Magnetismus und Elektromagnetismus

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1 Magnetismus und Elektromagnetismus S SB Minimalkurs Niveaustufe G Niveaustufe M Niveaustufe E S. 96 f. Basistext und Aufgaben 1 3 S. 96 f. Basistext und Aufgaben 1 3 und Aufgaben S. 96 f. Basistext und Aufgaben 1 3 und Aufgaben S. 98 Material A + B + D (ggf. Stationen) S. 98 Material A + B + C + D + E (ggf. Stationen) S. 98 Material A + B + C + D + E (ggf. Stationen) S. 100 Basistext und Aufgaben S. 101 Material B S. 102 Basistext links und Aufgaben S. 102 Basistext links und Aufgaben S. 102 Basistext links und rechts und Aufgaben S. 101 Material A S. 101 Material A + C S. 101 Material A + B + C S. 104 Basistext und Aufgaben S. 104 Basistext und Aufgaben S. 105 Material A + B S. 105 Material A + B S. 106 Basistext und Aufgaben S. 110 f. Basistext und Aufgaben S. 110 f. Basistext und Aufgaben Eine einfache Unterstreichung zeigt an, was über die Niveaustufe G hinausgeht. Eine doppelte Unterstreichung zeigt an, was über die Niveaustufe M hinausgeht. S. 110 f. Basistext und Aufgaben S. 112 Material A und Versuch vorführen S. 113 Erweitern und Vertiefen bearbeiten und präsentieren 81 Natur und Technik

2 Magnetismus und Elektromagnetismus S SB Glossar Elektromagnet: Er besteht aus einer Spule mit Eisenkern. Elektromagnete sind nur bei eingeschaltetem Strom magnetisch. Ihre Magnetpole können vertauscht werden. Elektromotor: Einfache Elektromotoren enthalten zwei Magnete: Der eine dreht sich und der andere steht fest. Einer der beiden Magnete muss ein Elektromagnet sein. Die Drehung des einen Magneten kommt zustande, weil sich immer wieder aufs Neue ungleiche Magnetpole der beiden Magnete anziehen und gleiche Magnetpole abstoßen. Die Drehung des Magneten wird genutzt, um Geräte anzutreiben. Der Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Elementarmagnet: Wir stellen uns vor, dass es in einem Eisenstück sehr viele winzige Bereiche gibt, die magnetisch sind und jeweils einen Nord- und einen Südpol haben. Diese Elementarmagnete sind normalerweise ungeordnet und heben sich in ihrer magnetischen Wirkung auf. In Dauermagneten sind sie alle in derselben Richtung ausgerichtet und verstärken sich in ihrer Wirkung. Erdmagnetfeld: Die Erde wirkt wie ein riesiger Magnet. Sie ist von einem Magnetfeld umgeben. Der magnetische Südpol (Nordpol) der Erde liegt in der Nähe des geografischen Nordpols (Südpols). Feldlinien: Mit Feldlinien zeichnen wir Magnetfelder. Sie zeigen an, wie stark und in welche Richtung eine Kompassnadel abgelenkt wird. Feldlinien verlaufen vom Nord- zum Südpol eines Magneten. Ihre Richtung wird durch Pfeile an den Linien angezeigt. Je stärker die magnetische Wirkung in einem bestimmten Bereich des Magnetfelds ist, desto dichter zeichnen wir dort die Feldlinien. Kompass: Gerät zur Bestimmung der Himmelsrichtungen. Ein einfacher Kompass besteht aus einer drehbaren Kompassnadel und einer Windrose. Die magnetische Kompassnadel wird vom Erdmagnetfeld in Nord-Süd-Richtung gedreht. Die Windrose unter der Kompassnadel wird mit der Hand so gedreht, dass ihr N unter dem Nordpol der Kompassnadel steht. Dann kann man die Himmelsrichtungen auf der Windrose ablesen. Magnet: Er zieht Gegenstände aus Eisen (Nickel, Cobalt) an. Man unterscheidet Dauermagnete (zum Beispiel aus Eisen) und Elektromagnete. Wir stellen uns vor, dass jeder Dauermagnet aus ganz vielen Elementarmagneten besteht. Sie sind alle in derselben Richtung ausgerichtet und verstärken sich in ihrer Wirkung. Magnetfeld: Bereich um einen Magneten, in dem sich seine magnetische Wirkung zeigt. Auch ein Draht, durch den ein elektrischer Strom fließt, ist von einem Magnetfeld umgeben. Magnetfelder lassen sich durch Eisenbleche abschirmen. Magnetpol: Stelle eines Magneten, an der seine Anziehung besonders groß ist. Jeder Magnet hat (mindestens) einen Nordpol und einen Südpol. Ungleiche Pole zweier Magnete ziehen sich an. Gleiche Pole zweier Magnete stoßen sich ab. Rotor: drehbarer Magnet im Elektromotor Spule: Leitungsdraht, der zylindrisch aufgewickelt ist. Wenn ein Strom durch die Spule fließt, ist die Spule magnetisch. Das Magnetfeld außerhalb der Spule ähnelt dem Magnetfeld eines Stabmagneten. Stator: fest stehender Magnet im Elektromotor Die Vervielfältigung dieser Seite ist für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Für inhaltliche Veränderungen durch Dritte übernimmt der Verlag keine Verantwortung. 82 Natur und Technik

