Funktionsweise von Magneten
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� André Marie Ampère und der Elektromagnetismus M5 Funktionsweise von Magneten – Seite 1 Magnete Grundsätzlich kann man zwei Arten von Magneten unterscheiden: • Magnete, die dauerhaft magnetisch sind (so genannte Permanentmagneten). • Magnete, deren Magnetkraft mit Hilfe von Strom erzeugt wird (so genannte Elektromagneten). Permanentmagnete und ihre Wirkung Permanentmagnete kennst du: Das sind Metallstücke, die dauerhaft magnetische Kräfte haben. Die Magnetkraft ist an den Enden der Metallstücke besonders stark. Diese Enden nennt man Pole. Wie die Erde hat ein Magnet also einen Nordpol (oft rot lackiert) und einen Südpol (oft grün lackiert). Welcher Pol welche Farbe hat kannst du dir leicht merken: der NOrdpol ist rOt, der SÜdpol ist grÜn. Die Magnetkraft an den Polen wirkt unterschiedlich. Wenn du zwei Magnete hast und versuchst, ihre Pole aneinander zu halten, stellst du fest: Gleiche Pole stoßen sich ab, verschiedene Pole ziehen sich an. Es streben also immer Nord- und Südpol zusammen, nie zwei gleiche Pole. Magnete können aber nicht nur andere Magnete anziehen, sondern auch verschiedene Gegenstände aus Metall. Allerdings werden nicht alle Metalle angezogen. Am stärksten wirkt ein Magnet auf Eisen, Kobalt und Nickel (oder eine Mischung aus diesen dreien). Diese Metalle nennt man ferromagnetische Metalle. Du kannst nachprüfen, ob Metalle ferromagnetisch sind, indem du sie mit einem Magneten berührst: Bei manchen wirst du keine Anziehung feststellen können (zum Beispiel wird Aluminiumfolie nicht angezogen – Aluminium ist also kein ferromagnetisches Metall). Die Kraft eines Magneten wirkt auch dann schon, wenn er einen anderen Magneten oder einen Metallgegenstand noch gar nicht berührt. Diesen Wirkungsbereich um einen Magneten herum nennt man Magnetfeld. Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik: André Marie Ampère und der Elektromagnetismus � André Marie Ampère und der Elektromagnetismus M5 Funktionsweise von Magneten – Seite 2 Warum ist ein Magnet magnetisch? Jeder Stoff besteht aus kleinsten Bausteinen, den Atomen. Um jeden Atomkern kreist eines oder mehrere Elektronen. Diese Elektronen erzeugen durch ihre Bewegung ein winziges Magnetfeld. Das bedeutet: in jedem Gegenstand wirken magnetische Kräfte. Meistens sind diese Kräfte aber völlig ungeordnet und wirken nicht in eine Richtung. Deshalb sind nicht alle Gegenstände „magnetisch“. Bei den ferromagnetischen Metallen, also zum Beispiel Eisen, bilden sich aber kleine Bereiche, in denen sich die Magnetfelder der Atome in die gleiche Richtung orientieren. Die winzigen Magnetfelder der Atome schließen sich also zusammen und bilden etwas größere magnetische Felder. Diese Felder nennt man Weißsche Bezirke oder Elementarmagnete. Je mehr solcher Elementarmagnete sich in einem Stoff bilden, desto stärker wird die magnetische Kraft dieses Stoffes. an kann sich das so vorstellen, dass ein magnetisches Stück Eisen aus vielen kleinen Magneten besteht, die alle gleich ausgerichtet sind. Diese Anordnung macht es möglich, aus einem größeren Magneten zwei kleine Magnete zu machen: Würde man einen Magneten zerteilen, würden sich an den Enden der beiden Teile wieder Nord- und Südpol bilden. Zustand Objekt Magnetische Ausrichtung unmagnetisch magnetisch Auch ein ferromagnetisches Metall ist nicht von vorneherein (stark) magnetisch. Damit ein Gegenstand aus Eisen, Kobalt oder Nickel zum Permanentmagneten wird, muss man ihn magnetisieren. Das bedeutet, dass man die Atome in diesem Gegenstand von außen dazu bringt, Elementarmagnete zu bilden und sich in eine Richtung zu orientieren. Dies kann mit einem anderen Elementarmagneten geschehen – oder mit elektrischem Strom. Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik: André Marie Ampère und der Elektromagnetismus � André Marie Ampère und der Elektromagnetismus M5 Funktionsweise von Magneten – Seite 3 Elektromagnete Elektrischer Strom besteht aus Elektronen, die sich in eine bestimmte Richtung bewegen. Jedes einzelne Elektron erzeugt durch seine Bewegung ein winziges Magnetfeld. Viele Elektronen, die in die gleiche Richtung bewegen, erzeugen deshalb ein vielfach stärkeres Magnetfeld. Wenn ein solches elektromagnetisches Feld auf einen ferromagnetischen Gegenstand einwirkt, werden dessen Elementarmagnete (die Weißschen Bezirke) in eine Richtung angeordnet – der Gegenstand wird selbst zum Magneten. Solange der Strom fließt, verstärkt er das elektromagnetische Feld, das auf ihn einwirkt. Wird der Strom abgeschaltet, geraten die Elementarmagneten des Gegenstands wieder „in Unordnung“ und er verliert seine magnetische Kraft. Wenn man einen ferromagnetischen Gegenstand dauerhaft magnetisieren will, muss er über längere Zeit einem anderen Magnetfeld ausgesetzt sein, also entweder einem Permanentmagneten oder einem elektromagnetischen Feld. Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik: André Marie Ampère und der Elektromagnetismus André Marie Ampère und der Elektromagnetismus M5 Funktionsweise von Magneten (Versuch) – Seite 4 Experiment: Wir bauen einen kleinen Elektromagneten Man braucht: • eine 4,5 Volt – Flachbatterie, • ein Eisennagel (etwa 6 cm lang) oder eine Eisenschraube, • ein 1 bis 2 m langer, isolierter Kupferdraht (Durchmesser möglichst dünn), • einige Büroklammern, • falls vorhanden: ein einfacher Dreh-Kompass. Durchführung: 1.) Zunächst an den Drahtenden die Isolierung auf etwa 2 cm Länge entfernen. 2.) Nun den Draht um den Nagel oder die Schraube wickeln. Dabei den Draht möglichst dicht wickeln und in eine Richtung wickeln (siehe Zeichnung). Wenn die Isolierung zu dick ist, kann der Draht auch in mehreren Schichten gewickelt werden. + 3.) An den beiden Drahtenden je eine Büroklammer befestigen. - 4.) Die Büroklammern an die beiden BatteriePole anschließen, so dass Strom durch den Draht fließt. Nun sollte sich ein magnetisches Feld aufbauen, so dass die Enden des Nagels oder der Schraube zu magnetischen Polen werden. Wichtiger Hinweis: Der Draht des Elektromagneten sollte jeweils nur kurz an die Batterie angeschlossen werden. Zum einen erhitzt sich der Draht während des Versuchs, zum anderen wird dabei sehr viel Batteriestrom verbraucht. Zum Ausprobieren: Kann man mit dem Elektromagneten Büroklammern hochheben? Welches Ende des Drahtes zieht die Büroklammern an, und was passiert, wenn man den Draht andersherum an die Batterie anschließt, also die Pole vertauscht? Wie beeinflusst der Elektromagnet einen Kompass, wenn man diesen in seine Nähe bringt? Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik: André Marie Ampère und der Elektromagnetismus
