Permanentmagnetismus

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1 1. Der Begriff Der Begriff Magnetismus ist abgeleitet von der in Griechenland gelegenen Landschaft Magnesia ( ), in der man bereits in der Antike Eisenerz fand, das magnetische Eigenschaften besaß. Der Begriff Elektrizität ist abgeleitet von dem griechischen Wort für Bernstein (elektron; ), an dem man erstmals elektrische Eigenschaften beobachtete. 2. Formen von Magneten 3. Die Wirkung von Magneten Magnete ziehen Körper aus Eisen, Nickel und Kobalt an und umgekehrt. Eisen heißt im Lateinischen ferrum; man nennt daher die obigen Metalle ferromagnetisch. 4. Magnetpole Ein Magnet hat an seinen beiden Enden, den sogenannten Polen, die Bereiche stärkster magnetischer Wirkung. Ein frei aufgehängter Magnet (z.b. eine Kompassnadel) weist mit seinen Polen zum Nord- bzw. Südpol der Erde. 5. Kennzeichnung der Magnetpole 6. Wirkung der Magnetpole aufeinander 7. Wirkung der Magnetpole auf magnetische Stoffe Durch nicht-ferromagnetische Stoffe (z.b. Papier, Holz) wirkt die magnetische Kraft ungehindert. 8. Magnetische Influenz In der Umgebung eines Magneten werden einige Stoffe selbst zu Magneten. Man nennt diese Erscheinung magnetische Influenz (lat. influere - hineinfließen). Permanentmagnetismus 9. Permanentmagnete Bestreicht man beispielsweise eine Stricknadel mit einem Stabmagneten, zeigt die zuvor unmagnetische Nadel nunmehr ebenfalls magnetische Eigenschaften. Diese bleiben auch erhalten, wenn man den Stabmagneten entfernt; die Nadel ist zu einem Permanentmagneten geworden (lat. permanere - andauern). 10. Magnetische Dipole Bei elektrischen Ladungen unterscheiden wir (z.b. an der Batterie) Plus- und Minuspol; elektrische Ladungen kann man trennen. Die Nord- und Südpole von Magneten zu trennen, ist unmöglich. Es gibt keine magnetischen Monopole ( Einzelpole ), sondern nur magnetische Dipole (gr. - zwei). 11. Elementarmagnete In ferromagnetischen Stoffen gibt es Elementarmagnete in Form von Dipolen (kleine Stabmagnete im Modell). In magnetisierten Stoffen sind die Elementarmagnete geordnet; in nicht-magnetisierten Stoffen sind die Elementarmagnete ungeordnet. 12. Erklärung der Influenz 13. Entmagnetisieren Magnetisierte Stoffe kann man entmagnetisieren, indem man die Elementarmagnete wieder in Unordnung bringt. Dies kann geschehen durch starke mechanische Erschütterung oder Erhitzen. In Weicheisen lassen sich Elementarmagnete sehr leicht umordnen, in Stahl nur sehr schwer.

2 14. Das Magnetfeld Das Magnetfeld ist der Bereich, in dem ein Magnet auf ferromagnetische Stoffe wirkt. Das Magnetfeld reicht unendlich weit, nimmt aber mit zunehmender Entfernung stark ab. Das Magnetfeld ist nicht an einen Stoff gebunden. 15. Feldlinien 16. Richtung und Dichte der Feldlinien Text bitte ins Heft 17. Homogenes und inhomogenes Feld Im homogenen Feld ist die Feldstärke (Dichte der Feldlinien) überall gleich groß; die Richtung der Feldlinien ist stets gleich. BEISPIEL: das Feld zwischen den Schenkeln eines Hufeisenmagneten Im inhomogenen Feld ist die Feldstärke nicht überall gleich groß; die Richtung der Feldlinien ist nicht stets gleich. BEISPIEL: das Feld eines Stabmagneten 18. Das Magnetfeld zweier Stabmagnete Das Magnetfeld zweier Stabmagnete, bei denen sich gleiche Pole gegenüberliegen, sowie das Magnetfeld zweier Stabmagnete, bei denen sich ungleiche Pole gegenüberliegen: 19. Das Magnetfeld der Erde Bekanntlich wird das Magnetfeld der Erde genutzt, um mit dem Kompass Richtungen zu bestimmen. Die Ursache des Magnetfeldes der Erde ist aber nicht eine Ausrichtung von Elementarmagneten, wie dies bei den ferromagnetischen Stoffen der Fall ist. Dazu ist es im Innern der Erde viel zu heiß. Wahrscheinlich wird das Erdmagnetfeld durch elektrische Ströme verursacht. 20. Die Pole des Erdmagnetfeldes Definitionsgemäß weist der rote Nordpol eines Magneten zum geographischen pol der Erde. Der geographische Nordpol der Erde ist daher ein magnetischer pol. Definitionsgemäß weist der grüne Südpol eines Magneten zum geographischen pol der Erde. Der geographische Südpol der Erde ist daher ein magnetischer pol. 21. Derzeit weicht eine Kompassnadel in Köln etwa zwei Grad vom geographischen Nordpol in westlicher Richtung ab. (lat. declinare - abweichen) Text bitte ins Heft Die Deklination liegt in Deutschland zwischen zwei und sechs Grad in westlicher Richtung. Sie ist stark ortsabhängig und wird zum Beispiel erheblich durch Eisenerzlager beeinflusst. Die Deklination ist keine konstante Größe; sie ändert sich vielmehr mit der Zeit, da sich offensichtlich das Magnetfeld der Erde verändert. Die Veränderungen liegen bei etwa 0,1 Grad pro Jahr. 22. Darstellung des Magnetfeldes der Erde Graphik bitte ins Heft! 23. Inklination i Eine Kompassnadel, die vertikal frei beweglich ist, stellt sich nicht parallel zur Erdoberfläche ein; sie bildet vielmehr mit dieser einen Winkel, die Inklination (lat. inclinare - neigen). In Köln beträgt die Inklination etwa Grad.