3 Magnete und ihre Eigenschaften S SB Unterrichtsziele Die Schülerinnen und Schüler kennen anziehende und abstoßende Wirkungen von Magneten. kennen Stoffe, die von Magneten angezogen werden. können die Magnetpole benennen und die Polregel angeben. beschreiben die Wirkung von Magneten über eine Entfernung hinweg mithilfe von Magnetfeldern. Vorschläge für den Unterricht Alternative Einstiegsmöglichkeiten Bild 1 (S. 96 SB) gibt Anregungen, um über den Einsatz von Magneten im Alltag ins Gespräch zu kommen. Die Schülerinnen und Schüler berichten von ihren Erfahrungen mit Magneten. Dabei kann die Lehrerin oder der Lehrer zu der Frage überleiten, ob die Magnetbuchstaben auch an einer Holzwand haften würden. Die Frage wird mithilfe von Material A untersucht. Die Lehrerin oder der Lehrer führt den Zaubertrick aus dem Material F2 (S. 99 SB) vor und lässt die Schülerinnen und Schüler Vermutungen aufstellen. Hier kann die Frage Was passiert, wenn der Käfer aus Plastik ist? zu Material A überleiten. Zu Stundenbeginn heftet die Lehrerin oder der Lehrer einen leeren Magnetsteckbrief an die Tafel. Dann werden die Schülerinnen und Schüler aufgefordert, ihr Wissen zu Magneten auf einen Spickzettel zu schreiben und mit dem Nachbarn oder der Nachbarin auszutauschen. Anschließend werden die Kenntnisse an der Tafel gesammelt. Die Erstellung eines kompletten Steckbriefs wird als Aufgabe formuliert und dazu die Materialien A D (S. 98 SB) als Stationenarbeit durchlaufen (Stationen mehrfach anbieten). Material E kann als Pufferstation dienen. Materialseiten Die Dauermagnete für alle Versuche können z. B. bei oder bei günstig erworben werden. Material A Die Schülerinnen und Schüler arbeiten möglichst in Partnerarbeit. Zunächst wird die Tabelle in das Heft übertragen. An einem Beispielgegenstand wird gemeinsam besprochen, wie die Untersuchung erfolgt und notiert wird. In einem Materialpool liegen verschiedene Gegenstände bereit. Die Schülerinnen und Schüler haben außerdem die Möglichkeit, auch Gegenstände z. B. aus ihrer Federmappe zu untersuchen. Material B Anstelle von Nähgarn bietet es sich an, den Nagel mit einem Bindfaden zu befestigen, weil das Anknoten mit dem dünnen Faden vielen Schülerinnen und Schülern schwerfällt. Die beschriebene Durchführung führt zu eindeutigen Ergebnissen. Material C Die Rollen können ca. 2 cm lange Stücke eines Rundholzes sein, die man vorher zurechtsägt und bereitstellt. Der Versuch kann aber auch ohne die Rollen ausgeführt werden. Die Schülerinnen und Schüler bewegen dazu die Magnete auf dem Tisch aufeinander zu und spüren dabei die anziehende oder abstoßende Wirkung. Material D Der Aufbau des Stativmaterials sollte vorbereitet werden. Die an einem Bindfaden aufgehängte Büroklammer aus Eisen kann auch ohne Stativaufhängung mit der Hand vor den Magneten gehalten werden. Differenzierung Leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler können Material E und F (S. 99 SB) zusätzlich bearbeiten. Bei Material B können weitere Magnetformen (Bügelmagnet, Scheibenmagnet usw.) untersucht werden. Ergebnissicherung Möglicher Tafelanschrieb: Eigenschaften von Magneten Magnete ziehen Gegenstände an, die Eisen, Nickel oder Cobalt enthalten. Magnete haben einen Nordpol und einen Südpol. Dort ist die magnetische Anziehung sehr groß. Ungleiche Pole zweier Magnete ziehen sich an, gleiche Pole stoßen sich ab. KV 25: Magnete und ihre Eigenschaften Material E In Aufgabe E1 kann ein Verweis auf Material B hilfreich sein. Für Aufgabe E2 sollte der Stativaufbau vorbereitet sein. Material F Das Material dient als Zusatz und kann zur Differenzierung eingesetzt werden. Es greift noch einmal die Eigenschaften von Magneten in neuen Zusammenhängen auf. Die Bilder 6, 7 und 9 (S. 99 SB) sind vor der Bearbeitung in die Hefte zu übertragen. 83 Natur und Technik

4 Magnetismus und Elektromagnetismus Magnete und ihre Eigenschaften S SB Musterlösungen Die Vervielfältigung dieser Seite ist für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Für inhaltliche Veränderungen durch Dritte übernimmt der Verlag keine Verantwortung. Aufgaben S Ein Magnet zieht Materialien an, die Eisen, Nickel oder Cobalt enthalten. 2 Man bringt den Magneten in die Nähe eines Haufens mit kleinen Eisennägeln. Die Nägel springen dann an die Magnetpole. 3 Magnete ziehen sich nur dann gegenseitig an, wenn zwei ungleiche Pole zusammenkommen. Nähert man zwei Magnete mit gleichen Polen, stoßen sie sich ab. 4 Die Büroklammer hinter dem Karton befindet sich im Magnetfeld. Man sieht das daran, dass sie vom Magneten angezogen wird. Das Magnetfeld geht durch den Karton hindurch. Die Büroklammer hinter dem Eisenblech befindet sich nicht im Magnetfeld, weil das Eisenblech das Magnetfeld abschirmt. 5 Jeder Magnet hat auf der einen Seite einen Nordpol und auf der anderen Seite einen Südpol. Damit sich die Magnete in einem Turm verstärken, müssen sich die Nordpole und Südpole immer abwechseln. Die Magnetseiten sind also abwechselnd rot und grün zu kennzeichnen. Damit sich zwei Türme abstoßen, müssen sich an den Enden zwei gleiche Pole gegenüberstehen also zwei rote oder zwei grüne Seiten. Damit sich zwei Türme anziehen, müssen sich an den Enden zwei verschiedene Pole gegenüberstehen also eine rote und eine grüne Seite. Material A S a Unterschiedliche Lösungen b Unterschiedliche Lösungen c Gegenstände, die vom Magneten angezogen werden, enthalten Eisen oder Nickel. Material B S a Auch wenn man den Nagel so gut wie möglich über die Mitte des Magneten hält, wird er immer zu einer Seite hingezogen. b Der Stabmagnet hat zwei Pole. Sie liegen an den Enden des Magneten. Material C S a Wenn sich zwei gleiche Pole der Magnete gegenüberliegen, stoßen sie sich ab und bewegen sich auseinander. Wenn sich zwei ungleiche Pole der Magnete gegenüberliegen, ziehen sie sich an. Sie bewegen sich