2.8 Magnetismus - Universität Augsburg

Report
Magnetismus
Wichtiges Grundwissen für den
Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule
Schriftliche Hausarbeit
von Ralf Hirnich
Universität Augsburg
Didaktik der Physik
„Magnetische Energie ist
die elementare Energie,
von der das gesamte
Leben abhängt.“
Werner Heisenberg, Physik-Nobelpreisträger
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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.
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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.
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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.
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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.
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Magnetfeld
• Der Raum um einen Magneten, in dem eine magnetische
Wirkung zu beobachten ist, heißt „magnetisches Feld“.
• Es wird mit Hilfe von „Feldlinien“ dargestellt.
• Längs einer Feldlinie erfährt ein magnetischer Pol eine Kraft.
• Ein Probemagnet richtet sich immer längs der Feldlinien aus.
• Sein Nordpol wird zum Südpol des felderzeugenden
Magneten hingezogen.
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Feldlinienbild verschiedener Magnetformen
Stabmagnet
Flachmagnet
Hufeisenmagnet
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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.
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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.
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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
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Magnetfeld einer Spule
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•
•
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.
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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“)
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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.
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Anwendung: Relais
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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.
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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.
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