Grundlagen zum Magnetismus Der Magnetismus ist eines der grundlegenden Naturphänomene. Man unterscheidet dabei zwei unterschiedliche Erscheinungsformen: den Permanentmagnetismus und den Elektromagnetismus. Die folgende Zusammenfassung enthält die wichtigsten Grundlagen, die du bereits aus Klasse 7 kennen solltest. 1. Permanentmagnetismus 1.1. Zusammensetzung von Permanentmagneten Permanentmagneten sind magnetische Materialien, die über einen langen Zeitraum und ohne weiteres Zutun ihre magnetische Wirkung beibehalten. Ein Permanentmagnet übt bei Raumtemperatur auf Eisen (Fe), Cobalt (Co) und Nickel (Ni) eine Anziehung aus. Diese chemischen Elemente werden als ferromagnetische Metalle bezeichnet. Forscher der University of Minnesota konnten 2018 zeigen, dass das Element Ruthenium (Ru) das vierte Einzelelement ist, das bei Raumtemperatur ferromagnetisch ist. Auch andere Elemente weisen bei niedrigeren Temperaturen ferromagnetische Eigenschaften auf (z.b. Gadolinium (Gd) bei max. 16 C oder Dysprosium (Dy) bei max. 188 C). Aber auch Legierungen (Stoffgemische aus mindestens zwei Elementen, wovon mindestens eines ein Metall ist) aus Eisen, Cobalt und Nickel mit anderen Elementen sind ferromagnetisch. Alltagsrelevant sind meist nicht die ferromagnetischen Einzelelemente, sondern ferromagnetische Legierungen: Permanentmagneten, die an Kühlschränken oder Tafeln haften, sind sogenannte Ferrit- Legierungen (bspw. Strontium-Ferrite oder Barium-Ferrite). Sie sind die weltweit am meisten eingesetzten Permanentmagneten, da sie besonders kostengünstig sind. Außerdem sind die hitzebeständig und rosten schlecht. Permanentmagneten, die in der Schule verwendet werden, bestehen meist aus einer Aluminium-Nickel-Cobalt-Legierung (AlNiCo) und haben relativ geringe Haftkräfte. Sie verlieren ihre magnetische Wirkung sehr leicht. Die stärksten Permanentmagneten sind Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB). 1.2. Magnetfeld und Feldlinien Jeder Magnet hat zwei Pole: den Nordpol und den Südpol. Zu Anschauungszwecken (bspw. in der Schule) wird der Nordpol meist rot markiert, der Südpol grün. Um den Magneten herum besteht ein Magnetfeld. Das Magnetfeld ist der Wirkungsbereich eines Magneten. Man erkennt magnetische Felder z. B. daran, dass Kraftwirkungen auf ferromagnetische Stoffe auftreten. Magnetfelder können auch im Vakuum auftreten. Michael FARADAY (1791-1867) 1
führte die Darstellung des magnetischen Feldes durch Feldlinien ein. Achtung: Diese Feldlinien sind nur Denk- und Anschauungshilfen, mit denen man einige Eigenschaften von magnetischen Feldern gut beschreiben kann. Der Verlauf oder die Richtung der magnetischen Feldlinien eines Magneten wird dadurch bestimmt, auf welcher Bahn sich eine kleine Kompassnadel bewegen würde, wenn man sie im magnetischen Feld loslassen würde. Dieser Verlauf wird also durch den Magneten selbst festgelegt. Die Orientierung der magnetischen Feldlinien dagegen können wir selbst festlegen. Es gilt folgende Abmachung: Die magnetischen Feldlinien laufen im Außenraum eines Stabmagneten von dessen Nord- zum Südpol; sie geben die Kraftrichtung auf einen magnetischen Nordpol an. Im Inneren eines Dauermagneten laufen die Feldlinien dagegen von Südpol zum Nordpol. Mit der vereinbarten Richtungsregel ergibt sich dann das in der Abbildung für das Feld eines Stabmagneten in dessen Außenraum dargestellte Feldlinienbild. Hinweis: Auch im Inneren des Stabmagneten herrscht ein Magnetfeld, das in diesem Zusammenhang aber nicht dargestellt werden soll. Feldlinien sind geschlossen und schneiden sich nicht. Je dichter die Feldlinien, desto größer ist die magnetische Kraft. 1.3. Magnetformen: Man unterscheidet verschiedene Formen von Permanentmagneten: Stabmagnete Hufeisenmagnete Ringmagnete Scheibenmagnete Topfmagnete 1.4. Magnetisierung und Entmagnetisierung von Magneten: Ein eisenhaltiges Metallstück (z. B. eine Büroklammer) lässt sich magnetisieren, wenn man wiederholt mit immer demselben Pol eines Permanentmagneten in die immergleiche Richtung entlang des Eisenstücks streift. Andererseits lässt sich das eisenhaltige Metallstück auch entmagnetisieren, wenn man es über einen längeren Zeitraum stark erhitzt oder öfter erschüttert. 2
