magnetismus - educa.Unterricht
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Schutzgebühr: Fr. 2.00 (inkl. MWST) Arbeitsblätter MAGNETISMUS Inhaltsverzeichnis Seite Tipps für einen Schulbesuch 1 Permanentmagnetismus 2 Magnetische Kopplung 2 Magnetisierlabor* 3 Curiepunkt 3 Weiss'sche Bezirke* 3 Barkhausen-Effekt* 3 Magnetische Feldlinien 4 Permanentmagnetische Spielereien 5 Elektromagnetismus 6 Magnetfeldkreise 6 Induktion und Wirbelstrom 7 Generator-Prinzip 7 Motor-Prinzip 7 Wirbelstrom 8 Schwebenden Magneten 8 Wirbelstrom I und II 8 Je langsamer, desto leitender 8 Begriffe 9 Antworten 11 * diese Experimentierstationen befinden sich im Jugendlabor (Öffnungszeiten/Infos siehe Seite 1) Technoramastrasse 1 CH-8404 Winterthur Tel. +41 (0) 52 244 08 44 Fax +41 (0) 52 244 08 45 Internet: www.technorama.ch E-mail: [email protected] Arbeitsblätter MAGNETISMUS Seite 1 Tipps für einen Schulbesuch Für Lehrer(in): Für Schüler(innen): Allgemeine Hinweise für einen Technorama-Besuch So geht's... • Für die Phänomene, die die Schüler und Schülerinnen am meisten interessieren, sollen sie sich Zeit nehmen. (Man kann sich bei einem Besuch nicht allen Versuchen intensiv widmen.) • Teilt euch bitte in kleine Gruppen zu zweit oder zu dritt auf. • Es gilt vor allem, nach eigenen Erklärungen zu suchen und sie am Experiment zu überprüfen. • Hier dürft und sollt ihr die Experimente anfassen, be-greifen, ausprobieren und mit ihnen spielen. • Jugendlabor (Tel. 052 244 08 50) Oeffnungszeiten: Dienstag bis Samstag, 14 – 17 h Sonntag, 12 – 17 h Vormittags für angemeldete Schulklassen reserviert. Reservation sollte möglichst frühzeitig erfolgen. • Für die Phänomene, die euch am meisten interessieren, solltet ihr euch Zeit nehmen. (Man kann sich bei einem Besuch nicht allen Versuchen intensiv widmen.) Bemerkungen zu den Fragen in diesen Arbeitsblättern sowie Tipps zur Einführung der Schüler • Das Hauptziel der Arbeitblätter besteht darin, Schülerinnen und Schüler zu genauem Beobachten anzuspornen. Deshalb muss ihnen auch das Gefühl vermittelt werden, dass sie in ihren Erklärungen und Meinungen ernst genommen werden. Ob ihre Antworten richtig oder falsch sind, finden wir eher zweitrangig. • Der Schwierigkeitsgrad der Fragen ist unterschiedlich. Es empfiehlt sich, eine gezielte Auswahl aus den Versuchen zu treffen. • Die Lösungen zu den Aufgaben geben die Hintergründe zu den Versuchen nur sehr knapp wieder. Fachbücher geben tiefergehende Informationen. • Geht durch die ganze Ausstellung MAGNETISMUS und schaut euch erst einmal alles kurz an. • Es gilt vor allem, nach eigenen Erklärungen zu suchen und sie am Experiment zu überprüfen. • Falls ihr Fragen oder Probleme habt, wendet euch bitte an eine(n) Betreuer(in) mit Technorama-Gilet oder an eure/n Lehrer(in). Wir danken der Jacobs Foundation für die grosszügige Unterstützung unseres Schuldienstes. Weiter unterstützt auch die VTW (Vereinigung für Technik und Wirtschaft) das Technorama in seinem ausserschulischen Freizeitangebot. Arbeitsblätter MAGNETISMUS Seite 2 Permanentmagnetismus Sicherlich hast du schon oft einen Magneten in der Hand gehabt. Erinnere dich an die verschiedenen Formen und zeichne ein paar auf, die du kennst: Das unterschiedliche Verhalten liegt daran, dass jeder Magnet zwei verschiedene Pole besitzt. Diese Pole werden Nordpol und Südpol genannt. In welchem Fall (1. oder 2.) waren es bei dir gleiche bzw. verschiedene Pole, die du zusammengebracht hast? Gleiche Pole: _________________ Verschiedene Pole: _________________ Magnetische Kopplung Die meisten Magnete, die du bisher kennen gelernt hast, waren wahrscheinlich Dauermagnete, sogenannte Permanentmagnete. Wenn man zwei Magnete nahe zusammenbringt, können diese auf zwei verschiedene Arten reagieren. Die Magnete, mit denen man kleine Notizen an Kühlschranktüren heftet, sind solche Dauermagnete. Fallen dir noch mehr Beispiele ein? _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ Wie stehen die Pole zueinander, wenn man mehrere Magneten hintereinander stellt (Kette)? _______________________________ _______________________________ Versuche die beiden Arten zu beschreiben: 1. 