Serie 5: Ferromagnetismus, Elementarmagnete und

Übungen zum Elektromagnetismus
Serie 5: Ferromagnetismus, Elementarmagnete und Magnetfeld
1. Einstiegsfragen zum Ferromagnetismus
(a) Zwei Metallstäbe ziehen sich magnetisch an. Sind beides Permanentmagnete?
(b) Einem unmagnetisierten Eisenstab wird einmal der Nord- und das andere Mal der
Südpol eines Stabmagneten genähert. Gibt es einen Unterschied in der Kraftwirkung?
(c) Hängt man zwei Stahlnägel (mit der Spitze nach oben) an den einen Pol eines Stabmagneten, so streben die Nagelköpfe auseinander.
i. Erklären Sie diese Erscheinung!
ii. Wie verhalten sich die Nagelköpfe, wenn man die Nagelspitzen voneinander getrennt
an die beiden Pole eines Hufeisenmagneten hängt?
(d) Welche der folgenden Gegenstände lassen sich magnetisieren?
Stahlstricknadel, Porzellanvase, Nickeldraht, Kupferdraht, Eisenblech, Messingschraube,
A4-Blatt Papier.
(e) Weshalb zieht ein Magnet einen Eisennagel besser an als einen formgleichen Stahlnagel?
(f) Wird ein magnetisierbarer Gegenstand in die Nähe eines Permanentmagneten gebracht, so ist stets eine anziehende Kraftwirkung zwischen den beiden Gegenständen
beobachtbar.
Erklären Sie diese Feststellung mithilfe der Vorstellung von Elementarmagneten.
2. Von den Eisenfeilspänen zum Feldlinienbild
Auf einem Tisch liegt ein Stabmagnet. Dicht über den Magneten legt man horizontal eine
Glasplatte und streut feine Eisenfeilspäne darüber. Auf der Glasplatte entsteht folgendes
Bild:
(a) Erklären Sie in ein paar Sätzen fachlich präzise, weshalb die Eisenfeilspäne bei diesem
Vorgehen anfangen Ketten zu bilden.
(b) Skizzieren Sie das aus diesem Eisenfeilspanbild abgeleitete Feldlinienbild im und um
einen Stabmagneten (= magnetisches Dipolfeld).
(c) Skizzieren Sie ebenso das Magnetfeld im und um einen Hufeisenmagneten. Zeichnen
Sie nicht zu viele Feldlinien. Ev. streuen Sie vorher selber ein Eisenfeilspanbild mit einem
Hufeisenmagneten.
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3. Das Testobjekt für Magnetfelder
(a) Wie heisst das mehr oder weniger alltägliche Instrument, mit dem man ein Magnetfeld
austesten kann?
(b) Was genau findet man mit diesem Instrument aufgrund welcher Beobachtungen heraus?
(c) Wie sollte das Testinstrument idealerweise gebaut und dimensioniert sein?
4. Magnetische Eigenschaften der Erde
Die Erde selber ist ein gigantischer Magnet. Deshalb richtet sich ein Kompass aus. Den einen
magnetischen Pol hat sie irgendwo in der Nähe des geographischen Nordpols (arktischer Pol),
den anderen irgendwo in der Nähe des geographischen Südpols (antarktischer Pol).
(a) Was lässt sich über die Eigenschaften dieser beiden Erdmagnetpole sagen? Konkret:
Wo befindet sich der magnetische Nord- und wo der magnetische Südpol der Erde?
(b) Skizzieren Sie das Magnetfeld der Erde als Ganzes.
(c) Überlegen Sie sich, wie die Feldlinien des Erdmagnetfeldes im Zimmer verlaufen, in
welchem Sie sich gerade aufhalten.
5. Eine knifflige Frage und ihre logische Beantwortung
Zwei zylindrische Stäbe sehen gleich aus. Einer ist ein Stabmagnet, der andere besteht aus
Eisen und ist zu Beginn unmagnetisiert.
(a) Wie kann man ohne weitere Hilfsmittel (also auch ohne Ausnutzung des Erdmagnetfeldes) feststellen, welcher der beiden Stäbe der Permanentmagnet ist?