3 Lösungen: Permanentmagnetismus Hinweise: Die in einer eigenen Datei gesondert abgebildeten Folien sind von den Schülern in ihr Heft zu übertragen. Texte, die ins Heft einzutragen sind, sind in diesem Farbton, gegebenenfalls durch einen senkrechten Strich am linken Rand, gekennzeichnet. Texte, die auf dem Arbeitsblatt zu ergänzen sind, sind in diesem Farbton markiert. 1. Der Begriff Der Begriff Magnetismus ist abgeleitet von der in Griechenland gelegenen Landschaft Magnesia ( ), in der man bereits in der Antike Eisenerz fand, das magnetische Eigenschaften besaß. Der Begriff Elektrizität ist abgeleitet von dem griechischen Wort für Bernstein (elektron; ), an dem man erstmals elektrische Eigenschaften beobachtete. 2. Formen von Magneten () 3. Die Wirkung von Magneten Magnete ziehen Körper aus Eisen, Nickel und Kobalt an und umgekehrt. Eisen heißt im Lateinischen ferrum; man nennt daher die obigen Metalle ferromagnetisch. 4. Magnetpole Ein Magnet hat an seinen beiden Enden, den sogenannten Polen, die Bereiche stärkster magnetischer Wirkung. Ein frei aufgehängter Magnet (z.b. eine Kompassnadel) weist mit seinen Polen zum Nord- bzw. Südpol der Erde. 5. Kennzeichnung der Magnetpole () Der nach Norden weisende Pol heißt Nordpol und ist rot gekennzeichnet. Der nach Süden weisende Pol heißt Südpol und ist grün gekennzeichnet. 6. Wirkung der Magnetpole aufeinander () Gleichnamige Pole stoßen einander ab, ungleichnamige Pole ziehen einander an. Die Wirkung elektrischer Ladungen aufeinander ist entsprechend.

4 7. Wirkung der Magnetpole auf magnetische Stoffe () Die Wirkungen zweier gleichnamiger Pole verstärken sich, die Wirkungen zweier ungleichnamiger Pole heben sich ganz oder teilweise auf. Durch nicht-ferromagnetische Stoffe (z.b. Papier, Holz) wirkt die magnetische Kraft ungehindert. 8. Magnetische Influenz In der Umgebung eines Magneten werden einige Stoffe selbst zu Magneten. Man nennt diese Erscheinung magnetische Influenz (lat. influere - hineinfließen). 9. Permanentmagnete Bestreicht man beispielsweise eine Stricknadel mit einem Stabmagneten, zeigt die zuvor unmagnetische Nadel nunmehr ebenfalls magnetische Eigenschaften. Diese bleiben auch erhalten, wenn man den Stabmagneten entfernt; die Nadel ist zu einem Permanentmagneten geworden (lat. permanere - andauern). 10. Magnetische Dipole Bei elektrischen Ladungen unterscheiden wir (z.b. an der Batterie) Plus- und Minuspol; elektrische Ladungen kann man trennen. Die Nord- und Südpole von Magneten zu trennen, ist unmöglich. Es gibt keine magnetischen Monopole ( Einzelpole ), sondern nur magnetische Dipole (gr. - zwei). 11. Elementarmagnete () In ferromagnetischen Stoffen gibt es Elementarmagnete in Form von Dipolen (kleine Stabmagnete im Modell). In magnetisierten Stoffen sind die Elementarmagnete geordnet; in nicht-magnetisierten Stoffen sind die Elementarmagnete ungeordnet. 12. Erklärung der Influenz () Influenz, d.h. die gleichsinnige Ausrichtung der Elementarmagnete in ferromagnetischen Stoffen, wird verursacht durch äußere Magnete bzw. Magnetfelder. 13. Entmagnetisieren Magnetisierte Stoffe kann man entmagnetisieren, indem man die Elementarmagnete wieder in Unordnung bringt. Dies kann geschehen durch starke mechanische Erschütterung oder Erhitzen. In Weicheisen lassen sich Elementarmagnete sehr leicht umordnen, in Stahl nur sehr schwer.

