Dauermagnete. Versuch

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1 Dauermagnete Allgemeines Die bekanntesten Dauermagnete sind (künstlich magnetisierte) Ferritmagnete wie man sie etwa als Pinnwand-Haftmagnete oder in Schranktür-Verschlüssen findet. Permanentmagnete - meist aus Eisen, Kobalt oder Nickel hergestellt - üben auf alle ferromagnetischen Stoffe - wie z. B. Stähle - eine Anziehung aus. Wir erläutern einige aufschlussreiche magnetische Wirkungen mit Versuchen. Dazu verwenden wir einen Overheadprojektor. Die magnetische Anziehungskräfte sind an den Enden des Magneten am größten, nehmen zur Mitte hin ab und verschwinden in der Mitte. Am stärksten wirken Magnete an ihren»polen«. Hängt man einen Stabmagneten frei auf, dann richtet er sich in Nord-Süd-Richtung aus. Der nach Norden zeigende Magnetpol heißt Nordpol des Magneten. Stoßen ungleichnamige Magnetpole (N-S) aufeinander, dann ziehen sie sich an, gleichnamige Magnetpole (N-N, S-S) stoßen einander ab. Der Nordpol eines Magneten wird mit roter Farbe gekennzeichnet, der Südpol grün. Versuch Auf den OH-Projektor eine Plexiglasplatte legen. Auf der Platte einen Stabmagneten und einen Kompass (wie in der Skizze) anordnen und vorsichtig Eisenpulver in die Umgebung des Magneten rieseln lassen. Die Pulverkörner ordnen sich und bilden das Kraftfeld des Magneten ab. Legt man unmagnetische Eisenblechstreifen zum Magneten, wird man beobachten, dass die beiden äußeren angezogen werden, der mittlere jedoch nicht. Erkenntnis: Die Magnetwirkung ist an den Polen am stärksten. 1

2 Der verwendete Stahlbolzen ist unmagnetisch. Man kann sich dies so erklären: Seine kleinsten elektrischen Elemente sind Molekularmagnete mit Nord- und Südpolen. Diese liegen kreuz und quer im Bolzen, weshalb sie keine gerichteten Anzugskräfte entfalten können. Setzt man auf diesen Bolzen nun einen kräftigen Dauermagneten, dann zwingt dieser die ungeordneten Molekularmagnete, sich wie er auszurichten. Dabei wird der Bolzen selbst magnetisch. Das vom Pol angezogene Eisenpulver beweist dies eindrücklich. Dauermagnete Das Herzstück eines Kompass ist eine frei drehbar gelagerte Magnetnadel, die sich im Magnetfeld der Erde in Nord- Süd-Richtung ausrichtet. Als Farbmarkierung sind im deutschsprachigen Raum die Farben rot für Nordpol und grün für Südpol festgelegt. Als Konsequenz dieser Definition der Magnetpole ergibt sich, daß beim geografischen Nordpol der Erde ein magnetischer Südpol liegen muss. 2

3 Das Magnetfeld der Erde ändert sich im Laufe der Zeit. Aus magnetischen Untersuchungen erstarrter Lava in der atlantischen Bruchzone bei Island lässt sich dies ermitteln. Bei magnetischen Materialien unterscheidet man Eisenkerne bzw. Weicheisenstücke und Dauermagnete bzw. Hartmagnetische Materialien. Dauermagnete ziehen Gegenstände aus Eisen an, nicht aber viele andere Metalle (Cu,Al,Au). In der Nähe eines Magneten lassen sich z.b. Büroklammern magnetisieren. (magnetische Influenz) Magnetisches Feld Den Spezialfall eines homogenen Feldes mit parallelen Feldlinien erhält man u.a. mit einem Hufeisenmagneten. Ein Dauermagnet in Stabform hat seine größte Kraftwirkung an den Enden, also an den Polen. In der Mitte dagegen heben sich die Kraftwirkungen der beiden Pole gegenseitig auf. In der Nähe eines Stabmagneten orientieren sich Magnetnadeln vom Nord- zum Südpol und markieren so eine sogenannte Feldlinie. 3

4 Das magnetische Feld -Grundlagen Wir bezeichnen das Ende des Stabmagneten, das zum geographischen Nordpol (rot) zeigt als Nordpol (N), das andere Ende als Südpol (S) (grün) Wechselwirkung zwischen 2 Stabmagneten Fe 2 O 3 : 2 Stabmagnete, bei denen sich (N) und (N) gegenüberstehen, stoßen sich ab. 2 Stabmagnete, bei denen sich (N) und (S) gegenüberstehen, ziehen sich an. Das magnetische Feld -Grundlagen Es gibt keine magnetischen Ladungen. Ein Stabmagnet ist aus elementaren magnetischen Dipolen aufgebaut, deren Richtung die Magnetisierung des Stabmagneten definiert. B r Es existiert ein magnetisches Feld, das durch Magnetisierung des Eisens hervorgerufen wird, und das im Außenraum vom (N)-Pol zum (S)-Pol gerichtet ist. Die Magnetisierung geschieht durch Ausrichtung der atomaren magnetischen Dipole mit Dipolmoment. Die Richtung eines magnetischen Dipols zeigt von (S) nach (N), diese Richtung ist äquivalent zu der des elektrischen Dipols, der von (-) nach (+) zeigt. 4

