Angezogen und abgestoßen Magnetismus in Natur und Technik
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Schulfernse Schulfernsehen Angezogen und abgestoßen Magnetismus in Natur und Technik Ein Film von Anita Bach Beitrag: Petra Reinold & Hermann Deger Inhalt Die magnetische Wirkung ist seit der Antike bekannt. Als Ursache nahm man den Einfluss eines gewaltigen Berg aus magnetischem Erz irgendwo im hohen Norden an, dessen immense Kraft alles Eisen dieser Welt an sich zieht und daher auch für die Ausrichtung der Kompassnadeln sorgt. Ab dem 12. Jahrhundert taucht der Magnetberg als Schrecken am Ende der Welt in zahlreichen Reiseabenteuern auf. Schiffe, die ihm zu nahe kommen, brechen auseinander, weil er alle Nägel und Eisenbeschläge aus dem Holz reißt. Gauß gibt den Kurs vor Nachdem sich die Existenz eines Magnetbergs nicht nachweisen ließ, galt seit dem Beginn der Neuzeit lange Zeit der Polarstern als Auslöser des Kompassphänomens. Dem tatsächlichen Ursprung der geheimnisvollen Kraft kam allerdings erst der Mathematiker und Universalgelehrte Carl Friedrich Gauß (1777-1855) auf die Spur. Er vermutet die Quellen des Erdmagnetfeldes im Inneren der Erde. tuliert, dass die Magnetfelder in großen Himmelkörpern durch einen selbsterregenden Dynamoprozess erzeugt werden können. Seine zunächst heftig angefochtene Dynamotheorie ist mittlerweile das Standardmodell. Die Weltmaschine im Untergrund "Angeworfen" wird der Geodynamo durch den Aufbau des zweiteiligen Erdkerns, der unter der Erdkruste und dem Erdmantel liegt. Der Äußere Erdkern, eine flüssige Schmelze aus Nickel und Eisen, beginnt ab einer Tiefe von etwa 3.000 Kilometer, ist rund 3.800 Grad heiß und elektrisch äußerst leitfähig. Der Äußere Erdkern umgibt den gut 5.000 Kilometer tief liegenden Inneren Erdkern. Er besteht aus festem Nickel und Eisen und ist nach unterschiedlichen Schätzungen 4.800 bis 7.700 Grad Celsius heiß. Durch die Temperaturunterschiede zwischen innerem und äußerem Kern entstehen Konvektionsströmungen. Die Drehbewegung der Erde lenkt diese Strömungen ab. Sie vollziehen eine Spiralbewegung parallel zur Erdachse. Dabei entsteht wie bei einem Generator elektrischer Strom, der das Magnetfeld der Erde aufbaut Larmor entdeckt den Geodynamo Schutz gegen kosmische Killerstrahlung Der irische Physiker und Mathematiker Joseph Larmor (1857-1942) greift diesen Gedanken auf und präsentiert 1919 eine plausible Erklärung für den Ursprung des Erdmagnetismus. Larmor pos© Bayerischer Rundfunk Das durch komplexe Strömungen im flüssigen Erdinneren erzeugte Magnetfeld ist in vielerlei Hinsicht unverzichtbar, ja sogar eine wesentliche 1 Schulfernse Schulfernsehen Voraussetzung für das Leben auf der Erde. Denn weit über der Erdoberfläche spannt das Erdmagnetfeld einen Schutzschirm auf, ohne den die Sonne unseren Planeten schlicht und einfach zu Tode rösten würde. Dieser Schutzschirm, die so genannte Magnetosphäre, hält die extrem energiereichen Sonnenwinde davon ab, in tiefere Schichten der Atmosphäre oder gar bis auf die Erdoberfläche vorzudringen. Ein Zusammenbruch der Magnetosphäre hätte sowohl für das Leben auf der Erde als auch für die Technik fatale Folgen. Irreparable Zellschäden, genetische Deformationen, Mutationen und Missbildungen wären unausweichlich. Zudem würden auch die empfindliche Kommunikationstechnologie und die meisten elektronischen Geräte dem ungebremsten Strahlenbombardement nicht standhalten. Genau wie der Stabmagnet hat auch jede Magnetnadel einen Nord- und einen Südpol. Der magnetische Nordpol ist immer die Seite, die sich von alleine zum geografischen Norden dreht. Bringt man zwei Magnetnadeln nahe zusammen, ziehen