Permanentmagnetismus

Elektrizitätslehre

Permanentmagnetismus

  • Warum zeigen Kompasse immer nach Norden?
  • Wie stellt man Magnete her?
  • Was versteht man unter einem Magnetfeld?
  • Welche Stoffe sind magnetisch?

Auf einem Tisch liegende Eisennägel werden mit einem Stabmagneten angehoben. Mit den Enden des Stabmagneten kann man besonders viele Nägel anheben.

Die Stellen stärkster Anziehung des Magneten heißen Pole.

 

Man bezeichnet denjenigen Pol eines Magneten, der in die geografische Nordrichtung zeigt, als Nordpol, den anderen Pol als Südpol.

Meist wird der Nordpol eines Magneten rot eingefärbt, der Südpol grün. Hierfür gibt es die folgende Merkregel:

Nordpol ↔ rot
Südpol ↔ grün

Beachte die farblich angedeutete "Eselsbrücke".

3 Kraftwirkung zwischen den Polen von Magneten

 

 

Kraftwirkung zwischen den Polen:

  • Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige Pole ziehen sich an.
  • Je größer der Abstand zwischen den Polen ist, desto geringer ist die Kraftwirkung.

Ungleichnamige Pole heben sich in ihrer Wirkung auf.

 

Teilt man einen Stabmagnet, so entstehen zwei kleinere neue Magnete (es gibt keine magnetischen Monopole).

Das Wichtigste auf einen Blick

Abb. 2 Verschiedenartige Pole ziehen sich an
Abb. 1 Gleichartige Pole stoßen sich ab

Es gibt zwei verschiedenartige Magnetpole: den magnetischen Nordpol (meist durch rote Farbe gekennzeichnet) und den magnetischen Südpol (meist durch grüne Farbe gekennzeichnet).

Gleichartige Pole stoßen sich ab, verschiedenartige Pole ziehen sich an.

Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft wächst mit der "Stärke" der Magnetpole.

Der Betrag der (anziehenden oder abstoßenden) Kraft sinkt mit der Vergrößerung des Abstands zwischen den Magnetpolen.

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3 Prinzipielle Abhängigkeit der beiden Kräfte \({\vec F}_{12}\) und \({\vec F}_{21}\) von den Größen \(p_1\), \(p_2\) und \(r\)

Die Simulation in Abb. 1 zeigt noch einmal ausführlicher die Kraftwirkung zwischen Magnetpolen. Du siehst zwei Stabmagneten, deren magnetische Eigenschaften du mit den Schiebereglern \(p_1\) und \(p_2\) verändern kannst. Die Größen \(p_1\) und \(p_2\) nennt man Polstärke. Sie geben die "Stärke" und die "Orientierung" der beiden Pole der Magneten an. Den Abstand der beiden Pole kannst du mit dem Schieberegler \(r\) verändern.

Du kannst beobachten, dass

sich gleichartige Pole abstoßen und verschiedenartige Pole anziehen; die wirkenden Kräfte werden durch die Kraftpfeile \({\vec F_{12}}\) und \({\vec F_{21}}\) dargestellt

die Stärke dieser Kräfte mit stärker werdenden Polstärken \(p_1\) und \(p_2\) größer werden

die Stärke dieser Kräfte mit größer werdendem Abstand \(r\) kleiner werden.

Hinweis: Um die zentralen Aspekte der Kraft zwischen Magnetpolen deutlich hervorzuheben berücksichtigt die Animation nicht, dass zwischen einem magnetisiertem (\(p \ne 0\)) und einem nicht-magnetisierten (\(p = 0\)) Eisenstück stets anziehende Kräfte wirken würden.

Im Grundwissen über den Dauermagnetismus konnte man sehen, dass bei der Teilung eines Magneten immer wieder neue Magnete entstehen. Denkt man sich diesen Prozess sehr oft fortgesetzt, so kann man die Hypothese aufstellen, dass die kleinsten Elemente eines Magneten wiederum Magnete sind, die man als Elementarmagnete bezeichnet. Mit diesem Gedankenmodell kann man eine Reihe magnetischer Erscheinungen recht gut verstehen.

Im Weiteren benutzen wir neben diesem Gedankenmodell auch noch ein materielles Modell: In einem durch einen Korken verschließbares Reagenzglas füllen wir viele Eisenfeilspäne, von denen jeder einzelne einen Elementarmagneten symbolisieren soll.

Zustand Objekt Gedankenmodell materielles Modell
unmagnetisch
magnetisch

Objekt- und Modellverhalten

Magnetisieren

2 Magnetisieren eines Weicheisenstabes durch Vorbeistreichen eines Permanentmagneten

Ein Weicheisenstab wird durch Bestreichen mit einem Permanentmagneten magnetisiert.

3 Magnetisieren eines Kollektivs von Eisenfeilspänen durch Vorbeistreichen eines Permanentmagneten

Durch Bestreichen mit einem Permanentmagneten werden die magnetischen Eisenfeilspäne in einem Reagenzglas geordnet und das Kollektiv nach außen magnetisch.

Überprüfung: Im unmagnetisierten Zustand kann man die Abstoßung einer Kompassnadel erreichen, indem man z.B. den Nordpol des Magneten dem Nordpol der Kompassnadel nähert.

Entmagnetisieren

4 Entmagnetisieren eines magnetisierten Kollektivs von Eisenfeilspänen durch Schütteln

Entmagnetisierung des Modellmagneten

Man kommt unschwer auf die Idee, dass eine Entmagnetisierung des Modellmagneten durch ein Schütteln (Energiezufuhr) möglich ist.

