Magnetismus - Die Onleihe
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Magnetismus Magnetismus Wie funktioniert ein Kompass? Was sind Polarlichter? Was macht ein Elektromagnet im Toaster? Und was sind Squids? Den natürlichen Magnetismus kannten die Menschen bereits im Altertum. Später entdeckte man, dass die Erde selbst ein großer Magnet ist. Im 19. Jahrhundert wiesen Physiker schließlich die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus nach – ohne die Entdeckung des Elektromagnetismus wären Prof. Otto Lührs viele technische Geräte wie Telefon, Computer, Elektromotor sowie Radio und Fernsehen nicht denkbar. Professor Otto Lührs, ehemaliger Direktor des Spectrums, der interaktiven Abteilung am Deutschen Technikmuseum in Berlin, beantwortet in diesem WAS IST WAS-Band sachkundig viele Fragen zu dem spannenden Phänomen und regt zu eigenen Versuchen mit Magneten an. BAND 39 SEHEN | HÖREN || MITMACHEN SEHEN MITMACHEN Magnetismus BAND 39 BAND 39 www.wasistwas.de In dieser Reihe bereits erschienen: Band 1 Unsere Erde Band 2 Der Mensch Band 3 Energie Band 4 Chemie Band 5 Entdecker und ihre Reisen Band 6 Die Sterne Band 7 Das Wetter Band 8 Das Mikroskop Band 9 Der Urmensch Band 10 Fliegerei und Luftfahrt Band 11 Hunde Band 12 Mathematik Band 13 Wilde Tiere Band 14 Versunkene Städte Band 15 Dinosaurier Band 16 Planeten und Raumfahrt Band 17 Licht und Farbe Band 18 Der Wilde Westen Band 19 Bienen, Wespen und Ameisen Band 20 Reptilien und Amphibien Band 21 Der Mond Band 23 Architektur Band 24 Elektrizität Band 25 Schiffe Band 27 Pferde Band 28 Akustik Band 29 Wissenschaften Band 30 Insekten Band 31 Bäume Band 32 Meereskunde Band 33 Pilze Band 34 Wüsten Band 35 Erfindungen Band 36 Polargebiete Band 37 Computer und Roboter Band 38 Säugetiere der Vorzeit Band 39 Magnetismus Band 40 Vögel Band 41 Fische Band 42 Indianer Band 43 Schmetterlinge Band 44 Die Bibel. Das Alte Testament Band 45 Mineralien und Gesteine Band 46 Mechanik Band 47 Elektronik Band 48 Luft und Wasser Band 49 Sport Band 50 Der menschliche Körper Band 51 Muscheln, Schnecken, Tintenfische Band 52 Briefmarken Band 53 Das Auto Band 54 Die Eisenbahn Band 55 Das alte Rom Band 56 Ausgestorbene und bedrohte Tiere Band 57 Vulkane Band 58 Die Wikinger Band 59 Katzen Band 60 Die Kreuzzüge Band 61 Pyramiden ISBN 978-3-7886-0279-6 9 783788 602796 02796_Bd_39_Magnetismus_Cov.indd 1 04/11 € [D] 9,95 € [A] 10,30 Band 62 Die Germanen Band 63 Fotografie Band 64 Die alten Griechen Band 65 Eiszeiten Band 66 Geschichte der Medizin Band 67 Die Völkerwanderung Band 68 Natur Band 69 Fossilien Band 70 Das alte Ägypten Band 71 Piraten Band 72 Heimtiere Band 73 Spinnen Band 74 Naturkatastrophen Band 75 Fahnen und Flaggen Band 76 Die Sonne Band 78 Geld Band 79 Moderne Physik Band 80 Tiere – wie sie sehen, hören und fühlen Band 81 Die sieben Weltwunder Band 82 Gladiatoren Band 83 Höhlen Band 84 Mumien Band 85 Wale und Delfine Band 87 Türme und Wolkenkratzer Band 88 Ritter Band 89 Menschenaffen Band 90 Der Regenwald Band 91 Brücken und Tunnel Band 92 Papageien und Sittiche Band 93 Die Olympischen Spiele Band 94 Samurai Band 95 Haie und Rochen Band 96 Schatzsuche Band 97 Zauberer, Hexen und Magie Band 98 Kriminalistik Band 99 Sternbilder und Sternzeichen Band 100 Multimedia und virtuelle Welten Band 101 Geklärte und ungeklärte Phänomene Band 102 Unser Kosmos Band 104 Wölfe Band 105 Weltreligionen Band 106 Burgen Band 107 Pinguine Band 108 Das Gehirn Band 109 Das alte China Band 110 Tiere im Zoo Band 112 Fernsehen Band 113 