aufeinander zu, bis sie einander berühren. b Gleiche Pole stoßen sich ab, ungleiche Pole ziehen sich an. Material D S Die Büroklammer hängt schräg, weil sie vom Magneten angezogen wird. Wenn man Platten aus Karton, Holz, Glas, Aluminium und Kupfer zwischen den Magneten und die Büroklammer hält, ändert sich an der Anziehung nichts. Das Magnetfeld wird durch diese Materialien nicht abgeschirmt. Wenn man dagegen das Eisenblech zwischen Magnet und Büroklammer hält, wird die Klammer nicht mehr angezogen. Eisen schirmt das Magnetfeld ab. Material E S a Man hängt einen Nagel an einen Faden und bringt ihn aus verschiedenen Richtungen in die Nähe des Scheibenmagneten. Dann wird der Nagel zu den Polen hingezogen. b Die Scheibenmagnete müssen immer so aufeinandergelegt werden, dass ein Nordpol auf einem Südpol liegt. Falls die Seiten farblich markiert sind, muss also immer eine rote auf einer grünen Seite liegen. 2 a Wenn man den zweiten Magneten so nähert, dass sich zwei gleiche Pole gegenüberstehen, wird das Magnetfeld geschwächt und Münzen fallen ab. Wenn man einen ungleichen Pol nähert, wird das Magnetfeld verstärkt die Münzen bleiben hängen. b Wenn zwei Magnete mit ungleichen Polen nebeneinanderliegen, sodass sie sich anziehen, haben sie zusammen ein stärkeres Magnetfeld als ein Magnet alleine. Material F S Bild 6 oben: Die Stabmagnete ziehen sich an, ungleiche Pole stehen sich gegenüber. Der rechte Magnet muss links grün und rechts rot gefärbt werden. Bild 6 unten: Die Stabmagnete stoßen sich ab, gleiche Pole stehen sich gegenüber. Der rechte Magnet muss links rot und rechts grün gefärbt werden. Bild 7: Die Scheibenmagnete schweben, sie stoßen sich gegenseitig ab. Es stehen sich immer gleiche Pole gegenüber. Von unten nach oben: grün, rot, grün, rot, grün, rot 2 Der Käfer enthält Eisen und wird von einem Magneten hinter der Pappe angezogen. Wenn der Magnet bewegt wird, bewegt sich auch der Käfer. 3 a Man kann die Teile des Fahrrads mit einem Magneten abtasten. Anziehung beobachtet man bei Teilen, die Eisen (Stahl) enthalten. b Die Ergebnisse sind abhängig vom untersuchten Fahrrad. 84 Natur und Technik

5 Magnete ganz elementar S. 100/101 SB Unterrichtsziele Die Schülerinnen und Schüler können Gegenstände aus Eisen magnetisieren. kennen das Modell der Elementarmagnete. erklären Magnetisierung und Entmagnetisierung mit dem Modell der Elementarmagnete. Vorschläge für den Unterricht Alternative Einstiegsmöglichkeiten Die Lehrerin oder der Lehrer führt einen Eisennagel vor, der eine Büroklammer anzieht. Die Schülerinnen und Schüler stellen Vermutungen an, was die Besonderheit des Nagels ist, und vermuten, dass er magnetisch sei. Dann wird der Nagel geteilt und vorgeführt, dass beide Stücke wieder magnetisch sind (vgl. Bild 2, S. 100 SB). Zum Schluss entmagnetisiert die Lehrerin oder der Lehrer den Nagel (vgl. Bild 3, S. 100 SB) und führt vor, dass er die Büroklammer nun nicht mehr anzieht. Anschließend lesen die Schülerinnen und Schüler den Basistext in Einzelarbeit und tauschen sich in einem Lerntempoduett zu zweit aus. Anstelle des demonstrierenden Einstiegs können die Schülerinnen und Schüler Material A bearbeiten, dann den Basistext (S. 100 SB) lesen und so eine Erklärung für die beobachteten Phänomene finden. Differenzierung Leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler können Material B bearbeiten. Außerdem können sie Situationen schriftlich festhalten, in denen Magnetisierungen stattgefunden haben. Ergebnissicherung Möglicher Tafelanschrieb: Magnetisierung und Elementarmagnete Gegenstände aus Eisen können magnetisiert werden. Man kann Magnete teilen. Dabei entstehen wieder zwei Magnete mit Nord- und Südpol. Kräftige Schläge schwächen einen Magneten. Wir stellen uns vor, dass Magnete aus vielen Elementarmagneten ( Minimagneten ) bestehen: geordnete Elementarmagnete magnetische Wirkung ungeordnete Elementarmagnete keine magnetische Wirkung KV 26: Magnete ganz elementar Materialseite Für die Vorführungen mit einem Eisennagel (vgl. Bilder 1 3, S. 100 SB) sollte ein Weicheisennagel verwendet werden. Material A Der Eisendraht sollte nicht zu dick sein, damit das Zerschneiden gut gelingt. Das Bestreichen mit dem Dauermagneten sollte einmal vorgeführt werden. Schülerinnen und Schüler neigen schnell dazu, mit dem Magneten auf dem Draht hin- und herzureiben, ohne den Magneten abzusetzen. Eine übertriebene Vorführung der Bewegung in einer Richtung hilft. Auch kann eine feste Anzahl vorgegeben werden: Bestreicht den Draht 40-mal in gleicher Richtung mit dem Stabmagneten. Zur Aufgabe A2 sollte ggf. darauf hingewiesen werden, dass der Magnetdraht beim Zerschneiden geschwächt werden kann und dann nicht mehr so viele Büroklammern anzieht wie vorher. Material B Zur schriftlichen Begründung kann das Bild 4 (S. 100 SB) ins Heft übertragen und die geteilte Situation darunter gezeichnet werden. Material C Spiele im Physikunterricht können abstraktes Wissen durch körperliche Erfahrungen konkreter und anschaulicher machen. Siehe dazu auch: Spiele(n) im Physikunterricht. In: Unterricht Physik Nr. 149/2015. Die Klasse benötigt für das Spiel große Bewegungsräume. Daher bietet es sich an, zuerst den Ablauf zu besprechen und dann das Spiel auf dem Flur oder dem Schulhof durchzuführen. Wichtig ist es, die Schülerinnen und Schüler jeweils in die Rolle eines einzelnen Elementarmagneten zu versetzen dies kann ritualisiert beim Beschriften der Handflächen erfolgen. Der Ablauf des Spiels erfolgt dann nach den vorgegebenen Schritten 1a d. Anschließend kann die Spielerfahrung mit den Bildern 4 und 5 (S. 100 SB) verglichen werden. 85 Natur und Technik