Dies liefert auch die Idee dafür, wie man beim Weicheneisenstab bei der Entmagnetisierung vorzugehen hat.

5 Entmagnetisieren eines magnetisierten Weicheisenstabes durch Energiezufuhr in Form von Stößen

Entmagnetisierung des Objektes

Ähnlich wie beim Modellmagneten muss dem magnetisierten Eisenstab Energie zugeführt werden, wenn es zur Entmagnetisierung kommen soll. Dies kann z.B. durch das Klopfen mit einem (unmagnetischen) Hammer ...

6 Entmagnetisieren eines magnetisierten Weicheisenstabes durch Energiezufuhr in Form von Wärme

... oder durch starke Erwärmung des Weicheisenstabes geschehen.

Überprüfung: Im unmagnetisierten Zustand stößt sowohl der Eisenstab als auch das gefüllte Reagenzglas keinen der Pole einer Kompassnadel ab sondern zieht diese aufgrund magnetischer Influenz an.

Nähert man einen Magneten einem zunächst unmagnetischen Eisenstück (oder einem anderen ferromagnetischen Stoff), so wird das Eisenstück selbst zu einem Magneten. Dieses Phänomen bezeichnet man als magnetische Influenz.

1 Ursache und Auswirkungen der magnetischen Influenz

Die Animation in Abb. 1 zeigt zum einen das oben beschriebene Phänomen der magnetischen Influenz, zum anderen aber auch die mikroskopischen Vorgänge, die zur magnetischen Influenz führen.

Nähert man den Nordpol des Stabmagneten der Oberseite des zunächst unmagnetischen Eisenstabs, so richten sich die zunächst ungeordneten Elementarmagnete im Eisenstab aus. Auf der Oberseite des Eisenstabs entsteht ein Südpol, auf der Unterseite des Eisenstabs entsteht ein Nordpol. Dies kann dadurch nachgewiesen werden, dass diese Unterseite des Eisenstabs den Nordpol der Kompassnadel abstößt.

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Abb.
1
Michael FARADAY (1791 - 1867)
Thomas Phillips (1842)

Um die Kraftwirkung eines Stabmagneten z.B. auf einen Pol eines anderen Magneten beschreiben zu können, führte Michael FARADAY (1791 - 1867) den Begriff des magnetischen Feldes ein. Das Magnetfeld ist der Wirkungsbereich eines Magneten. Man erkennt magnetische Felder z.B. daran, dass Kraftwirkungen auf ferromagnetische Stoffe (Eisen, Kobalt, Nickel und spezielle Legierungen) auftreten. Magnetfelder können auch im Vakuum auftreten.

FARADAY führte auch die Darstellung des magnetischen Feldes durch Feldlinien ein. Beachte aber, dass diese Feldlinien nur Denk- und Anschauungshilfen sind, mit denen man einige Eigenschaften von magnetischen Feldern gut beschreiben kann.

Festlegung von Richtung und Orientierung magnetischer Feldlinien

2 Festlegung des Verlaufs und der Orientierung der magnetischen Feldlinien am Beispiel eines Stabmagneten

Der Verlauf oder die Richtung der magnetischen Feldlinien eines Magneten wird dadurch bestimmt, auf welcher Bahn sich eine kleine Kompassnadel bewegen würde, wenn man sie im magnetischen Feld loslassen würde. Dieser verlauf wird also durch den Magneten selbst festgelegt.

Die Orientierung der magnetischen Feldlinien dagegen können wir selbst festlegen. Es gilt folgende Abmachung: Die magnetischen Feldlinien laufen im Außenraum eines Stabmagneten von dessen Nord- zum Südpol; sie geben die Kraftrichtung auf einen magnetischen Nordpol an. Im Inneren eines Dauermagneten laufen die Feldlinien dagegen von Südpol zum Nordpol.

Mit der vereinbarten Richtungsregel ergibt sich dann das in der Animation in Abb. 2  für das Feld eines Stabmagneten in dessen Außenraum dargestellte Feldlinienbild. Hinweis: Auch im Inneren des Stabmagneten herrscht ein Magnetfeld, das in diesem Zusammenhang aber nicht dargestellt werden soll.

Eigenschaften von magnetischen Feldlinien

Eine Kompassnadel (magnetischer Dipol) stellt sich tangential zur Feldlinie ein.

Magnetische Feldlinien schneiden sich nicht, d.h. die Kraftrichtung auf einen magnetischen Nordpol ist stets eindeutig definiert.

Magnetische Feldlinien sind stets geschlossene Linien.

Will man andeuten, dass in einer Zone das Magnetfeld stärker ist als in einer anderen Zone, so deutet man dies durch die Dichte der Magnetfeldlinien an. Höhere Feldliniendichte bedeutet stärkeres Magnetfeld.

Hinweis: Nicht selten werfen Schüler die Begriffe Nord- und Südpol (Magnetfeld) bzw. Plus- und Minuspol (elektrisches Feld) kunterbunt durcheinander. Vielleicht rührt dies daher, dass sich gewisse Feldlinienbilder beim Magnetismus und in der Elektrostatik sehr ähnlich sind (z.B. das Feldlinienbild eines Stabmagneten und das Feldlinienbild zweier elektrisch entgegengesetzt geladener Kugeln). Bei Kraftwirkungen im elektrischen bzw. magnetischen Feld handelt es sich jedoch um grundsätzlich verschiedene Phänomene, die begrifflich auch bei der Bezeichnung der Pole nicht verwechselt werden dürfen.

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