Schule › Magnetismus › 15–16 Jahre
Magnetismus: Domänen, Elektromagnete und das Erdmagnetfeld
Ferromagnetismus und Domänen, die Curie-Temperatur, warum Pole paarweise auftreten, Elektromagnete und das wandernde, sich umpolende Erdmagnetfeld. Mit einer Untersuchung eines Elektromagneten mit Stromstärke und Windungszahl.
Lesen
Jeder Magnet hat einen Nord- und einen Südpol; gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Magnetische Pole lassen sich nicht isolieren: Zerschneidet man einen Magneten, hat jedes Stück beide Pole – bis hinunter zu einzelnen Atomen.[1]
Eisen, Cobalt, Nickel und Gadolinium sind ferromagnetisch. In ihnen gibt es Domänen (Weiss-Bezirke), kleine Bereiche, die sich wie winzige Stabmagnete verhalten. In einem unmagnetisierten Stück zeigen die Domänen in zufällige Richtungen; ein äußeres Feld richtet sie aus und lässt sie wachsen, und Erhitzen und Abkühlen oder Klopfen kann die Ausrichtung festhalten. Oberhalb der Curie-Temperatur (1043 K bei Eisen) lässt sich ein Ferromagnet überhaupt nicht magnetisieren.[2]
Elektrischer Strom erzeugt Magnetfelder; bewegte Ladung ist sogar die Quelle allen Magnetismus. Eine stromdurchflossene Spule ist ein Elektromagnet: ein vorübergehender Magnet, dessen Stärke mit der Stromstärke und der Windungszahl wächst und den ein Eisenkern stark verstärkt.[2]
Die Erde verhält sich wie ein riesiger Stabmagnet. Ihr Magnetpol in der Nähe des geografischen Nordpols ist eigentlich ein magnetischer Südpol: Darum zeigt das nordsuchende Ende eines Kompasses zu ihm. Das Feld entsteht vor allem im geschmolzenen Eisen-Nickel-Außenkern, wo wirbelndes Metall und die Erdrotation elektrische Ströme antreiben: der Geodynamo.[1][3]
Das Feld ist nicht fest. Die Deklination, der Winkel zwischen magnetischem und geografischem Norden, ist von Ort zu Ort verschieden, und der magnetische Nordpol wandert derzeit etwa 55 km pro Jahr. Das Feld hat sich auch schon oft umgepolt, und zwar unregelmäßig; die letzte Umpolung war vor etwa 750.000–780.000 Jahren.[4]
Die Magnetosphäre schützt die Atmosphäre vor der Abtragung durch den Sonnenwind. Polarlichter entstehen durch energiereiche Elektronen, die aus ihr in die hohe Atmosphäre herabregnen.[3]
Ausprobieren: Wovon hängt die Stärke eines Elektromagneten ab?
Du brauchst
- Ein Eisenstab oder großer Nagel als Kern
- Isolierter Kupferdraht (etwa 3 m)
- Ein Niederspannungs-Gleichstromnetzgerät (max. 6 V) oder ein Batteriepack
- Ein Amperemeter und ein regelbarer Widerstand (Schiebewiderstand)
- Ein Häufchen gleicher kleiner Büroklammern (oder eine kleine Stahlmasse und ein Kraftmesser)
Sicherheit
Nur Niederspannung (max. 6 V). Spulen und Widerstände werden heiß: Zwischen den Messungen ausschalten und den Stromkreis nie eingeschaltet lassen. Das Netzgerät nicht kurzschließen.
So geht's
- Wickle 20 Windungen auf den Kern. Schalte Spule, Amperemeter und Schiebewiderstand in Reihe mit dem Netzgerät.
- Stelle die Stromstärke auf 0,5 A ein. Zähle, wie viele Büroklammern der Kern hebt. Schalte zwischen den Messungen aus.
- Wiederhole bei 1,0 A, 1,5 A und 2,0 A mit 20 Windungen.
- Halte nun die Stromstärke bei 1,0 A und teste 10, 20, 30 und 40 Windungen.
- Trage die Zahl der gehobenen Büroklammern gegen die Stromstärke und gegen die Windungszahl auf. Beschreibe die Trends.
- Entferne den Kern und wiederhole eine Messung. Vergleiche.
Was passiert, und warum?
Das Feld einer Spule wächst sowohl mit der Stromstärke als auch mit der Windungszahl, also werden mehr Büroklammern gehoben. Der Eisenkern wird von der Spule magnetisiert (seine Domänen richten sich nach dem Feld aus) und fügt ein viel stärkeres eigenes Feld hinzu; deshalb wird der Magnet ohne Kern so viel schwächer. Bei hohen Stromstärken gerät der Kern in die Sättigung (fast alle Domänen sind ausgerichtet), sodass die Kurve abflachen kann.[2]
Spielen: Richtig oder falsch?
Ist die Aussage richtig oder falsch? Nutze, was du über Domänen, Pole und das Erdmagnetfeld weißt.
Dein bester Punktestand wird nur auf diesem Gerät gespeichert. Es wird nichts verschickt.
Quiz
Andere Altersstufen: 6–7 Jahre · 10–11 Jahre