6 Magnetismus und Elektromagnetismus Magnete ganz elementar S. 100/101 SB Musterlösungen Aufgaben S Wir stellen uns vor, dass der Eisennagel aus vielen kleinen Elementarmagneten besteht. Wenn sie im Innern des Nagels ungeordnet sind, ist der Nagel unmagnetisch. Wenn sie alle in einer Richtung angeordnet sind, ist der Nagel magnetisch. 2 Bei einem magnetischen Nagel sind die Elementarmagnete in einer Richtung angeordnet. Wenn der Nagel an einer Stelle geteilt wird, wird er zwischen den geordneten Minimagneten aufgetrennt. Es entstehen zwei Magnete, die jeweils wieder einen Nordpol und einen Südpol haben. Dies kann man zum Beispiel an Bild 4 auf Seite 100 im Schülerbuch sehen: Wenn man den Magneten senkrecht in der Mitte teilt, erhält man wieder jeweils einen Nordpol und einen Südpol an den Enden der beiden Hälften. Material B S a An den Schnittflächen entstehen wieder ein Nordund ein Südpol: Der Nordpol des ursprünglichen Magneten bleibt, wo er war. Am anderen Ende des Teilstücks liegt jetzt ein Südpol. Der Südpol des ursprünglichen Magneten bleibt, wo er war. Am anderen Ende des Teilstücks liegt jetzt ein Nordpol. Bild 6C ist also richtig. b Bei einer magnetisierten Stricknadel sind die Elementarmagnete in einer Richtung angeordnet. Wenn die Stricknadel in der Mitte geteilt wird, trennt man sie zwischen den Minimagneten auf. Jedes der beiden Teilstücke hat wieder einen Nord- und einen Südpol. Die beiden Magnetpole liegen an gegenüberliegenden Enden. Die Vervielfältigung dieser Seite ist für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Für inhaltliche Veränderungen durch Dritte übernimmt der Verlag keine Verantwortung. Material A S Wenn man den Kompass gerade auf den Tisch legt, richtet sich die Kompassnadel nach Norden aus. Man kann dann feststellen, welche Spitze der Nadel ihr magnetischer Nordpol ist. Oft ist die dunkel gefärbte Spitze der Kompassnadel ein magnetischer Nordpol. Er wird vom magnetischen Südpol des magnetisierten Drahts angezogen. Die andere Spitze der Kompassnadel ist ein magnetischer Südpol und wird vom Nordpol des Drahts angezogen. 2 An den Schnittflächen entstehen wieder ein Nordund ein Südpol. Dies überprüft man mit der Kompassnadel. Die Magnetisierung kann allerdings etwas schwächer sein als zuvor. 3 Je nach Magnetisierung bleiben an dem Nagel 1 3 Büroklammern haften. Nachdem man mit einem Hammer auf den Draht geschlagen hat, ist die magnetische Wirkung fast verschwunden. Material C S a Wenn wir als Minimagnete kreuz und quer ungeordnet in der Klasse stehen, stellen wir keinen Magneten dar. b Wenn wir uns so aufstellen, dass alle Hände mit dem S in eine Richtung zeigen, stellen wir einen Magneten dar. Am einen Rand unserer Aufstellung zeigen die Hände mit dem S nach außen. Am anderen Rand zeigen die Hände mit dem N nach außen. Diese Ränder stellen den Südpol und den Nordpol des Magneten dar. c Wenn wir die geordnete Klasse senkrecht zur gemeinsamen Richtung in zwei gleich große Gruppen teilen, stellen wir zwei Magnete dar. Jeder von ihnen hat einen Nord- und Südpol. Das kann man wieder daran sehen, dass jeweils am einen Rand Hände mit einem N und am anderen Rand Hände mit einem S nach außen zeigen. d Wenn sich ein Teil der Klasse wieder kreuz und quer aufstellt und ein anderer Teil geordnet, stellen wir einen geschwächten Magneten dar. 86 Natur und Technik

7 Elektromagnete S. 102/103 SB Unterrichtsziele Die Schülerinnen und Schüler kennen den Aufbau eines Elektromagneten. Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Dauerund Elektromagneten. die magnetische Wirkung eines Drahts, durch den elektrischer Strom fließt. Vorschläge für den Unterricht Alternative Einstiegsmöglichkeiten Die Lehrerin oder der Lehrer führt einen Elektromagneten vor: Eine Spule mit Eisenkern wird an ein Netzgerät angeschlossen. Man beobachtet, dass Nägel oder Büroklammern immer dann angezogen werden, wenn das Netzgerät eingeschaltet ist. Beim Abschalten fallen sie wieder ab. Nach der Vorführung wird Bild 1 (S. 102 SB) beschrieben und mit der Lerngruppe besprochen, wie das Verladen der Container abläuft. Das Lesen des Basistexts Elektromagnet (S. 102 SB) vertieft den Einstieg und leitet zum Material A über. Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten zunächst Material A und vertiefen die experimentellen Erfahrungen, indem sie den Basistext Elektromagnet (S. 102 SB) lesen. Anschließend werden die Kenntnisse zum Aufbau und zur Wirkung von Elektromagneten mit einem Partner ausgetauscht, der nicht in der Experimentiergruppe war. Differenzierung Leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler bearbeiten Material B und den Basistext ab Zeile 25. Außerdem kann man ihnen einen Text zu Hans Christian Oersted zur Bearbeitung geben. Als weitere Differenzierung kann ein Steckbrief (Plakat) zum Elektromagneten angeregt werden. Vertiefend und als zeitlicher Puffer kann Material C bearbeitet werden. Materialseite Material A Die Durchführung erfolgt nach den angegebenen Schritten. Es sollte deutlich darauf hingewiesen werden, dass die Drahtenden nur kurz an die Batterie angeschlossen werden. Gegebenenfalls müssen Hilfestellungen beim Wickeln und Abisolieren gegeben werden. Anstelle der Kompassnadel kann auch ein kompletter Kompass zum Nachweis der Pole genutzt werden. Kupferlackdraht kann man z. B. bei oder günstig beziehen. Material B Wichtig ist es, eine Glühlampe mit hoher Nennstromstärke zu nutzen. Ersatzweise kann eine Autoscheinwerferlampe (Halogen) eingesetzt werden. Meist ist bei einer defekten Autolampe die Wendel für das Fernlicht noch intakt. Es ist darauf zu achten, dass im ausgeschalteten Zustand Kabel und Kompassnadel genau zur Deckung kommen. Beim Einschalten fließt für einen kurzen Augenblick ein sehr hoher Strom, der die Kompassnadel ruckartig weit ausschlagen lässt. Sie stellt sich danach in eine Position ein, die je nach Stromstärke und -richtung deutlich links oder rechts vom Kabel ist. Material C Im Heft ist eine Tabelle anzulegen. Einige Eigenschaften gelten für beide Magnetarten. Ergebnissicherung Möglicher Tafelanschrieb: Elektromagnete Elektromagnete bestehen aus einer Spule mit Eisenkern. Sie zeigen ihre Wirkung nur, wenn elektrischer Strom durch die Spule fließt. Elektromagnete können ein- und ausgeschaltet werden. Sie können ihre Pole wechseln. KV 27: Elektromagnete 87 Natur und Technik

8 Magnetismus und Elektromagnetismus Elektromagnete S. 102/103 SB Musterlösungen Aufgaben S Ein Elektromagnet besteht aus einer Drahtspule und einem Eisenkern. 2 Der Eisenkern verstärkt die magnetische Wirkung der Spule. 3 Auch ohne Eisenkern ist die Spule magnetisch, wenn der Strom eingeschaltet ist. Die magnetische Wirkung ist dann nur schwächer. Der Eisenkern ist ohne Spule und Strom nicht magnetisch. Material B S a Beim Einschalten des Netzgeräts bewegt sich die Kompassnadel kurz heftig in eine Richtung. Danach stellt sie sich auf eine Position links oder rechts von der Kompassnadel ein. b Wenn man die Anschlüsse vertauscht, bewegt sich die Kompassnadel in die andere Richtung. Material C S Vergleich: Material A S a Der Elektromagnet wird über Nägel oder Büroklammern aus Eisen gehalten. Wenn er an die Batterie angeschlossen wird, sollte er die Teile aus Eisen anziehen. b Jeder Magnet hat zwei Pole. Man kann ihre Lage mit einem Kompass oder mit einem Eisennagel an einem Faden herausfinden. Kompassnadel oder Eisennagel werden von den Polen angezogen. c Wenn man die Drahtenden an der Batterie vertauscht, wird der Nordpol des Elektromagneten zum Südpol und der ehemalige Südpol zum Nordpol. Dauermagnet Elektromagnet Der Magnet und Gegenstände aus Eisen ziehen sich an. Der Magnet hat einen Nordpol und einen Südpol. Der Magnet hat ein Magnetfeld. Der Magnet besteht aus einem Teil. Der Magnet lässt sich nicht ausschalten. Die Pole des Magneten lassen sich nicht vertauschen. Der Magnet besteht aus zwei Bauteilen. Der Magnet lässt sich ausschalten. Die Pole des Magneten lassen sich vertauschen. Die Vervielfältigung dieser Seite ist für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Für inhaltliche Veränderungen durch Dritte übernimmt der Verlag keine Verantwortung. 88 Natur und Technik

9 Magnetfelder sichtbar machen S. 104/105 SB Unterrichtsziele Die Schülerinnen und Schüler kennen Feldlinien als gedachte Wirkungslinien in einem Magnetfeld. kennen Feldlinienbilder verschiedener Magnete. können Magnetfelder sichtbar machen. Vorschläge für den Unterricht Alternative Einstiegsmöglichkeiten Die Lehrerin oder der Lehrer führt den Versuch von Material C (S. 105 SB) mit dem Tageslichtprojektor vor und kommt mit der Lerngruppe über die Deutung des Bilds zu den Begriffen Magnetfeld und Feldlinien. Dann wird der Basistext von den Schülerinnen und Schülern in Einzelarbeit gelesen und im Partnercheck das Verständnis überprüft. Die Lehrerin oder der Lehrer führt den Versuch von Material A2 (S. 105 SB) vor, fixiert das Feldlinienbild mit Lackspray oder projiziert es mit einer Dokumentenkamera auf die Wand. Dann wird das Bild mit der Lerngruppe gedeutet und zu den Begriffen Magnetfeld und Feldlinien geführt. Anschließend wird der Basistext von den Schülerinnen und Schülern in Einzelarbeit gelesen und im Partnercheck das Verständnis überprüft. Differenzierung Leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler können Material B (S. 105 SB) zusätzlich bearbeiten. Materialseite Feldlinienbilder können gut mit Eisenpulverboxen sichtbar gemacht werden. Eine günstige Bezugsquelle ist z. B.: Material A Die Durchführung erfolgt nach den Schritten im Schülerbuch. Es sollte deutlich darauf hingewiesen werden, dass die Eisenspäne ausschließlich auf das Papier zu streuen sind und nach dem Versuch vorsichtig in den Salzstreuer zurückgeschüttet werden müssen. Der Versuch kann auch mit einem Elektromagneten unter dem