5 Magnetfeld der Erde Der magnetische Südpol der Erde befindet sich in der Nähe des geometrischen Nordpols. Es existiert ein magnetisches Erdfeld. Seine Richtung weicht von der Nord-Süd-Horizontalen ab. Die Abweichung ist ortsabhängig. Die Neigung zur Horizontalen bezeichnet man als Inklination (I), die Abweichung von der Nord-Süd-Richtung als Deklination (D). Magnetfeld der Erde Seit man mit Satelliten das Magnetfeld der Erde großräumig untersuchen kann, weiß man dass das Magnetfeld der Erde auf der Sonnenseite gut dipolförmig ist. Auf der Nachtseite bewirkt aber der Sonnenwind mit seinem Magnetfeld eine deutliche Deformation des Erdmagnetfeldes. Das Magnetfeld der Erde lenkt einen Großteil dieser für den Menschen gefährlichen Teilchenstrahlung um. 5

6 Magnetfeld des elektrischen Stroms Die magnetische Feldstärke ist proportional zur Stromstärke und zum Quotienten aus Windungszahl und Länge der Spule. Der dänische Physiker Oersted entdeckte, dass ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld aufbaut. Das Magnetfeld eines geraden Leiters zeigt geschlossene konzentrische Kreise, die innen dichter, außen weniger dicht liegen. Windet man einen Leiter zu einer Spule, dann werden die Magnetfelder der Leiterstücke zum Magnetfeld einer Spule aufgewickelt. Im Innern der Spule ergibt sich ein verstärktes, nahezu homogenes Feld, im Außenbereich schließen sich die Feldlinien. Magnetfelder stationärer Ströme - + Christian Oerstedt: Ein elektrischer Gleichstrom erzeugt ein Magnetfeld! Die Richtung des Magnetfeldes wechselt mit der Stromrichtung, die Stärke nimmt proportional zum Abstand ab. Die Magnetfeldlinien sind geschlossen. Faustregel: Wenn der Daumen in Richtung der technischen Stromrichtung zeigt, weisen die Finger einer leicht geöffneten Faust in Richtung der kreisförmigen Feldlinien. 6

7 Magnetische Feldstärke Magnetische Feldstärke in einem homogenen Magnetfeld: F B = I l Wobei F der Betrag der Kraft auf einen vom Strom durchflossenen Leiter der Länge bedeutet, der senkrecht zu den magnetischen Feldlinien steht. l Kraft zwischen Leitern Stromrichtung parallel die Leiter ziehen sich an. Stromrichtung antiparallel die Leiter stoßen sich ab. 7

8 Das Magnetfeld einer Spule Faustregel 2: Daumen der rechten Hand (im Inneren der Spule), übrige Finger der Faust in Stromrichtung. Magnetische Feldstärke: T N V s = A m m = 2 Stromstärke I, Anzahl der Windungen n, Länge der Spule l Informationsspeicher Magnetische Medien spielen eine zentrale Rolle Magnetbänder, Computer-Festplatten 8

9 Anwendungen für Elektromagneten Das extrem starke Magnetfeld der supraleitenden Spule einer Kernspinröhre wird für die Untersuchung des menschlichen Körpers benötigt. Bei einem Elektromotor dreht sich ein drehbar gelagerter Elektromagneten im Magnetfeld eines Dauermagneten. Nach jeweils einer Halbdrehung muss der Strom mit Hilfe eines 'Kommutators' in der Ankerspule umgepolt werden, damit eine kontinuierliche Rotation erreicht wird. Bei einem Relais schaltet ein erster Stromkreis über einen Elektromagneten den Schalter eines zweiten Stromkreises. Beide Kreise haben dabei keine elektrische Verbindung, so dass z.b. mit einer ungefährlichen Niederspannung eine Hochspannung geschaltet werden kann. Mikroskopische Vorstellung für Ferromagnetismus Im starken äußeren Feld eines Dauermagneten oder eines Elektromagneten richten sich viele Domänen gleich aus und bewirken so eine Verstärkung des Feldes. Bei einem unmagnetisch wirkenden Weicheisen sind die Orientierungen der Domänen beliebig in alle möglichen Richtungen verteilt, so dass sich die magnetischen Effekte insgesamt aufheben. Die magnetische Eigenschaft von Eisen erklärt sich aus der Orientierung der sogenannten Spins der Elektronen in den Nebenschalen. Beim besonders starken Ferromagnetismus kommt noch dazu, dass sich die magnetischen Momente von Einzelatomen in kleinen Bereichen, den magnetischen Domänen, gleichrichten. 9

10 Eine stromdurchflossene Spule mit einem Weicheisenkern ist ein Elektromagnet. Der Magnetismus eines solchen Elektromagneten kann durch eine Änderung der Stromstärke geregelt werden. Wenn man den Druckknopfschalter betätigt, wird der Stromkreisgeschlossen. Durch die Elektromagneten wird der Anker angezogen und der Stromkreis unterbrochen, da dann die Kontaktfeder zur Schraube keinen Kontakt mehr hat. Nun wird der Anker aber nicht mehr angezogen und die Kontaktfeder schließt den Stromkreis wieder. Dieser Vorgang wiederholt sich. Der Anker und die Blattfeder werden dabei so bewegt, dass die Klingel zum klingeln gebracht wird. Klingel Wenn der erste Stromkreis (6 V) mit Hilfe des Schalters geschlossen wird, wird der Anker durch den Elektromagneten angezogen und schließt den zweiten Stromkreis (220 V). Bei einem Relais kann man also mit einem kleinen Strom einen zweiten Stromkreis, in dem ein großer Strom fließen kann, einund ausschalten. Verwendet wird ein Relais zum Beispiel in Telefonvermittlungsanlagen, Trennschutzschaltern, Fehlerstromschaltern oder zur Fernsteuerung von Maschinen. Relais 10