1.5. Modell der Elementarmagnete: Zerbricht ein Magnet in zwei Teile, so stellt man fest, dass beide Teilstücke ihrerseits zwei Magnetpole besitzen. Auch bei weiterer Teilung treten die Magnetpole stets paarweise auf. Den kleinsten, bei einer fortgesetzten Teilung entstehenden Magneten nennt man Elementarmagnet. Ein Magnet kann entsprechend als eine Vielzahl kleinster Elementarmagnete aufgefasst werden. Diese Vorstellung wird als Modell der Elementarmagnete bezeichnet. Demnach gilt: Zeigen alle Elementarmagnete eines Magneten geordnet in die gleiche Richtung, so verstärken sie sich in ihrer Wirkung eine starke magnetische Wirkung ist die Folge. Zeigen die Elementarmagnete ungeordnet in unterschiedliche Richtungen, so heben sich ihre magnetischen Wirkungen gegenseitig auf. Da ein Eisenstück aus einer Vielzahl von Atomen besteht und die Elementarmagnete die kleinstmögliche magnetische Einheit sind, kann man sich vorstellen, dass jedes einzelne Atom einen Elementarmagneten darstellt. magnetischer Zustand (magnetisiertes Eisenstück) unmagnetischer Zustand (unmagnetisiertes Eisenstück) 2. Elektromagnetismus 2.1. Ørsted-Versuch: Nachweis des Elektromagnetismus Bis zur Entdeckung von Hans Christian Ørsted (1777-1851) waren der Magnetismus und die Elektrizität zwei scheinbar voneinander völlig unabhängige physikalische Gebiete. Im Jahre 1819 beobachtete Ørsted die Ablenkung einer Kompassnadel, als Strom durch einen Draht floss, der parallel zur Kompassnadel verlief. Ørsteds Entdeckung der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes war der Grundstein zur Beschreibung des Elektromagnetismus. 3
Versuchsprotokoll: Der Ørsted-Versuch Versuchsaufbau und -beschreibung: Versuchsskizze: Ein dicker Kupferdraht wird in die N-S- Richtung aufgestellt und über Kabel mit der Spannungsquelle (Netzgerät) verbunden. Als Verbindungsstück zwischen Kupferdraht und Kabeln werden zwei Isolierstangen verwendet. Unterhalb des Kupferdrahtes wird eine Kompassnadel aufgestellt, die sich - solange kein Strom fließt - ebenfalls in N-S-Richtung einstellt, also parallel zum Kupferdraht orientiert. Versuchsbeobachtung Wird der Stromkreis geschlossen, dreht sich die Kompassnadel aus der N-S- Richtung, dabei ist die Drehrichtung von der Stromrichtung abhängig. Versuchsauswertung: Ein stromdurchflossener Leiter zeigt in seiner Umgebung eine magnetische Wirkung. Die magnetische Kraftwirkung, die von einem geraden Leiter beim Ørstedt-Versuch ausgeht, ist sehr gering. Nur bei hohen Stromstärken wird die Kompassnadel merklich ausgelenkt. Die hierfür erforderliche Kraft ist sehr gering. Wickelt man den Kupferdraht zu einer kleinen Spule, so ist die Kraftwirkung deutlich höher, aber als praktikabler Hubmagnet für ferromagnetische Stoffe ist diese Luftspule noch nicht sonderlich geeignet. Wickelt man allerdings die Spulenwindungen auf einen sogenannten Eisenkern (Eisenblock), so können damit problemlos Büroklammern angehoben werden Begründung: Zunächst liegen die Elementarmagnete im Eisen regellos durcheinander, ihre magnetischen Wirkungen heben sich nach außen auf. Nach dem Einschalten des Spulenstroms richten sich die Elementarmagnete - aufgrund der magnetischen Wirkung der Spule - aus. Nun addieren sich ihre magnetischen Wirkungen und verstärken diejenige der Spule. 2.2. Magnetfeld eines geraden stromdurchflossenen Leiters Øersted hat durch seinen Versuch gezeigt, dass sich um einen stromdurchflossenen elektrischen Leiter ein Magnetfeld bildet. Der Leiter wird zu einem Elektromagneten. Dieses Magnetfeld, das nur existiert, solange der Strom fließt, wirkt senkrecht zum 4
Leiter. Die Feldlinien ordnen sich kreisförmig um den Leiter an, der den Mittelpunkt des Magnetfeldes bildet. 2.3. Linke-Hand-Regel Anhand der Linke-Hand-Regel lässt sich dieser Feldverlauf einfach merken: Zeigt der Daumen in Flussrichtung der Elektronen, deuten die eingeknickten Finger die Verlaufsrichtung der Feldlinien an. Diese Regel wird für die physikalische Stromrichtung verwendet, also wenn Elektronen vom Minus- zum Pluspol fließen. Früher ging man davon aus, der Strom würde vom Plus- zum Minuspol fließen. Für diese sogenannte technische Stromrichtung hat man die Rechte-Hand-Regel verwendet. 5