Permanentmagnetismus

Elektrizitätslehre

Permanentmagnetismus

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

Materialbedarf:
2 Magnete (Aus Magnetschnäppern für Schranktüren, die es im Baumarkt preiswert gibt, kann man sie leicht ausbauen), Bindfaden, kariertes Papier, Messer, Buch, Bleistift, Nagel, Heft

Beachte:
Bringe die Magnete nicht in die Nähe von Videokassetten, Musikkassetten, Computerdisketten, Scheck- oder Telefonkarten, Farbfernseher. Sie könnten dabei beschädigt werden.

1. Versuch: Welche Gegenstände zieht der Magnet an, welche nicht?

Prüfe an mindestens 6 Gegenständen aus verschiedenen Materialien aus, ob sie vom Magneten angezogen werden oder nicht. Stoffe, die angezogen werden, heißen magnetisch. Fülle die Tabelle aus.

 

Gegenstand

wird angezogen

wird nicht angezogen

Papier

   

Pfennig

   
     
     
     
     
     
     

 

Fasse zusammen, welche Stoffe magnetisch sind:

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2. Versuch: Stellen stärkster Anziehung - Pole des Magneten

  • Lege den Magneten wie skizziert auf den Tisch. Berühre diese Seite mit der Nagelspitze. Hänge den Nagel am Faden auf und nähere ihn von oben dem Magneten. Beschreibe den Beobachtungen (Versuche den Nagel auch den schmalen Seitenflächen des Magneten zu nähern):

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  • Wende den Magneten um 180°, berühre diese Fläche wieder mit der Nagelspitze und nähere den Nagel wieder langsam von oben her. Fasse Deine Ergebnisse zusammen:

 

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3. Versuch: Namensgebung der Pole

  • Hänge den Magneten wie skizziert auf (Befestigung des Fadens z. B. mit Tesa) und lasse ihn auspendeln. Achte darauf, dass sich in der Nähe des Magneten keine metallischen Gegenstände oder eine weiterer Magnet befindet.
  • Präge Dir die Endlage des Magneten ein. Wiederhole dann den Versuch mit dem zweiten Magneten. Vergleiche mit der geographischen Nordrichtung (wenn möglich mit Kompass feststellen).
  • Kennzeichne die Pole in gleicher Weise mit Farbe. (Grün = Süd, Rot = Nord)

Ergebnis:

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4. Versuch: Abhängigkeit der Anziehungskraft vom Abstand - Abschirmung der Kraft
  • Lege einen nicht zu großen Nagel (Länge ca. 2cm) auf kariertes Papier und markiere die Position des Nagelkopfes. Nähere nun den Magneten wie skizziert und merke Dir die Entfernung bei welcher der Nagel an den Magneten springt. Wiederhole den Versuch einige Male.

Ergebnis:

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  • Wiederhole den Versuch, bring jedoch zwischen Magnet und Nagel verschieden Materialien, z.B. ein Heft oder ein Messer usw.

Ergebnis:

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5. Versuch: Grundgesetz des Magnetismus

Stelle die beiden Magneten in einiger Entfernung wie skizziert so auf, dass

a) sich zwei gleiche Pole (Siehe Versuch 3) gegenüberstehen;

b) sich zwei verschiedene Pole gegenüberstehen;

Ergebnis:

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Darstellung mit einer Wasserwanne

Aufbau und Durchführung

Um die Struktur des Feldes eines Stabmagneten untersuchen zu können, bringen wir den Stabmagneten an ein Becken, in dessen Wasser eine magnetisierte Stricknadel (Nordpol oben) mit Hilfe eines Korkens senkrecht zur Wasseroberfläche schwimmt.

Bringt man den Stabmagnet wie skizziert an, so kann man den Einfluss von dessen Feld auf einen "Quasi-Nordpol" studieren (der Südpol der Stricknadel liegt soweit unterhalb des Stabmagneten, dass die Kraftwirkung auf ihn vernachlässigt werden kann.

Darstellung von Feldlinien mithilfe einer Wasserwanne, in der eine an einem Korken montierte Stricknadel im Wasser die Feldlinien des Magneten nachfährt

Beobachtung

Bringt man nun die Stricknadel in den Nähe des Nordpols vom Stabmagneten und lässt dann die Nadel los, so bewegt sich diese - wie von Geisterhand geführt - auf einer ganz bestimmten Bahn zum Südpol. Man nennt diese vielen möglichen Bahnen, die sich je nach Einsatzpunkt der Nadel ergeben, Feldlinien.