Erklären und begründen Sie das Vorgehen!
(b) Der Stabmagnet soll den senkrechten, der Eisenstab den waagrechten Teil eines “T”
bilden. Dabei soll der Südpol des Magneten den Eisenstab berühren.
Zeichnen Sie eine Skizze der Situation und tragen Sie sämtliche magnetischen Pole der
beiden Stäbe ein. Skizzieren Sie auch das Magnetfeld in den und um die beiden Stäbe.
6. Stabmagnet und Stahlkugel
Nehmen Sie eine Stahlkugel und einen Stabmagneten in je eine Hand.
(a) Führen Sie die Stahlkugel zum einen Ende des Stabmagneten und spüren Sie dabei die
anziehende Kraftwirkung.
Wie wurde die Kugel bei der Annäherung magnetisiert? Zeichnen Sie eine Skizze, in
welche Sie einige Feldlinien und die Magnetpole der beiden Gegenstände einzeichnen.
Der Stabmagnet soll der Kugel mit seinem Nordpol voran angenähert worden sein.
(b) Nehmen Sie nun einen zweiten Stabmagneten und führen Sie ihn von der anderen Seite
an die Stahlkugel heran, und zwar so, dass Sie zunächst eine abstossende Kraftwirkung
bemerken.
Erklären Sie diese abstossende Wirkung. Warum wird die Stahlkugel nicht sofort so magnetisiert, dass sie auch den zweiten Permanentmagneten anzieht? Argumentieren Sie
hier vor allem mit Elementarmagneten.
(c) Führen Sie schliesslich den zweiten Permanentmagneten ganz an die Stahlkugel heran
und bemerken Sie dabei, wie die anfängliche Abstossung plötzlich ein eine Anziehung
übergeht.
Erklären Sie diese Beobachtung und zeichnen Sie eine Skizze der Endsituation (inkl.
Magnetfeldlinien und Polungen aller Gegenstände).
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7. Verschiedene Lagen zweier Stabmagnete
Im Folgenden sehen Sie vier verschiedene gegenseitige Lagen zweier Stabmagnete. Skizzieren
Sie die Feldlinienbilder in allen vier Situationen, wobei Sie auch den Verlauf der Feldlinien
innerhalb der Magnete zeichnen.
(e) Woran erkennt man in den eben skizzierten Feldlinienbildern sehr gut die Abstossung
resp. Anziehung zwischen den beiden Stabmagneten?
8. Nicht immer homogen. . .
Die beiden folgenden Skizzen zeigen, wie das normalerweise homogene Magnetfeld zwischen
den beiden Polen eines Hufeisenmagneten durch die Anwesenheit eines Stabmagneten
verändert wird.
(a) In einer der beiden Situationen herrscht Anziehung zwischen Hufeisen- und Stabmagnet:
der Stabmagnet bleibt von sich aus im Zwischenraum des Hufeisenmagneten.
In der anderen Situation herrscht Abstossung: Der Stabmagnet wird vorwärts oder
rückwärts aus dem Zwischenraum des Hufeisenmagneten gedrückt.
Welches ist welche Situation und an welchen Merkmalen des Feldlinienbildes erkennt man
das?
(b) Könnte es sich beim Stabmagneten in einer der beiden Situationen aufgrund des Feldlinienbildes auch lediglich um einen magnetisierbaren Gegenstand handeln?
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9. Der Magnet am Kühlschrank
Kühlschrankmagnete sind häufig Topfmagnete. So ein Magnet hat beide Pole auf der am
Kühlschrank haftenden Seite. Dabei bildet ein Pol das Zentrum und der andere Pol den Rand
des Magneten:
Zeichnen Sie direkt in die rechten beiden Perspektiven der folgenden Abbildung die magnetischen Pole ein, welche der Kühlschrank ausbildet (beschriften mit N und S), und tragen Sie,
so gut es geht, die Feldlinien ein.
10. Magnetische Eigenschaften im Eisenfeilspanbild
Betrachten Sie das folgende Eisenfeilspanbild und machen Sie Aussagen zu den magnetischen
Eigenschaften der drei Gegenstände (Stab links, Stab in der Mitte, Klavierschlüssel rechts).
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