sich jeweils Nord- und Südpol an. Für das Erdmagnetfeld hat das Folgen, denn beim Kompass zeigt der Nordpol ja nach Norden. Also muss der magnetische Südpol des Erdmagnetfeldes im geografischen Norden liegen! Da sich gleichnamige Pole abstoßen, scheitert jeder Versuch, zwei gleiche Pole zusammen zu bringen. Nur ungleichnamige Pole ziehen einander an. Magnetismus in Natur und Technik Das irdische Magnetfeld ist eine Folge des Erdaufbaus, der einem Ei ähnelt: die dünne harte Angezogen und abgestoßen Der Erddynamo Die Menschen haben lange gebraucht, bis sie den Kompass als Richtungsweiser entdeckten. Die Natur war da wieder einmal schneller und schlauer: Sie stattete beispielsweise Zugvögel mit magnetischen Sensoren aus, die das Erdmagnetfeld einsetzen, um sich auf ihren Wanderrouten zu orientieren. Mittlerweile haben wir diesen Rückstand mehr als wettgemacht. Wir nutzen den Magnetismus in der Kommunikations-, Nachrichten- und Antriebstechnik, in Schaltrelais, zur Tonaufzeichnung, in der medizinischen Diagnostik, zur Datenspeicherung und zahlreichen weiteren Anwendungen, in denen die unsichtbare Kraft ihre erstaunliche Wirkung entfaltet. Fakten Kolumbus entdeckte Amerika, als er vor über fünfhundert Jahren immer weiter nach Westen segelte. Seinen Weg in der endlosen Weite des Ozeans fand er mit Hilfe eines Kompasses , der ihm die Himmelsrichtung wies. Schale umschließt ein weiches bei der Erde sogar flüssiges Inneres und einen festen Kern aus Eisen. Wegen der extremen Temperaturen liegen im flüssigen Inneren geladene Teilchen vor. 1. Erdmagnetfeld und magnetische Anziehung Heute wissen wir, dass sich die eiserne Nadel eines Kompasses, die immer nach Norden zeigt, nach dem Magnetfeld der Erde richtet. Es erstreckt sich - etwas abweichend von der Erdachse - in Nord-Süd-Richtung. Man kann sich das so vorstellen, als ob in der Erde ein riesiger Stabmagnet steckte. Und nach dem Magnetfeld dieses Stabmagneten richten sich überall die Magnetnadeln aus. Genau wie der Stabmagnet hat auch jede Magnetnadel einen Nord- und einen Südpol. Der magnetische Nordpol ist immer die Seite, die sich von alleine zum geografischen Norden dreht. © Bayerischer Rundfunk Aufgrund der Erdrotation bewegen sich diese Ströme von glühendheißer eisenhaltiger Materie im Inneren ständig und erzeugen wie ein Dynamo das magnetische Feld, das die Erde umgibt. Der feste Eisenkern verstärkt es wie bei einem Elektromagneten. 2 Schulfernse Schulfernsehen Es gibt nur sehr wenige magnetische Materialien. In der Natur sind es vor allem Klumpen aus eisenhaltigen Mineralien, die magnetische Eigenschaften aufweisen. Solche Mineralien können sogar die Ausrichtung des Erdmagnetfeldes speichern, das sich im Laufe der Erdgeschichte mehrmals umgepolt hat. Schutz vor kosmischer Strahlung Das Magnetfeld der Erde ist auch wichtig für das Leben auf der Erde. Es wirkt nämlich als eine Art Schutzschild gegen die Strahlung, die von der Sonne ständig ins Weltall ausgesandt wird. Die- 3. Eigenschaften von Magnetismus Ein Magnet übt auf eine Büroklammer aus Eisen eine Kraft aus. Dieser Anziehungskraft wirkt in einem Experiment die Zugkraft eines Fadens so weit entgegen, dass die Büroklammer scheinbar frei unter dem Magneten hängt. Die Magnetwirkung lässt sich weder durch Kunststoff, noch durch Papier oder Pappe abschwächen oder abschirmen. Auch ein Aluminiumblech zeigt keinerlei Wirkung. - Erst ein Eisenstab wird seinerseits kräftig angezogen und beendigt die Wirkung nach außen. Umgekehrt zeigt ein Dauermagnet keinerlei Kraftwirkung weder auf einen Haufen Kupfermünzen noch auf solche aus Aluminium. Auch beim Edelmetall Silber bleibt er ohne