Magnetismus Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule

1. MagnetismusWichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule Schriftliche Hausarbeit von Ralf Hirnich Universität Augsburg Didaktik der Physik

2. „Magnetische Energie ist die elementare Energie, von der das gesamte Leben abhängt.“ Werner Heisenberg, Physik-Nobelpreisträger (www.gesundheitszentrum-schwerin.de)

3. Natürlicher Magnetismus Namensgebung • Hirten der frühen Eisenzeit in Griechenland beobachteten schon ca. 1000 v. Chr., dass bestimmtes Gestein die Eisenspitzen ihrer Hirtenstäbe anzieht. • Da die ersten Meldungen über dieses Phänomen aus einer Gegend namens „Magnesia“ stammten, wurde das Gestein Magnet genannt. Beobachtungen zu Gesteinseigenschaften • Gestein zieht nur Eisen an. Bei andere Metalle wie z.B. Bronze oder Gold ist keine Kraftwirkung feststellbar. • Diese Kraftwirkung ist variabel und nimmt mit dem Abstand ab. • Sie ist stets anziehend. • Weitere Untersuchungen bzw. eine angewandte Nutzung aus dieser Zeit sind nicht bekannt.

4. Erdmagnetismus • In China wird das Phänomen des Magnetismus ebenfalls zu Beginn der Eisenzeit (!) entdeckt. • Schon um 200 v. Chr. wird eine Anwendung beschrieben, die heute „Kompass“ genannt wird. Sie wurde schon damals erfolgreich in der Seefahrt eingesetzt. Historikern zu Folge sind auch die Fahrten der Wikinger ohne Kompass schwer vorstellbar, doch von diesen gibt es keine Literatur. • Handelnde Araber übernahmen dieses Wissen von den Chinesen und brachten es im 12. Jahrhundert nach Europa. • Um 1200 beginnt die Nutzung des Magnetismus durch die Seehandelsrepubliken in Italien. Flavio Gioia aus Amalfi wird als „Erfinder des Kompass“ bezeichnet. Auf ihn geht die Benennung der Magnetpole mit „Nordpol“ und „Südpol“ zurück.

5. Elementarmagnetmodell • Eisen ist aus winzigen magnetischen Bereichen, den sogenannten Elementarmagneten zusammengesetzt. Diese sind uneinheitlich ausgerichtet und haben deshalb nach außen hin keine magnetische Wirkung. • Werden diese Elementarmagneten ausgerichtet zeigen alle Nordpole zur einer Seite, die Südpole zur anderen. Sie wirken nun wie ein großer Magnet. • Wird das Eisen über seine Curie - Temperatur erhitzt oder erfährt eine starke Erschütterung, verlieren die Elementarmagneten ihre Ausrichtung.

6. Eigenschaften von Magneten Als Dauermagneten bezeichnet man bearbeitetes Magnetgestein oder spezielle Metall-Legierungen mit folgenden Eigenschaften: • Jeder Magnet hat stets zwei Pole. • Pole sind die Orte mit maximaler Kraftwirkung (Intensität). • Zwischen Polen herrschen anziehende und abstoßende Wechselwirkungen. • Anziehend wirkende Pole werden als „ungleichnamig“, abstoßende als „gleichnamig“ bezeichnet. • Jede der beiden Polarten zieht Eisen an. • Magnetismus verschwindet bei Hitze. • Magnetische Kraftwirkungen sind auch ohne Direktkontakt möglich.

7. Magnetfeld • Der Raum um einen Magneten, in dem eine magnetische • Wirkung zu beobachten ist, heißt „magnetisches Feld“. • Es wird mit Hilfe von dargestellt. „Feldlinien“ • Längs einer Feldlinie erfährt ein eine Kraft. magnetischer Pol • Ein Probemagnet richtet sich immer der Feldlinien aus. längs • Sein Nordpol wird zum des felderzeugenden • Magneten hingezogen. Südpol

8. Feldlinienbild verschiedener Magnetformen Stabmagnet Flachmagnet Hufeisenmagnet

9. Erdmagnetfeld Noch vor etwas mehr als 500 Jahren glaubte man, dass die Kompassnadel nach Norden zeigt, weil sie vom Polarstern angezogen wird. Heutige Definition: • Die nach Norden weisende Spitze eines Magneten nennen wir Nordpol. • Demnach ist am geographischen Nordpol ein magnetischer Südpol.