Papier durchgeführt werden. Die Spule liegt dazu wie in Bild 5 (S. 104 SB) unter der Pappe und wird seitlich an ein Netzgerät (6 V) angeschlossen. Man kann die Feldlinienbilder mit Lackspray fixieren und so eine Sammlung von verschiedenen typischen Feldlinienbildern anlegen. Material B Wichtig ist es, die angeschlossene Spule während des Versuchs nicht zu verschieben, sie muss auf der eingezeichneten Stelle bleiben. Die Pfeile sind genau an den Stellen auf das Papier zu zeichnen, an denen die Kompassnadel stand. Dieses Vorgehen ist kleinschrittig mit den Schülerinnen und Schülern vor der Durchführung zu besprechen und während des Versuchs zu überprüfen. Auf die gleiche Weise kann man das Magnetfeld eines Dauermagneten abtasten, um die Ähnlichkeit der Feldlinienbilder darzustellen. Ergebnissicherung Möglicher Tafelanschrieb: Feldlinien Mit Feldlinien stellen wir Form und Stärke eines Magnetfelds dar. Eine Kompassnadel zeigt die Richtung an: Feldlinien verlaufen vom Nordpol zum Südpol des Magneten. Jede Magnetform hat ein typisches Feldlinienbild. Das Feldlinienbild einer Spule mit Eisenkern ähnelt dem Feldlinienbild eines Stabmagneten. Material C Dieses Modell zeigt die Richtung der Feldlinien übersichtlich an, aber nicht ihre Dichte bzw. die Stärke des Magnetfelds, weil die Kompassnadeln einen festen, gleichen Abstand zueinander haben. Feldlinienbild eines Stabmagneten Rainer Götze, Berlin KV 28: Magnetfelder sichtbar machen 89 Natur und Technik

10 Magnetismus und Elektromagnetismus Magnetfelder sichtbar machen S. 104/105 SB Musterlösungen Aufgaben S Erste Möglichkeit: Man legt einen Magneten unter ein Blatt Papier und streut Eisenpulver auf das Papier. Die Eisenspäne richten sich dann entlang der Feldlinien aus. Zweite Möglichkeit: Man legt den Magneten auf ein Blatt Papier und bringt eine Kompassnadel an verschiedene Stellen des Magnetfelds. Dort zeichnet man jeweils auf das Papier, wie sich die Kompassnadel ausrichtet (ähnlich wie in den Bildern 4 und 5 im Schülerbuch). Die Nordrichtung der Kompassnadel gibt die Richtung der Feldlinie an. 2 Die Richtung der Feldlinien kann man mit einer Kompassnadel bestimmen: Siehe zweite Möglichkeit bei Aufgabe 1. Material A S Die Eisenspäne ordnen sich im Magnetfeld entlang der Feldlinien an. An den Polen des Magneten liegen besonders viele Späne zusammen. Die Feldlinien verlaufen ähnlich wie in Bild 4 (S. 104 SB). 2 Der Versuch wird genauso aufgebaut wie zuvor. Die Feldlinien verlaufen ähnlich wie in Bild 3 (S. 104 SB). Material B S a Es ergibt sich ein Bild ähnlich wie in Bild 5 (S. 104 SB). b An diesen Stellen ist die magnetische Anziehung der Spule besonders stark (Pole). Die Kompassnadel zeigt in das Spuleninnere hinein oder aus ihm heraus. Material C S a Die Kompassnadeln werden im Magnetfeld ausgerichtet, sie machen das Magnetfeld sichtbar. Die ausgerichteten Kompassnadeln formen Linien, die ungefähr den Feldlinien entsprechen. b Das Feldlinienbild sieht so ähnlich aus wie in Bild 3 (S. 104 SB). Die Feldlinien verlaufen außerhalb der Enden des Magneten vom Nordpol zum Südpol in immer weiteren Bögen. Im leeren Innenraum verlaufen sie gerade und nebeneinander von der roten zur grünen Seite des Magneten. c Die Feldlinien gehen vom Nordpol des Magneten zum Südpol. Die Vervielfältigung dieser Seite ist für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Für inhaltliche Veränderungen durch Dritte übernimmt der Verlag keine Verantwortung. 90 Natur und Technik

11 Orientieren mit dem Kompass S SB Unterrichtsziele Die Schülerinnen und Schüler kennen das Magnetfeld der Erde. das Feldlinienbild des Erdmagnetfelds. den Aufbau, die Funktion und die Handhabung eines Kompasses. Vorschläge für den Unterricht Alternative Einstiegsmöglichkeiten Die Lehrerin oder der Lehrer erzählt eine Geschichte, in der ein Kompass wichtig war: Verlaufen während einer Wanderung, Aufstellen einer Wetterfahne oder einer Sonnenuhr (Genom zeigt nach Norden), Orientierungslauf im Wald Daraus wird die Fragestellung entwickelt: Warum zeigt der Kompass eigentlich immer nach Norden? Eine Problemfrage wird in die Klasse gegeben: Wie können wir die Himmelsrichtungen hier im Klassenraum (oder in eurem Zimmer zu Hause) bestimmen? In einer Think-Pair-Share-Phase machen die Schülerinnen und Schüler Vorschläge. Beim Stichwort Kompass wird das genaue Vorgehen besprochen: Eine Kompassnadel bzw. die gekennzeichnete Spitze zeigt nach Norden, daraus lassen sich die anderen Himmelsrichtungen bestimmen. Damit wird der Aufbau der Windrose erarbeitet. Differenzierung Leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler können die Seiten Erweitern und Vertiefen (S. 108 f. SB) bearbeiten und Kurzvorträge zu den Themen vorbereiten. Ergebnissicherung Möglicher Tafelanschrieb: Wie funktioniert ein Kompass? Die Erde ist wie ein riesiger Magnet mit einem Nordpol und einem Südpol. Sie hat ein Magnetfeld. Eine Kompassnadel wird im Erdmagnetfeld ausgerichtet. Sie zeigt immer nach Norden. Material- und Sonderseiten Feldlinienbilder können gut mit Eisenpulverboxen sichtbar gemacht werden. Eine günstige Bezugsquelle ist z. B.: Material A Es bietet sich an, im Vorfeld