Europa Band 114 Feuerwehr Band 115 Bären Band 116 Musikinstrumente Band 117 Bauernhof Band 118 Mittelalter Band 119 Gebirge Band 120 Polizei Band 121 Schlangen Band 122 Bionik Band 123 Päpste Band 124 Band 125 Band 126 Band 127 Band 128 Band 129 Bergbau Klima Deutschland Ernährung Hamster, Biber und andere Nagetiere Lkw, Bagger und Traktoren Gedruckt in Europa. www.tessloff.com www.wasistwas.de 17.03.2011 13:50:58 Uhr RE1_39_Magnetismus_1_25.qxp 04.12.2009 14:42 Uhr Seite 3 Inhalt Elektromagnetismus – eine großartige Entdeckung Magnetismus – geheimnisvolle Kraft 4 Magnetismus und seine Eigenschaften Was ist ein Magnet? 6 Welche Arten von Magnetismus gibt es? 6 Sind Magnetwerkstoffe immer fest und spröde? 8 Welche Stoffe kann Magnetismus durchdringen? 8 Mach mit: Versuche mit Magnetismus 9 Wie wurde der Elektromagnetismus entdeckt? 26 Kann Magnetismus Elektrizität hervorbringen? 27 Wie lauten die Handregeln zur elektromagnetischen Induktion? 27 Woraus besteht ein Elektromagnet? 28 Was ist der kleinste Magnet? 29 Wie entstehen Wirbelströme? 30 Was sind Wirbelstrombremsen? 30 Was ist elektromagnetischer Smog? 31 Was geschieht in der Umgebung eines Magneten? 10 Was sagen die Feldlinienmuster aus? 11 Wo ist die Kraft eines Magneten am stärksten? 12 Welche Stoffe können magnetisiert werden? 13 Magnetismus und seine Anwendung Wie entfernt man Magnetismus? 15 Was macht der Magnetismus möglich? 32 Kann Magnetismus Krankheiten heilen? 33 Wie wird Magnetismus in der Medizin eingesetzt? 33 Unsere Erde – ein Magnet Was verursacht den Erdmagnetismus? 16 Was macht ein Elektromagnet im Toaster? 34 Wo liegen die magnetischen Pole der Erde? 17 Was ist ein Induktionsherd? 34 Wie funktioniert ein Kompass? 18 Wie funktioniert die elektrische Klingel? 35 Mach mit: Bau dir einen Schwimmkompass 19 Entwicklung der Nachrichtentechnik 36 Was versteht man unter magnetischer Missweisung? 20 Wie wird elektrischer Strom erzeugt? 38 Wie hilft Magnetismus bei der Suche nach Bodenschätzen? Wie funktioniert ein Dynamo? 38 22 Wozu braucht man einen Transformator? 40 Magnetismus in der Tierwelt 23 Wie ist ein Elektromotor konstruiert? 41 Welche Zukunft haben Magnetschwebebahnen? 43 Supraleiter, Squids und Kernfusion 44 Wie kann man Signale magnetisch speichern? 46 Wie funktioniert eine Festplatte? 46 Kommt Magnetismus auch außerhalb der Erde vor? 24 Was sind Polarlichter? 25 Magnetismus in Museen und Science Centern 48 Index 48 3 RE1_39_Magnetismus_1_25.qxp 04.12.2009 ERDMAGNETFELD Das Magnetfeld der Erde 14:45 Uhr Seite 17 Magnetfeld der Erde hat seinen Ursprung im Erdkern. Die Feldlinien über der Erdoberfläche haben eine Form, als befände sich im Zentrum der Erdkugel gedachter Stabmagnet ein großer Stabmagnet. Das Magnetfeld ist gegenüber der Rotationsachse geneigt. Den magnetischen Nordpol findet man allerdings in der Nähe des geografischen Südpols, der magnetische Südpol liegt im magnetische Achse nördlichen Polargebiet. Rotationsachse Wir wissen, zu jedem Magnetfeld gehören ein Nordpol und ein Wo liegen die Südpol. Jeder magnetischen wird die maPole der Erde? gnetischen Pole zunächst nahe den geografischen Polen vermuten. Doch so einfach hat es uns die Natur nicht gemacht. Erstens wissen wir, dass der Nordpol eines Magneten der nach Norden weisende Pol ist. Da sich aber entgegengesetzte Pole anziehen, muss also im Norden der Erde ihr magnetischer Südpol liegen. Die ersten Forscher, die sich mit dem Magnetismus befassten, nannten den nach Norden weisenden Pol einfach Nordpol. Wir müssen nun unterscheiden