10. Ferromagnetismus • Stoffe wie Eisen (ferrum, lat.: Eisen), Kobalt, Nickel u.a. besitzen eine besondere magnetische Eigenschaft, die als Ferromagnetismus bezeichnet wird. • Sie enthalten Elementarmagnete, die erst in einem äußeren Feld geordnet werden. • Dadurch wird der Ferromagnet selbst zum Magneten.

11. Entdeckung des Elektromagnetismus Versuch von Hans-Christian Oersted (1820 ) • Wird der Draht von Strom durchflossen, kommt es zu einem Zeigerausschlag quer zur Stromrichtung. • Der Zeigerausschlag ist abhängig von der Stromrichtung. • Der Zeigerausschlag nimmt mit der Stromstärke zu. bewegte Ladungen erzeugen ein Magnetfeld

12. Magnetfeld einer Spule • Ein Strom, der eine Leiterschleife durchfließt, verursacht ein magnetisches Feld, das sich ringförmig um den Leiter herum aufbaut. • Der elektrische Strom „durchflutet“ sozusagen die in sich geschlossenen Feldlinien. • Diese „Durchflutung“ kann vergrößert werden, indem der gleiche Strom mehrmals durch die Feldlinien geführt wird. • Dazu werden mehrere Leiterschleifen gebildet und diese parallel zu einer Spule angeordnet. • Das entstehende Feldlinienbild gleicht dem eines Stabmagneten. Die Austrittstelle ist der Nordpol, die Eintrittstelle der Südpol.

13. Anwendung: Türklingel • Klingeltaste wird gedrückt • Der Stromkreis wird geschlossen und die Spule damit zum Magneten • Der bewegliche Eisenkern wird in die Spule hineingezogen und schlägt • gegen die linke Metallplatte („Ging“) • Die Klingeltaste wird losgelassen, der Stromkreis somit unterbrochen und • die Spule verliert ihre magnetische Wirkung • Der Eisenkern wird mit Hilfe einer Feder aus der Spule gedrückt und schlägt • gegen die rechte Metallplatte („Gong“)

14. Anwendung: Magnetschwebebahn • Der Transrapid schwebt über die T-förmige Fahrbahn. • Wird der Tragmagnet , ein Elektromagnet eingeschalten, wird der Zug durch die Anziehung zwischen ihm und dem Stator, einem Dauermagnet angehoben. • Kurz vor der Berührung, wird der Strom abgeschalten, um sofort wieder angeschalten zu werden. • Durch dieses, sich rasch wiederholende Wechselspiel schwebt der Zug praktisch auf einer Höhe.

15. Anwendung: Relais • Ein Relais ist ein Schalter, der nicht von Hand, sondern mit Hilfe eines Elektromagneten betätigt wird. • Es besteht aus dem Steuerstromkreis und dem Arbeitsstromkreis. Diese sind voneinander getrennt. • Wird der Schalter im Steuerstromkreis geschlossen, dann zieht der Elektromagnet den Schalter im Arbeitskreis an und der zweite Stromkreis ist ebenfalls geschlossen. • Wird der erste Schalter S1 geöffnet, dann lässt der Magnet den Schalter S2  los, und unterbricht den Arbeitsstromkreis.

16. Warum sind Permanentmagnete magnetisch? Magnetfelder können durch elektrischem Strom erzeugen werden. Wie aber funktionieren Permanentmagnete ohne erkennbaren Stromfluss? Auch ein Permanentmagnet arbeitet mit Strom; allerdings muss dieser nicht von außen zugeführt werden. Ein Permanentmagnet besteht aus vielen sehr kleinen Elementarmagneten, die durch eine Ansammlung von Atomen gebildet werden. Bei jedem Atom umkreist mindestens ein Elektron den Atomkern. Als Beispiel dient uns das Wasserstoffatom , das nur ein einziges Elektron besitzt. Dieses Elektron wirkt genauso wie ein elektrischer Strom und erzeugt durch seine Bewegung ein magnetisches Feld (roter Kreis). Quizfrage: Ist Wasserstoff also ein Permanentmagnet? Betrachte man ein einzelnes Wasserstoffatom lautet die Antwort tatsächlich „Ja“. Da sich die Wasserstoffatome völlig ungeordnet bewegen und sich daher in Summe die Magnetfelder der einzelnen Atome kompensieren, gilt für die Gesamtheit vieler Wasserstoffmoleküle: Nein, Wasserstoff ist kein Permanentmagnet.