eine Sammlung von Flaschendeckeln aus Kunststoff anzulegen. Man kann auch die Schülerinnen und Schüler auffordern, solche Deckel mitzubringen. Der Kompassbau lässt sich vereinfachen und verkürzen, wenn die Windrose mehrfach auf Karton ausgedruckt oder kopiert vorliegt, damit die Schülerinnen und Schüler sie nur ausschneiden müssen. Bei der Besprechung der Schrittfolge kann am Punkt 4 thematisiert werden, warum man mit dem Südpol über die Nadel streichen soll. Ein Rückbezug auf das Elementarmagnetemodell kann hilfreich sein. Vor dem Test des Selbstbaukompasses in der wassergefüllten Untertasse sollte eine Trockenpause eingeplant werden. Erweitern und Vertiefen Neben der Differenzierung können die Texte auch für eine Aktivität im Klassenverband eingesetzt werden. In der A-B-Methode erschließen sich die Schülerinnen und Schüler die Textinhalte arbeitsteilig: Die A-Gruppe erarbeitet in Einzelarbeit den Text auf S. 108 SB, die B- Gruppe den Text auf S. 109 SB. Dabei machen sich die Schülerinnen und Schüler Notizen. In der zweiten Phase erfolgt ein Austausch. In Partnerarbeit unterrichten Teilnehmer aus der A-Gruppe solche aus der B-Gruppe und umgekehrt. Den Abschluss bietet jeweils ein Kurzvortrag zum fremden Thema (Schülerinnen und Schüler der A- Gruppe referieren zum Thema B und umgekehrt). Die Erde und ihr Magnetfeld Rainer Götze, Berlin KV 29: Orientieren mit dem Kompass 91 Natur und Technik

12 Magnetismus und Elektromagnetismus Orientieren mit dem Kompass S SB Musterlösungen Aufgaben S Der magnetische Nordpol liegt im Süden der Erde. 2 Die Kompassnadel ist ein Magnet. Die markierte Seite zeigt den magnetischen Nordpol der Nadel an. Die Kompassnadel wird im Magnetfeld der Erde ausgerichtet. Der magnetische Nordpol der Kompassnadel richtet sich zum magnetischen Südpol der Erde aus. Dieser liegt im Norden der Erde. Material A S a Wenn der Kompass zum Stillstand kommt, sollte die Spitze der Stecknadel nach Norden zeigen. b Die Sonne geht im Osten auf, im Westen geht sie unter. Wenn sich die Kompassnadel ausgerichtet hat, zeigt sie nach Norden. Die anderen Himmelsrichtungen liest man auf der Windrose ab. Aufgaben S Der erste richtige Kompass wurde vermutlich vor über 1000 Jahren in China erfunden. 2 Die Nadel muss magnetisch sein und so gelagert werden, dass sie sich waagerecht (parallel zur Erdoberfläche) drehen kann. Man magnetisiert beispielsweise eine Nadel mit einem Magneten und legt sie dann über zwei Strohhalme auf Wasser. Sie wird dann in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet. 3 Die Matrosen nahmen an, dass der Polarstern die Kompassnadel anzieht. In Wirklichkeit wird die Nadel im Magnetfeld der Erde ausgerichtet. 4 Eine Kompass-App auf dem Handy zeigt eine virtuelle Kompassnadel. Sie ändert ihre Richtung im Magnetfeld wie eine echte Kompassnadel. Man kann damit also das Feld eines Magneten untersuchen. Material B S a Die Feldlinien des Erdmagnetfelds treffen in Westeuropa unter einem Winkel von rund 65 auf den Boden. Die Kompassnadel wird entlang der Feldlinien ausgerichtet. Sie zeigt also diesen Winkel an. Aufgaben S Tiere mit Magnetsinn: Tauben und Zugvögel, Meeresschildkröten, Aale, Forellen, Hunde 2 Man hat bei Brieftauben magnetische Kristalle im Schnabel und in der Nase gefunden und vermutet, dass sie den Tauben bei der Orientierung im Magnetfeld helfen. Man weiß aber noch nicht genau, wie Tauben das Magnetfeld der Erde wahrnehmen. Die Vervielfältigung dieser Seite ist für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Für inhaltliche Veränderungen durch Dritte übernimmt der Verlag keine Verantwortung. 92 Natur und Technik

13 Elektromagnete sorgen für Bewegung S SB Unterrichtsziele Die Schülerinnen und Schüler kennen den Aufbau eines Elektromotors. kennen die Funktion von Rotor und Stator. können den Bewegungsablauf des Elektromotors mit anziehenden und abstoßenden magnetischen Wirkungen erklären. Vorschläge für den Unterricht Alternative Einstiegsmöglichkeiten Die Lehrerin oder der Lehrer zeigt die Bewegung eines drehbar gelagerten Dauermagneten durch anziehende und abstoßende magnetische Wirkungen (vgl. Material A1, S. 112 SB). Der Magnet kann aber auch durch einen weiteren Dauermagneten gedreht werden, der rhythmisch vorbeigeführt wird. Die Schülerinnen und Schüler vermuten schnell, wie die Drehbewegung zustande kommt. Ein demontierter Elektromotor wird gezeigt. Die Teile werden benannt: Rotor, Stator, Elektromagnet und Dauermagnet. Dieser Einstieg kann auch mit Bild 2 (S. 110 SB) erfolgen. Das Zusammenwirken der beiden Magnete wird durch die Erarbeitung des Basistexts (S. 110 SB) und der Abfolge in Bild 3 (S. 111 SB) verständlich. Differenzierung Leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler können die Seite Erweitern und Vertiefen (S. 113 SB) erarbeiten und einen Kurzvortrag dazu halten. Außerdem kann Material B durch eine Recherche zum Thema Elektroautos erweitert werden. Material- und Sonderseiten Material A Bei der Durchführung von A1 finden die Schülerinnen und Schüler zunächst meist zufällig einen günstigen Tastrhythmus. Man kann die Aufgabe um die Frage erweitern, welchen Magnetpol die Spule