5 14. Das Magnetfeld Das Magnetfeld ist der Bereich, in dem ein Magnet auf ferromagnetische Stoffe wirkt. Das Magnetfeld reicht unendlich weit, nimmt aber mit zunehmender Entfernung stark ab. Das Magnetfeld ist nicht an einen Stoff gebunden. 15. Feldlinien () 16. Richtung und Dichte der Feldlinien (Text bitte ins Heft) Die Richtung der Feldlinien gibt die Bewegungsrichtung eines fiktiven Probenordpols an; Magnetfelder sind also immer vom Nordpol zum Südpol gerichtet. Die Dichte der Feldlinien ist ein Maß für die Stärke des Magnetfeldes. 17. Homogenes und inhomogenes Feld Im homogenen Feld ist die Feldstärke (Dichte der Feldlinien) überall gleich groß; die Richtung der Feldlinien ist stets gleich. BEISPIEL: das Feld zwischen den Schenkeln eines Hufeisenmagneten Im inhomogenen Feld ist die Feldstärke nicht überall gleich groß; die Richtung der Feldlinien ist nicht stets gleich. BEISPIEL: das Feld eines Stabmagneten 18. Das Magnetfeld zweier Stabmagnete () Das Magnetfeld zweier Stabmagnete, bei denen sich gleiche Pole gegenüberliegen, sowie das Magnetfeld zweier Stabmagnete, bei denen sich ungleiche Pole gegenüberliegen: 19. Das Magnetfeld der Erde Bekanntlich wird das Magnetfeld der Erde genutzt, um mit dem Kompass Richtungen zu bestimmen. Die Ursache des Magnetfeldes der Erde ist aber nicht eine Ausrichtung von Elementarmagneten, wie dies bei den ferromagnetischen Stoffen der Fall ist. Dazu ist es im Innern der Erde viel zu heiß. Wahrscheinlich wird das Erdmagnetfeld durch elektrische Ströme verursacht. 20. Die Pole des Erdmagnetfeldes Definitionsgemäß weist der rote Nordpol eines Magneten zum geographischen _Nord_pol der Erde.

6 Der geographische Nordpol der Erde ist daher ein magnetischer _Süd_pol. Definitionsgemäß weist der grüne Südpol eines Magneten zum geographischen _Süd_pol der Erde. Der geographische Südpol der Erde ist daher ein magnetischer _Nord_pol. 21. D Text bitte ins Heft) Derzeit weicht eine Kompassnadel in Köln etwa zwei Grad vom geographischen Nordpol in westlicher Richtung ab. (lat. declinare - abweichen) Der geographische Nordpol und der magnetische Südpol fallen also nicht genau zusammen. Diese Abweichung nennt man Deklination. Die Deklination liegt in Deutschland zwischen zwei und sechs Grad in westlicher Richtung. Sie ist stark ortsabhängig und wird zum Beispiel erheblich durch Eisenerzlager beeinflusst. Die Deklination ist keine konstante Größe; sie ändert sich vielmehr mit der Zeit, da sich offensichtlich das Magnetfeld der Erde verändert. Die Veränderungen liegen bei etwa 0,1 Grad pro Jahr. 22. Darstellung des Magnetfeldes der Erde (Graphik bitte ins Heft!) Hinweis: Es bietet sich an, mit einer Deklinationsnadel Deklination und Inklination des Erdmagnetfeldes nachzuweisen.

7 23. Inklination i () Eine Kompassnadel, die vertikal frei beweglich ist, stellt sich nicht parallel zur Erdoberfläche ein; sie bildet vielmehr mit dieser einen Winkel, die Inklination (lat. inclinare - neigen). In Köln beträgt die Inklination etwa _65_ Grad. Ursache der Inklination ist die Tatsache, dass sich die Kompassnadel in Richtung der Feldlinien einstellt, die aber nicht parallel zur Erdoberfläche verlaufen, sondern wie in (22) dargestellt.