Wirkung. Nur bei den Eisen oder Nickel wirkt die Anziehungskraft – ein gutes Mittel Münzen auf ihren Eisengehalt zu überprüfen. Das Magnetfeld eines Stabmagneten Bringt man viele Magnetnadeln in die Nähe eines Stabmagneten, so lässt sich beobachten, dass ser Sonnenwind aus elektrisch geladenen Teilchen wird vom Erdmagnetfeld abgelenkt. In den nördlichen und südlichen Polarregionen, dort wo die Feldlinien senkrecht in die Erde eintreten, treffen die Teilchen auf die oberen Schichten der Erdatmosphäre und regen die Luftmoleküle zu farbigem Leuchten an. Diese Polarlichter galten früher oft als Vorboten von Krieg und Unglück. 2. Magnetische Sensoren bei Tieren Nicht nur die Menschen, auch manche Tiere orientieren sich mit Hilfe des Magnetismus. Zugvögel zum Beispiel scheinen über eine Art eingebauten Kompass verfügen, der sie auf ihren Wanderrouten sicher über die Kontinente führt. Wie dieser Kompass genau funktioniert, hat die Forschung noch nicht herausgefunden. Doch offenbar gibt es in den Augen mancher Arten magnet-sensible Bereiche, mit denen die Vögel das Erdmagnetfeld wahrnehmen können. Auf kürzeren Flugstrecken richten sich manche Vögel nach dem Magnetismus in ihrer näheren Umgebung. Denn das Erdmagnetfeld ist durch geologische Gegebenheiten nicht überall gleich stark und ganz exakt ausgerichtet. Genau wie die Messinstrumente der Wissenschaftler können manche Vögel diese Unterschiede wahrnehmen und zur Orientierung benutzen. © Bayerischer Rundfunk ihre Ablenkung entlang von gedachten Linien erfolgt. Sie stellen das Magnetfeld dar, das bogenförmig zwischen den Polen verläuft. Gelangt etwa ein eiserner Nagel in den Bereich dieses Feldes, dann ordnen sich die im Eisen vorhandenen magnetischen Bereiche ähnlich wie die Kompassnadeln an und der Nagel wird selbst zum Magneten, solange bis der Dauermagnet entfernt wird. 4. Der Elektromagnetismus Nicht nur ein anderer Magnet hat Einfluss auf eine Kompassnadel, auch elektrischer Strom hat offensichtlich eine magnetische Wirkung: wird ein Stromkreis geschlossen, dreht sich eine Magnetnadel aus der Nord-Süd-Richtung. Beim Ausschalten wirkt alleine das Erdmagnetfeld und die Nadel schwingt wieder zurück. 3 Schulfernsehen Wenn der von Strom durchflossene Draht sehr lang und zu einer Spule aufgewickelt ist, dann spricht man von einem Elektromagneten. Auch hier wird die Magnetnadel abgelenkt, wenn Strom durch die Spule fließt. Wird der Stromfluss durch die Spule umgepolt, dann dreht sich auch die die Magnetnadel anders herum. Besonders kräftig wird so ein Elektromagnet mit einem Eisenkern in der Spule. Das praktische an einem Elektromagneten ist, dass man seine Wirkung einfach durch Ausschalten beenden kann. 5. Magnetismus und Kommunikationstechnik Schulfernse Feld eines Dauermagneten schwingt. Die Schallschwingungen erzeugen dadurch eine sich ständig verändernde elektrische Spannung. Bei der Wiedergabe, also dem Lautsprecher, läuft der Vorgang umgekehrt ab: Wieder ist die Membran fest mit einer Spule verbunden, die in einem Ringmagneten frei schwingen kann. Elektrische Impulse versetzen Spule und Membran in Schwingungen, die der Zuhörer als Schallwellen wahrnimmt. Bei der dauerhaften Aufzeichnung von Sprache, Musik oder andern Informationen spielen magnetische Speichermedien eine wesentliche Rolle. Wie beim herkömmlichen Tonband handelt es sich dabei im Prinzip um mit Magnetteilchen beschichtete Kunststoffträger, die an einem Elektromagneten vorbeigeführt werden. Elektrische Impulse eines Mikrofons zum Beispiel ändern ständig die Stärke, mit der die Magnetteilchen auf dem Träger magnetisiert werden. Magnetische Datenspeicherung Magnetspeicher eignen sich