Man versieht die Feldlinien mit einer Richtung: Die Richtung der Feldlinie in einem Punkt gibt die Richtung der Kraft an, die ein Nordpol erfahren würde, wenn man ihn an diesen Punkt bringen würde. Magnetische Feldlinien gehen also vom Nordpol aus und laufen zum Südpol.

Darstellung mit Kompassnadeln

Man kann die Feldstruktur auch mit kleinen Kompassnadeln (magnetische Dipole) darstellen. Dies ist experimentell weniger aufwändig. Die Nordpole dieser Dipole stellen sich in Richtung der Feldlinie ein, falls die Nadel nicht zu groß ist.

Darstellung mit Eisenfeilspänen

Eine sehr hübsche Möglichkeit der Feldstrukturuntersuchung bietet sich, wenn man den Magneten unter eine Glasplatte legt und auf die Platte dann Eisenfeilspäne (viele kleine, zunächst unmagnetische Späne) streut. Die Späne werden durch magnetische Influenz zu kleinen Dipolen, die sich längs der Feldlinien ausrichten. Die Ausrichtung wird erleichtert, wenn man kurz an die Glasplatte klopft.

Das Feld von Dauermagneten oder einer Anordnung von verschiedenen Dauermagneten kann sehr schnell einem größeren Zuhörerkreis gezeigt werden. Dazu legt man die Magnetanordnung auf den Tageslichtprojektor und bringt über dem Magneten eine Glasplatte an. Nun streut man sachte Eisenfeilspäne auf die Glasplatte und klopft auf diese mit einem harten Gegenstand (z.B. Schlüssel) so dass sich die Späne gut längs der Feldlinien ausrichten können.

Hinweis: Es ist günstig, wenn die Glasplatte nicht direkt auf die - meist sehr starken - Magnete gelegt, sondern etwas höher angeordnet wird (zurechtgeschnittene Korkenstücke dienen im Bild als "Abstandshalter"). Auf diese Weise verhindert man die sehr starke Konzentration der Späne in Polnähe.

Beispiele

Feld eines Hufeisenmagneten

Das Feld innerhalb des Hufeisenmagneten - wo die Feldlinien untereinander parallel verlaufen - bezeichnet als homogenes Feld.

Feld eines Hufeisenmagneten mit Eisenring

Magnetfelder können teilweise durch geeignetes Material (z.B. Eisenring) abgeschirmt werden.

Feld zwischen zwei gleichartigen Polen

Feld zwischen zwei verschiedenartigen Polen

 

Die Richtung des resultierenden Felds in einem Punkt kann durch Vektoraddition der Kräfte, welche in diesem Punkt auf einen Nordpol wirken würden, ermittelt werden.

 

Feldlinien sind räumliche Gebilde, von denen man meist ebene Schnitte zeigt. Die räumliche Kraftwirkung sieht man an der Nahaufnahme der Eisenfeilspäne an einem magnetischen Nordpol (links) und verdeutlicht das Feldlinien - Drahtmodell eines Stabmagneten (rechts).

zum Video

Das Erdmagnetfeld erfüllt eine wichtige Aufgabe für das Leben auf unserem Planeten: Es lenkt die hochenergetischen Teilchen des Sonnenwindes von der Erde ab. Doch seit ungefähr 1000 Jahren schwächt sich dieses Magnetfeld ab, bisher um ein Drittel. Haben wir also Grund zur Sorge? Im Video mit dem Titel "Zerfällt das Erdmagnetfeld?" geht Professor Harald Lesch dieser Frage nach.

zum Video

Das Magnetfeld der Erde hat sich immer wieder komplett umgepolt. Das steht jetzt wieder an: In den vergangenen 200 Jahren ist das Magnetfeld um 10% schwächer geworden und der magnetische Südpol ist 1100 Kilometer gewandert - Vorboten eines baldigen Zusammenbruchs. Im 2. Video mit dem Titel "Was passiert, wenn das Erdmagnetfeld verschwindet?" beantwortet Professor Harald Lesch diese Frage.

Ziel des Versuchs: Herstellung verschiedener Feldlinienbilder mittels Dauermagneten und Eisenfeilspänen

Versuchsaufbau

Anordnung wie auf Beiblatt skizziert herstellen;

Karton über die Anordnung legen;

Karton waagrecht halten und mit Streubüchse das Eisenpulver möglichst gleichmäßig und nicht zu dicht auf den Karton streuen;

Vorsichtiges Klopfen an einer Kante des Kartons (ohne diesen zu verrutschen) führt zur deutlichen Ausbildung der Feldlinienbilder;

Nach dem Abzeichnen des Feldlinienbildes (Beiblatt verwenden), Eisenspäne auf ein Blatt Papier schütten und durch Bilden einer Rinne in die Streubüchse zurückbringen;

Neue Anordnung aufbauen;

Aufgaben

Zeichne die Feldlinienbilder auf das Beiblatt. Zeichne auch jeweils die Richtung der Feldlinien ein.