zwischen dem geografischen Nordpol und dem ebenfalls im Norden liegenden magnetischen Südpol. Demnach liegt der magnetische Nordpol auf der Südhalbkugel. Zweitens verändern die magnetischen Pole im Gegensatz zu den geografischen Polen ständig, wenn auch sehr langsam, ihre Lage. Im Jahre 1831 wurde der Ort des magnetischen Südpols durch den englischen Forschungsreisenden James Clark Ross (1800–1862) erstmals genau bestimmt. Er lag im Norden Kanadas etwa 2 300 Kilometer vom Nordpol entfernt. Seither wurden die Messungen regelmäßig wiederholt, und es stellte sich heraus, der magnetische Südpol war bis 1980 etwa 1000 Kilometer in Richtung des Nordpols gewandert. Nur zehn Jahre später, 1841, wurde der magnetische Nordpol in der Antarktis gefunden. Er ist bis 1980 sogar um 1200 Kilometer gewandert, und zwar vom geografischen Südpol weg. In den vergangenen Jahrmillionen haben sich die Magnetpole der Erde weit verschoben. Nach Auffassung von Fachwissenschaftlern hat der magnetische Südpol schon in Korea, aber auch schon in der Mitte des Atlantischen Ozeans gelegen. 17 RE1_39_Magnetismus_1_25.qxp 04.12.2009 14:45 Uhr Seite 18 ANWENDUNG Mit einem Kompass und einer Wanderkarte kann sich niemand verlaufen. Auf der Karte ist immer ein Pfeil für die Nord- magnetischer Südpol geografischer Nordpol richtung angegeben. Wer sich geografischer Südpol orientieren will, muss die Karte auf den Boden oder einen ebenen Baumstumpf legen und magnetischer Nordpol darauf den Kompass, dessen Nadel nach Norden zeigt. Jetzt dreht er die Karte unterhalb des Kompasses so lange, bis Seit über 150 Jahren misst man die genauen Orte der Magnetpole an der Erdoberfläche. In dieser Zeit sind sie mehr als 1 000 Kilometer gewandert. der eingezeichnete Nordpfeil die gleiche Richtung wie die Kompassnadel hat. Ist die Der Kompass ist eines der ältesten technischen Geräte, Wie die der Mensch funktioniert erfunden hat. In ein Kompass? Europa kennt man ihn seit dem 12. Jahrhundert. Als der Venezianer Marco Polo (1254–1324) aus China in seine Heimatstadt zurückkehrte, erfuhr die interessierte Welt aus seinen Reiseberichten, dass der Kompass dort schon seit mehr als tausend Jahren benutzt wurde. Allgemein bezeichnet man Geräte zur Messung eines Magnetfeldes, sowohl der Richtung als auch der Feldstärke, als Magnetometer. Das einfachste Magnetometer ist der Kompass. Er besteht aus einer magnetisierten Stahlnadel von einigen Zentimetern Länge, die im Zentrum auf einer Spitze gelagert ist, sodass sie horizontal im Gleichgewicht schwebt. Die Spitze ist in der Mitte einer runden Skala angebracht. Diese Windrose trägt die Symbole der vier geografischen Himmelsrichtungen Norden (N), Süden (S), Osten (O) und Westen (W). Zwischen diesen vier Hauptrichtungen sind meistens noch vier weitere Richtungen dargestellt: 18 Nordost (NO), Südost (SO), Südwest (SW) und Nordwest (NW). Kompassnadel, Spitze und Windrose sind durch ein Messing- oder Kunststoffgehäuse geschützt, das an der Oberseite mit einer Glasscheibe abgedeckt ist. Manchmal sind Taschenkompasse mit Öl gefüllt. Die Nadel schwingt dann nicht unruhig hin und her, bevor sie die Richtung anzeigt, weil ihre Bewegung durch das Öl gedämpft wird. Mit einem Taschenkompass kann man auch einige Versuche machen, aber eigentlich wird er zur Orientierung im Gelände oder auf dem Wasser benutzt. Beim Anwenden muss der Kompass waagerecht und ruhig liegen, sodass die Nadel sich frei auf der Spitze bewegen kann. Dann zeigt der Südpol der Nadel nach Norden, die gesamte Magnetnadel