Blatt für Lehrkräfte · 15–16 Jahre · etwa 45–50 Minuten
Magnetismus: Domänen, Elektromagnete und das Erdmagnetfeld
Lektionsseite: echoesof.science/school/de/magnetism/ages-15-16/ · Arbeitsblatt für Schülerinnen und Schüler: echoesof.science/school/de/magnetism/ages-15-16/print/
Lernziele
- Ferromagnetismus mit Domänen und der Curie-Temperatur erklären.
- Wissen, dass magnetische Pole paarweise auftreten und dass Strom Magnetfelder erzeugt.
- Die Faktoren untersuchen, die die Stärke eines Elektromagneten beeinflussen.
- Das Erdmagnetfeld beschreiben: Geodynamo, Deklination, Polwanderung, Umpolungen und Magnetosphäre.
Stundenverlauf
| Zeit | Aktivität |
|---|---|
| 5 Min. | Einstieg: Mit einem Magneten über einen Nagel streichen, den Nagel dann mehrmals auf den Boden fallen lassen. Jedes Mal testen. |
| 10 Min. | Den Text lesen; über Domänen sprechen. |
| 25 Min. | Untersuchung zum Elektromagneten zu zweit. |
| 5 Min. | Diagramme vergleichen; über Sättigung sprechen. |
| 5 Min. | Quiz oder Richtig oder falsch? als Hausaufgabe. |
Material für den Versuch
- 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.
Häufige Fehlvorstellungen
| Schülerinnen und Schüler denken vielleicht… | Tatsächlich… |
|---|---|
| Der geografische Norden ist ein magnetischer Nordpol. | Er ist ein magnetischer Südpol: Er zieht das Nordende des Kompasses an. |
| Das Erdmagnetfeld kommt von einem riesigen Dauermagneten im Inneren. | Der Kern ist weit heißer als die Curie-Temperatur; das Feld wird durch Ströme im geschmolzenen äußeren Kern erzeugt. |
| Mehr Strom ergibt immer einen proportional stärkeren Elektromagneten. | Mit Kern sorgt die Sättigung dafür, dass der Anstieg abflacht. |
Lösungen zum Arbeitsblatt
- Domänen (winzige magnetische Bereiche) sind zunächst ungeordnet; ein äußeres Feld richtet sie aus, sodass sich ihre Felder addieren. Erhitzen gibt den Atomen Energie, die Domänen wieder durcheinanderzubringen; oberhalb der Curie-Temperatur können sie nicht ausgerichtet bleiben.
- Mehr Strom und mehr Windungen hoben beide mehr Büroklammern; bei hoher Stromstärke kann der Anstieg langsamer werden, weil der Kern in die Sättigung gerät.
- Weil sich ungleichnamige Pole anziehen: Das nordsuchende Ende eines Kompasses wird zu ihm hingezogen, also muss es ein magnetischer Südpol sein.
- Der Magnetpol wandert (derzeit etwa 55 km pro Jahr), deshalb ändert sich die Deklination an einem Ort mit der Zeit.
Lösungen zum Quiz
- Oberhalb der Curie-Temperatur kann Eisen… nicht magnetisiert werden. Wärme bringt die Domänen durcheinander; bei Eisen liegt die Curie-Temperatur bei 1043 K.[2]
- Der nordsuchende Pol eines Kompasses zeigt zum geografischen Norden. Magnetisch ist dieser Pol der Erde… ein Südpol. Ungleichnamige Pole ziehen sich an.[1]
- Was ist laut Lehrbuch die Quelle allen Magnetismus? Bewegte elektrische Ladung (Strom). Auch Dauermagnete verdanken ihren Magnetismus der Bewegung von Ladungen in Atomen.[2]
- Was ist die magnetische Deklination? Der Winkel zwischen magnetischem und geografischem Norden. Sie ist von Ort zu Ort verschieden.[4]
- Wann hat sich das Erdmagnetfeld zuletzt umgepolt? Vor etwa 750.000–780.000 Jahren. Umpolungen geschehen unregelmäßig.[4]
- Warum macht ein Eisenkern einen Elektromagneten viel stärker? Seine Domänen richten sich nach dem Feld der Spule aus und fügen ihr eigenes Feld hinzu. Der Kern wird selbst zum Magneten.[2]
Weiterführend
Zeichne mit einem kleinen Kompass die Feldlinien um einen Stabmagneten, dann um zwei Magnete mit gleichnamigen und mit ungleichnamigen Polen einander gegenüber. Wo liegt ein neutraler Punkt?
Quellen dieser Lektion
- [1] College Physics 2e, 22.1 Magnets (OpenStax, Rice University): Zuverlässigkeit Hoch
- [2] College Physics 2e, 22.2 Ferromagnets and Electromagnets (OpenStax, Rice University): Zuverlässigkeit Hoch
- [3] Earth's Magnetosphere: Protecting Our Planet from Harmful Space Energy (NASA Science): Zuverlässigkeit Hoch
- [4] Geomagnetism Frequently Asked Questions (NOAA National Centers for Environmental Information): Zuverlässigkeit Hoch
Vollständige Liste mit Links und einer Einschätzung der Zuverlässigkeit jeder Quelle: echoesof.science/school/de/magnetism/sources/
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