Färbe die Pole der Magneten ein (Nordpol: rot; Südpol: grün).

Versuche die Feldlinienbilder 3 und 4 mit Hilfe der Grundform 1 zu erklären.

Fragen

Warum stellen sich kleine Magnetnadeln näherungsweise tangential zu Feldlinien ein?

Wie kommt es, dass magnetische Kräfte einander aufheben können?

Wie stellt sich eine Magnetnadel ein, die man an beliebige Orte in ein Magnetfeld stellt?

Kann man aus Feldlinienbildern erkennen, ob sich zwei felderzeugende Magnete anziehen oder abstoßen?

Warum können sich magnetische Feldlinien nicht schneiden?

Wie ändert sich die Struktur eines Magnetfeldes, wenn man z.B. ein Stück Holz oder ein (vorher unmagnetisches) Stück Eisen in das Feld bringt?

Man kann das Feldlinienbild verschwinden lassen, indem man die Eisenfeilspäne wegnimmt. Wo bleibt dann das Feld?

Beiblatt

1

2

3

4

5

6

Lehrerinformationen

Versuchsgeräte

2 Hufeisenmagnete

1 Streubüchse mit Eisenfeilicht

2 Eisenringe

2 Stabmagnete

1 Karton

Hinweise

Diese Übung ist eine, welche den Unterricht unmittelbar fortführt. Sie kann nach einigen Bemerkungen zum Magnetfeld als Einstieg zu diesem Kapitel dienen. Da die Übung keine volle Unterrichtsstunde dauert können die Bemerkungen über das Magnetfeld der Übung vorangestellt werden.

An den Polen wird das Eisenfeilicht von der Umgebung abgezogen und direkt zum Pol. An den Stellen mit eisenfeilichtfreiem Raum ist das Feld besonders stark.

Bei der Anordnung 6 legt man am besten zwei bis drei Eisenringe aufeinander, da sonst der Hufeisenmagnete zu hoch ist und sich nicht die gewünschte Feldstruktur einstellt.

Die Schüler sollen angehalten werden, dass sie das Eisenfeilicht welches u. U. an den Magneten hängt, sauber entfernen.

Am Ende der Übung ist bei den Hufeisenmagneten der Eisenschluss herzustellen. Die Stabmagnete sind mit entgegengesetzten Polen aufeinander zu legen.

Mit dem hübschen Applet kannst du das Magnetfeld eines Stabmagneten und das magnetische Erdfeld untersuchen.

  • Dazu kannst du einen kleinen Kompass (rote Spitze der Nadel ist ein magnetischer Nordpol) im Raum um einen Stabmagneten bzw. um die Erde mit der Maus bewegen. Auf diese Weise kannst du dir einen Eindruck von der Feldstruktur verschaffen.
  • Mit einem Schalter kann man sich das magnetische Feld des Stabmagneten bzw. der Erde darstellen lassen. Dabei werden zur Darstellung keine Feldlinien sondern viele kleine Kompasse verwendet.
  • Die Stärke des magnetischen Feldes kann durch einen Schieberegler variiert werden.
  • Die Simulation bietet auch noch die Möglichkeit sich die sogenannte magnetische Flussdichte anzeigen zu lassen, was auf dieser Stufe für uns noch nicht relevant ist.

©  W. Fendt 2001
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1 Simulation des Magnetfelds eines Stabmagneten

Die Simulation demonstriert das Magnetfeld eines stabförmigen Dauermagneten, das mit Hilfe einer Magnetnadel untersucht werden kann. Die Magnetpole von Stabmagnet und Magnetnadel sind durch Farben gekennzeichnet: Nordpol: rot und Südpol: grün.

Wenn man die Magnetnadel mit gedrückter Maustaste bewegt, wird diejenige magnetische Feldlinie eingezeichnet, die durch den Mittelpunkt der Magnetnadel verläuft. Die Richtung, in die der Nordpol der Magnetnadel zeigt, wird durch Pfeilspitzen ausgedrückt. Dreht man den Magneten um (Mausklick auf den Schaltknopf), so ändert sich die Orientierung der Feldlinien. Mit dem oberen Schaltknopf lässt sich das Feldlinienbild wieder löschen.

Wir danken Herrn Walter Fendt für die Erlaubnis, diese HTML5/Javascript-Animation auf LEIFIphysik zu nutzen.

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