in Richtung Dauermagnet hat und wann der Strom in der Spule unterbrochen werden muss. Vor der Durchführung von A2 ist darauf zu achten, dass die Lagerbuchse des Dauermagneten nicht oxidiert ist. Gegebenenfalls müssen die Fläche und auch die Innenseite der Buchse leicht abgeschmirgelt werden. Der Klebestreifen darf die Buchse nur zur Hälfte abdecken. Nach Einschalten des Netzteils und leichtem Aufsetzen des Bananensteckers auf den freien Teil der Lagerbuchse wird der Dauermagnet mit der Hand leicht in Bewegung gesetzt. Es entsteht schnell eine eigenständige Drehbewegung mit relativ hoher Drehzahl. Zusätzlich zum Material A können die Schülerinnen und Schüler einen Motor selbst bauen. Bausätze kann man z. B. bei (Stichwort Elektromotor ) günstig beziehen. Material B Die Aufgabe kann durch Recherchen und Präsentationen zum Thema Elektroauto ergänzt werden. Erweitern und Vertiefen Neben der Differenzierung kann der Text auch für eine Aktivität im Klassenverband eingesetzt werden: Text in Einzelarbeit erarbeiten Partnercheck gemeinsame Notizen für einen Kurzvortrag Kurzvortrag. Ergebnissicherung Möglicher Tafelanschrieb: Elektromotoren Elektromotoren befinden sich in vielen Geräten. Sie enthalten zwei Magnete: Ein Magnet dreht sich. Rotor Ein Magnet steht fest. Stator Der eine Magnet dreht sich, weil seine Pole von den Polen des anderen Magneten immer wieder gerade richtig angezogen oder abgestoßen werden. Der drehende Magnet treibt das Elektrogerät an. KV 30: Elektromagnete sorgen für Bewegung 93 Natur und Technik

14 Magnetismus und Elektromagnetismus Elektromagnete sorgen für Bewegung S SB Musterlösungen Aufgaben S Geräte mit Elektromotoren: Mixer, Modellauto, Haartrockner, Mikrowelle, Bohrmaschine, Schleifmaschine, Waschmaschine, Wäschetrockner, Lüfter, Elektroauto, E-Bike Material B S Vorteile von Elektroautos: leise, keine Abgase im Verkehr, weniger Bauteile Nachteile: kleinere Reichweite, hoher Preis, elektrische Energie für Akkus aus Kohlekraftwerken Die Vervielfältigung dieser Seite ist für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Für inhaltliche Veränderungen durch Dritte übernimmt der Verlag keine Verantwortung. 2 Bauteile eines einfachen Elektromotors: drehbarer Magnet (Rotor), fester Magnet (Stator), Halbringe aus Metall, Schleifkontakte 3 Wenn sich die ungleichen Pole von Stator und Rotor gegenüberstehen, ziehen sie sich an und der Motor würde stehen bleiben. Daher wird der Elektromagnet in diesem Moment ausgeschaltet und umgepolt. Nun wird der Rotor wieder abgestoßen und dreht sich weiter. Ohne den Wechsel der Pole würde der Elektromotor nach spätestens einer halben Umdrehung stehen bleiben. Material A S a Man muss zum richtigen Zeitpunkt den Stromkreis mit dem Taster schließen oder öffnen: Wenn der Stabmagnet mit dem Südpol schräg vor der Spule steht, muss der Elektromagnet (die Spule) eingeschaltet werden. Dann entsteht vorn am Eisenkern zum Beispiel ein magnetischer Nordpol, der den Südpol des Stabmagneten anzieht. Dadurch wird der Stabmagnet gedreht. Sobald sich sein Südpol vor dem Eisenkern befindet, muss der Elektromagnet ausgeschaltet werden. Der Stabmagnet bewegt sich durch den Schwung weiter. Wenn sich sein Südpol wieder der Spule nähert, schaltet man den Elektromagneten erneut ein und der Südpol wird wieder angezogen. Durch regelmäßiges An- und Ausschalten dreht sich also der Dauermagnet. b Gleiche Magnetpole stoßen sich ab, ungleiche Magnetpole ziehen sich an. Wenn der Elektromagnet so gepolt ist, dass der Eisenkern vorn einen Nordpol hat, muss der Strom immer dann eingeschaltet werden, wenn sich der Südpol des Stabmagneten nähert. Damit sich der Stabmagnet weiterdreht, muss der Strom ausgeschaltet sein, wenn sich der Südpol vom Eisenkern entfernt. 2 a Wenn man die eine Hälfte der Lagerbuchse wie im Bild abklebt, kann nur dann ein Strom über die Drehachse und den Kontakt auf der Lagerbuchse fließen, solange der Magnet mit der roten Seite also dem Nordpol zur Spule steht. b Der Strom für den Elektromagneten wird bei jeder halben Drehung des Dauermagneten unterbrochen. Damit wird verhindert, dass die Drehung durch die anziehende Wirkung von ungleichen Polen gestoppt wird. 2 Elektroautos erzeugen im Verkehr kaum Schadstoffe. Abgase entstehen aber vorher, wenn die elektrische Energie zum Fahren in Kohle- oder Gaskraftwerken erzeugt wird. Die Abgasbelastung wäre ganz gering, wenn die elektrische Energie in Wind-, Wasser- oder Solarkraftwerken erzeugt würde. Aufgaben S Die drei Hauptbestandteile des Lautsprechers sind: Dauermagnet, Spule und Membran. 2 Wenn man die Spule an die Stereoanlage anschließt, wird sie zum Elektromagneten. Er wird im Takt der Musik ständig umgepolt. Dadurch wird die Spule mal vom Dauermagneten angezogen und mal abgestoßen, sodass sie schnell hin- und herschwingt. Weil die Spule mit der Membran verbunden ist, lässt sie die Membran genauso zittern. Das Zittern der Membran hören wir als Musik oder Sprache. 3 Die Aktivboxen haben einen eingebauten Verstärker. Er verstärkt den schwachen Strom von MP3-Playern oder Handys, sodass die Spule am Dauermagneten kräftig hin- und herschwingt. 94 Natur und Technik