aber nicht nur für die klassische so genannte analoge Speicherung von Informationen. Auch den Siegeszug der digitalen Technik hat die Magnetaufzeichnung begleitet. Von den ersten dem alten Tonband äh- Die Entwicklung der Telefon- und Telegrafentechnik zum Beispiel haben erst magnetische Schalter, so genannte Relais, möglich gemacht. Jedes mal wenn ein Schaltkreis geschlossen wird, schließt ein Relais einen weiteren Stromkreis – eine Technik, die bis heute bei vielen Geräten und Maschinen Verwendung findet. Auch die Medien- und Informationstechnologie benutzt die Wirkung des Magnetismus. Ein Mikrofon zum Beispiel dient der Verwandlung von akustischen Ereignissen also Musik oder Sprache in elektrische Signale. Im Inneren eines solchen dynamischen Mikrofons befindet sich eine fest mit einer Spule verbundene Membran, die im © Bayerischer Rundfunk nelnden Datenträgern bis hin zu digitalen Kassetten, Disketten und Festplatten im Inneren von Computern spielt die Speicherung auf magnetischen Datenträgern immer noch eine wichtige Rolle. Grundlage der Digitaltechnik ist die Verwandlung von Informationen aller Art in eine Zeichenkette aus nur zwei Zeichen. Dem magnetisierbaren Datenträger wird diese Kette als eine Abfolge von zwei möglichen Polungen aufgeschrieben. Beim Ablesen reagiert das Lesegerät auf diese magnetischen Polungen und verwandelt sie zurück in eine Abfolge von zwei elektrischen Zuständen, die der ursprünglichen Zeichenkette entsprechen. 4 Schulfernse Schulfernsehen 6. Weitere technische Anwendungen Auch die Medizintechnik nützt den Magnetismus, denn auch jedes Atom besitzt durch seine Eigendrehung ein magnetisches Moment. Durch die Einwirkung eines starken Elektromagneten auf den Körper während der Untersuchung in einem Kernspintomographen werden die winzigen Magnete aus der Achse gekippt. Beim Zurückspringen geben sie Energie ab, die sich messen lässt und als Grundlage von Bildern des Körperinneren dient, die der Arzt zur Diagnose benötigt. Die Kraft, die ein Magnet erzeugt, wird auch für den Antrieb von Fahrzeugen genutzt. Eine Schienenbahn zum Beispiel kann direkt von einem Magnetfeld bewegt werden. Ganz so einfach wie bei dieser Demonstration ist es in Wirklichkeit natür- lich nicht. Auf der Versuchsstrecke der Universität Paderborn wird das wandernde Magnetfeld, das die Bahn zieht, elektrisch mit einer Art fortlaufender Spule erzeugt, die als Mittelspur in ein herkömmliches Eisenbahngleis eingebaut ist. Das Magnetfeld unter der weißen Abdeckung wird so geschaltet, dass zum Beispiel Eisennägel in eine Richtung gezogen werden und sich dadurch entlang der Schienen weiterbewegen können. Genauso werden auch die Bahnkabinen gezogen, die über kein eigenes Antriebsaggregat mehr verfügen und stattdessen automatisch gesteuert über das Schienennetz gleiten. In Zukunft könnten also statt fahrplanmäßiger Züge kleine führerlose Schienentaxis die Passagiere zum jeweils gewünschten Fahrziel befördern. Didaktische Hinweise Die Sendung ist für das Fach Natur und Technik am Gymnasium ab der 5. Jahrgangsstufe konzipiert. Lehrplanbezüge (Bayern) 7. Jgst. Natur und Technik 7.1 Schwerpunkt Physik 7.1.2 Elektrischer Strom: Magnetismus; Grundlagen, die Erde als Magnet Arbeitsblätter Overheadfolie 1: Das Magnetfeld der Erde Overheadfolie 2: Magnetische Wirkung Overheadfolie 2: Technische Magnete Suse Sausewind: Suse interessiert sich für den Nähkorb ihrer Oma und dabei passiert ein Missgeschick … Anleitungen für Experimente Anleitung 1: Magnetfeld der Erde Anleitung 2: Magnetische Abschirmung Anleitung 3: Elektromagnet Anleitung 4: Magnetspiel Kreuzwortpuzzle Vorlage Lösung © Bayerischer Rundfunk 5