richtet sich nach den Feldlinien des Landkarte richtig eingenordet, kann der Wanderer auf ihr die Richtung zu seinem Ziel leicht feststellen. Versperren aber Hügel, Bäche oder dichter Wald den direkten Weg und müssen Umwege eingeschlagen werden, dann muss der Wanderer die ungefähre Richtung einhalten und Kompass und Karte wiederholt benutzen. Magnetischer Kompass auf einem Schiff. Zur genauen Richtungsbestimmung trägt er eine Visiereinrichtung. RE1_39_Magnetismus_1_25.qxp 04.12.2009 14:45 Uhr Seite 19 Wanderkarten haben einen Nordpfeil. Dreht man die Karte so lange, bis der Nordpfeil mit der Richtung der Kompassnadel übereinstimmt, kann man die weitere Marschrichtung festlegen. Erdmagnetfeldes aus, die vom magnetischen Nordpol zum magnetischen Südpol verlaufen. Alle vier Pole liegen an unterschiedlichen Orten. Der magnetische Südpol liegt fernab vom geografischen Nordpol, und der magnetische Nordpol liegt ebenfalls nicht am Ort des Südpols. Daraus ergibt sich überall auf der Erde eine unterschiedliche Abweichung der Magnetnadel von der geografischen Nord-Süd-Richtung. In Mitteleuropa sind die Abweichungen sehr gering. In Sibirien verlaufen sie sogar in West-Ost-Richtung (siehe Abbildung S. 21 unten). BAU DIR EINEN SCHWIMMKOMPASS Einen einfachen Kompass kannst du mit wenigen Utensilien selbst bauen. Du brauchst dazu eine feine Nähnadel, die du zunächst magnetisieren musst (A). Streiche hierzu mehrfach mit einem Magneten langsam und in einer Richtung über die Nadel. Schneide von einem Flaschenkorken mit einem Küchenmesser eine Scheibe von etwa 5 mm Dicke ab und stecke die Nadel seitlich durch den Korken (B). Achte darauf, dass die Nadel möglichst in der Mitte des Korkens steckt. In einen tiefen Teller füllst du etwas Wasser und lässt den Korken auf der Wasserober- A fläche schwimmen: Sehr schnell wird sich die Nadel drehen und in Nord-Süd-Richtung zeigen. Mit einem richtigen Kompass kannst du dies überprüfen (C). Von einem größeren Abstand aus kannst du mit dem Magneten den Kompass ablenken. Nimmst du den Magneten wieder weg, stellt sich die Nord-Süd-Richtung wieder ein. C B 19 RE1_39_Magnetismus_1_25.qxp 04.12.2009 14:45 Uhr Auf dem Land gibt es immer mehrere OrienWas versteht tierungspunkte man unter – Bäume, Berge, Türme oder Gemagnetischer Man Missweisung? wässer. kommt deshalb auch ohne Kompass aus. Erfahrene Seeleute können die Position ihres Schiffes zwar auch vom Sonnenstand und nachts von den Gestirnen ableiten, bei Nebel oder bei bedecktem Himmel sind sie aber von der Kompassanzeige abhängig. Christoph Kolumbus (1451–1506) war es, der auf seiner ersten Entdeckungsreise nicht nur Amerika fand, sondern auch die magnetische Missweisung beobachtete. Am 13. September 1492 schrieb er in sein Bordbuch: „Ich stehe einem Rätsel gegenüber, auf das vor mir wohl noch kein Seefahrer gestoßen ist. Ich glaube zu träumen. Zu Beginn dieser Fahrt wichen die Kompassnadeln nach Nordwesten ab, morgens zeigten sie mehr nach Nordosten. Eine Erklärung? Ich weiß keine. Und ich zittere vor der Stunde, da die anderen mich mit Fragen bestürmen werden. Gewiss werden sie behaup- erdm agne tisch e Feldl inien Inklinationswinkel Erdkrümmung 20 Seite 20 ten, der Teufel selbst lenke unsere Flotte.