist nötig, weil der Strom im Draht der Spule so groß sein muss, dass ein

ordentliches Magnetfeld entsteht. Im Sinne von Tesla, am besten viele Tesla stark. Ein Draht mit

Widerstand kann das nicht leisten. Da der supraleitende Strom ohne Widerstand fließt,

kann man, nachdem man einmal den Kreisstrom in einer Spule gestartet hat, die Spule kurz schließen