Magnetismus und Magnetfelder

Lernschritt 1

Nordpol und Südpol unterscheiden

Ein gewöhnlicher Stabmagnet besitzt einen Nordpol N und einen Südpol S. An den Endbereichen ist seine Wirkung auf kleine Eisenstücke häufig besonders deutlich. Die beiden Pole bilden ein Paar: Ein Nordpol ist keine positive elektrische Ladung und ein Südpol keine negative.

Bringst du zwei Nordpole oder zwei Südpole einander gegenüber, stoßen sie sich ab. Ein Nordpol und ein Südpol ziehen sich an. Die Kräfte wirken auf beide Magnete. Dass sich nur einer sichtbar bewegt, kann daran liegen, dass der andere festgehalten wird.

Beispiel: Der bekannte Nordpol eines Magneten stößt ein unbekanntes Ende eines zweiten Stabmagneten ab. Dann ist dieses Ende ebenfalls ein Nordpol. Anziehung allein wäre als Nachweis weniger eindeutig, wenn du noch nicht weißt, ob der zweite Gegenstand überhaupt ein Dauermagnet oder nur ein Eisenstück ist.

Lernschritt 2

Welche Stoffe werden deutlich angezogen?

Eisen, Nickel und Kobalt sowie bestimmte Legierungen können stark auf Magnete reagieren. Man nennt dieses Verhalten ferromagnetisch. Viele Alltagsgegenstände aus Stahl enthalten Eisen und werden angezogen; bei rostfreien Stählen hängt es jedoch von der Sorte und Struktur ab.

Nicht jedes Metall wird von einem gewöhnlichen Schulmagneten deutlich angezogen. Kupfer und Aluminium zeigen beispielsweise keine vergleichbare starke Anziehung. Das bedeutet nicht, dass solche Stoffe grundsätzlich keinerlei magnetische Eigenschaften besitzen. Für den Einstieg unterscheiden wir die im Versuch deutlich beobachtbare Wirkung.

Prüfe daher Material und Beobachtung, statt allein vom metallischen Glanz auszugehen. Ein verchromter Gegenstand kann innen aus Stahl bestehen. Umgekehrt beweist ein silberfarbenes Aussehen nicht, dass etwas ferromagnetisch ist.

Lernschritt 3

Was ist ein Magnetfeld?

Ein Magnet kann wirken, ohne einen Gegenstand zu berühren. Diese Wirkung beschreiben wir mit einem Magnetfeld. An jedem Ort besitzt das Feld eine Richtung und eine Stärke. Als wichtige Größe verwendet man die magnetische Flussdichte B mit der Einheit Tesla (T).

Eine kleine, frei drehbare Kompassnadel richtet sich am örtlichen Feld aus. Ihr Nordpol zeigt in Feldrichtung. In einem Feldlinienbild liegt die Nadel daher entlang der Richtung, die die Feldlinie an diesem Ort hat: entlang ihrer Tangente.

Die Nadel zeigt nicht grundsätzlich auf den Nordpol eines nahen Magneten. Ihr eigener Nordpol wird vom Südpol angezogen und vom Nordpol abgestoßen. Außerdem können mehrere Feldquellen gleichzeitig wirken, etwa ein Stabmagnet und das Erdmagnetfeld.

Lernschritt 4

Feldlinien lesen und den Magneten umdrehen

Drehe den Magneten im Modell um. Nord- und Südpol tauschen die Seiten. Damit kehren sich auch die Feldrichtung und die Ausrichtung der Kompassnordspitze am gezeigten Ort um. Die Skizze berücksichtigt vor allem das Feld des Stabmagneten; das Erdmagnetfeld wird vernachlässigt.

• Außerhalb des Magneten verlaufen Feldlinien vom Nordpol zum Südpol.
• Im Inneren führen sie vom Südpol zum Nordpol zurück. Die Linien bilden geschlossene Verläufe.
• Feldlinien kreuzen sich nicht. An einer Stelle mit von null verschiedenem Feld gibt es eine eindeutige Feldrichtung.
• Enger gezeichnete Linien stehen bei konsistenter Darstellung für ein stärkeres Feld.

Die Linien sind keine sichtbaren Fäden und keine Bahnen von Teilchen. Das Feld existiert auch zwischen ihnen. Ihre Anzahl wählt die zeichnende Person; aus der bloßen Zahl der Linien in zwei unterschiedlichen Bildern kannst du ohne gemeinsame Darstellungsregel keine Feldstärken vergleichen.

Lernschritt 5

Was zeigen Eisenfeilspäne – und was zeigt der Kompass?

Eisenfeilspäne können durch Magnetisierung und gegenseitige Beeinflussung Ketten bilden. Dieses Muster macht einen Feldverlauf anschaulich, verrät aber allein noch keine Pfeilrichtung. Die ergänzt eine Kompassnadel mit bekannter Nordspitze.

Praktische Versuche nur mit geeigneten Schulmaterialien und Anleitung. Eine geschlossene Feldlinienbox oder Abdeckung hält Eisenspäne vom Magneten fern; Späne dürfen nicht in die Augen gelangen.

Lernschritt 6

Warum entsteht beim Teilen kein einzelner Pol?

Teilst du einen gewöhnlichen Stabmagneten gedanklich, bekommst du nicht einen reinen Nordpol und einen reinen Südpol. Jedes Teilstück besitzt erneut beide Pole. An den neuen Endflächen entstehen entsprechende Pole.

Ein hilfreiches vereinfachtes Materialmodell beschreibt viele kleine magnetische Bereiche. In einem magnetisierten Stück tragen ihre Ausrichtungen insgesamt zu einer bevorzugten Richtung bei. In einem unmagnetisierten Eisenstück heben sich die Beiträge verschiedener Bereiche weitgehend auf.

Magnetisieren verändert diese Ordnung. Das Modell erklärt, warum Eisen zeitweise selbst magnetisch werden kann. Es bedeutet nicht, dass im Metall winzige fertige Stabmagnete wie Bauklötze herumliegen; die magnetischen Eigenschaften entstehen auf atomarer Ebene.

Lernschritt 7

Kompass und Erde richtig einordnen

Die Erde besitzt ein Magnetfeld. Eine horizontal bewegliche Kompassnadel richtet sich nach dessen horizontalem Anteil aus. Ihr Nordende zeigt ungefähr in geografische Nordrichtung, wenn keine stärkeren lokalen Störungen wirken.

In der Nähe des geografischen Nordens wirkt die Erde im einfachen Magnetmodell wie ein magnetischer Südpol: Dorthin wird das Nordende der Nadel angezogen. Die geografischen und magnetischen Richtungen stimmen nicht überall genau überein. Für eine genaue Navigation muss man diese Abweichung berücksichtigen.

Ein naher Stabmagnet, Stahlteile oder stromdurchflossene Leitungen können eine Kompassanzeige beeinflussen. Eine abgelenkte Nadel ist deshalb nicht automatisch defekt. Entferne im Schulversuch zunächst die zusätzliche Feldquelle und beobachte die Änderung.