“ Nur mit Mühe konnte Kolumbus seine Besatzung überreden, weiter nach Westen zu segeln. Offenbar war der Kompass auf dem weiten Meer kein zuverlässiges Instrument. Es galt nun, die Ursache für das seltsame Verhalten der Kompassnadel zu finden. Dazu musste das Erdmagnetfeld genauer vermessen werden. Inzwischen war klar: Die Feldlinien der Erde verlaufen nicht wie bei einem einfachen Magneten gerade von Pol zu Pol, sie sind verzerrt. Der Engländer Edmond Halley (1656–1742) war der Erste, der eine Weltkarte mit Linien schuf, die die Abweichung der Magnetfeldlinien vom geraden Verlauf (die sogenannte Deklination) sichtbar machte. Und seit der Mitte des 19. Jahrhunderts werden das Erdmagnetfeld, seine Verzerrungen und auch die Lage der Pole regelmäßig gemessen. Heute wird die Magnetfeldstärke rund um den Globus natürlich mit elektronisch arbeitenden Magnetometern gemessen. Die Feldlinien, die die Pole verbinden, haben einen unsystematisch krummen Verlauf. Deshalb zeigt die Darstellung der Deklinationslinien auf der Weltkarte ein sehr verwirrendes Muster, doch wie bei einem Stabmagneten ist das erdmagnetische Feld an den Polen am stärksten. Die Erklärung für die eigenartige Verteilung der Feldstärke als auch für die gekrümmten Feldlinien ergibt sich durch die ungleichmäßige Verteilung der magnetischen Stoffe, wie Eisen-, Nickel- und Prinzip eines Magnetometers: Weil die Kompassnadel den Linien des Erdmagnetismus folgt, zeigt sie – wenn man sie entsprechend hält – auch die Neigung der Feldlinien gegen die Horizontale. Diese Neigung nennt man Inklination, ihre Größe wird durch den Inklinationswinkel angezeigt. RE1_39_Magnetismus_1_25.qxp 04.12.2009 14:46 Uhr Seite 21 GLOBALES FORSCHUNGSVORHABEN Der Naturforscher Alexander von Humboldt (1769–1859) hatte sich bereits auf seiner südamerikanischen Entdeckungsreise mit Messungen des Erdmagnetfeldes befasst. Er hielt dieses Forschungsgebiet für so interessant, dass er später die erste weltweite wissenschaftliche Gleichzeitigkeitsmessung organisierte. Die Göttinger Wissenschaftler Carl Friedrich Gauß (1777–1855) und Wilhelm Weber (1804–1891) hatten 1836 einen „Magnetischen Verein“ gegründet. Sie entwickelten auch ein Magnetometer zur genauen Magnetfeldmessung. Humboldt veranlasste den Bau einer größeren Anzahl von MagneC. F. Gauß tometern und ließ sie an Sternwarten, sonstige Forschungsstellen und auch auf Schiffen aller Länder verteilen. Fast sechs Jahre lang wurden die „Magnetischen Termine“ wahrgenommen, das heißt, die magnetischen Werte wurden zeitgleich an allen Messstationen abgelesen, aufgeschrieben und nach Göttingen geschickt. Dort werteten Gauß und seine Mitarbeiter die Daten aus und zeichneten genaue Weltkarten mit den Orten der Magnetpole und den Verläufen A. v. Humboldt der sie verbindenden Linien gleicher Feldstärke, den Deklinationslinien. Kobalterze, in der Erdkugel. Die Karte der Deklinationslinien zeigt aber auch die geringe Abweichung der Nadelanzeige von der Nord-Süd-Richtung in China und in Europa. Wohl deshalb wurde der Kompass als zuverlässiges Orientierungsmittel in diesen Gebieten erfunden und auch eingesetzt. Nach der Entdeckung der Missweisung durch Kolumbus genügte es nicht mehr, sich einfach auf die Kompassnadel zu verlassen, nun muss- Ein mit einem Magnetfeldsensor versehener Theodolith, ein Gerät zur Erdvermessung, ist in der Lage, die genaue Richtung des Erdmagnetfeldes zu bestimmen. Das Magnetfeld der Erde verläuft nicht geradewegs zwischen Nord- und Südpol, sondern erstreckt sich unregelmäßig über die Erdoberfläche. ten Seekarten mit Deklinationslinien hinzugezogen werden; erst dann war eine genaue Orientierung auch auf den Weltmeeren möglich. Inzwischen spielt dieses Problem keine Rolle mehr, da die Schiffe Kreiselkompasse an Bord haben, deren Anzeige nicht mehr vom Erdmagnetfeld abhängt. 21