2. ___________________________ ___________________________ Arbeitsblätter MAGNETISMUS Seite 3 Permanentmagnetismus (Forts.) Magnetisierlabor* Um die Magnetisierung eines Materials besser zu verstehen, kannst du dir die Experimente Weiss'sche Bezirke* (Magnetische Domänen) und Barkhausen-Effekt* anschauen. Magnetisierbare Materialien sind auf der Atomebene aus lauter „kleinen Magneten“ aufgebaut, den sogenannten Elementarmagneten. Im nicht magnetisierten Zustand sind diese Elementarmagnete weitgehend regellos im Material angeordnet. In diesem Experiment kannst du selbst Magnete „machen“. Du kannst herausfinden, welche Materialien sich dauerhaft magnetisieren lassen. Liste die Materialien anhand ihrer Magnetisierungseignung auf (von schlechter nach besser): 1. ___________________________ 2. ___________________________ 3. ___________________________ 4. ___________________________ 5. ___________________________ 6. ___________________________ Sie bilden lediglich kleine Gruppen, in denen die Elementarmagnete in die gleiche Richtung weisen (Weiss´sche Bezirke). Was kann man tun, um einen Magneten wieder unmagnetisch zu machen? (An den Experimenten Magnetisierlabor und Curiepunkt kannst du verschiedene Methoden kennen lernen.) _______________________________ _______________________________ _______________________________ Manche Magnete (z.B. magnetisierte Stricknadeln) kann man entmagnetisieren, indem man den Magneten sehr stark erschüttert (z.B. mittels Hammerschlag). Nähert man ein derartiges Material einem Magnetfeld, so richten sich die Gruppen alle einheitlich danach aus. Das Material ist nun selbst magnetisch. Bei einem permanentmagnetischen Material, wie Eisen, bestimmten legierten Stählen, Nickel, etc. wird diese Magneteigenschaft dann sehr lange beibehalten. * diese Experimentierstationen befinden sich im Jugendlabor (Öffnungszeiten/Infos siehe Seite 1) Arbeitsblätter MAGNETISMUS Seite 4 Permanentmagnetismus (Forts. „Magnetisierlabor“) Wie sich die Weiss´schen Bezirke unter dem Einfluss eines Magnetfeldes ändern, kannst du sehr gut am Exponat Weiss´sche Bezirke ausprobieren. Magnetische Feldlinien Unter dem Mikroskop kannst du unterschiedlich ausgerichtete Weiss'sche Bezirke in einer dünnen Kristallschicht als helle oder dunkle Flächen sehen. Was beobachtest du, wenn du einen Magneten in die Nähe bringst? _______________________________ _______________________________ _______________________________ Versuche einen kleinen Ausschnitt zu zeichnen! ohne Magnet mit Magnet Für Knobler: Du kennst jetzt den Aufbau eines Magneten. Was meinst du nun? Was passiert, wenn du einen Stabmagneten auseinander brichst? Kreuze die richtige Aussage an! Man erhält einzelne Nord- und Südpole. Man erhält wieder zwei vollständige Magnete mit eigenem Nord- und Südpol. Man kann die Einregelung der Elementarmagnete nicht nur sichtbar machen, sondern auch hörbar! Bei jeder Einregelung wird eine kleine Spannung frei, die über einen Lautsprecher zu einem hörbaren Signal umgewandelt wird. Bei welcher Materialprobe kannst du kein Geräusch wahrnehmen? _______________________________ Kannst du dir vorstellen, warum es nicht funktioniert? _______________________________ _______________________________ _______________________________ Bestimmt ist dir schon aufgefallen, dass ein Magnet auf einen anderen oder auf ein Stück Eisen auch dann schon wirkt, wenn die beiden Teile sich noch nicht berühren. Diesen Wirkungsbereich um einen Magneten herum nennt man Magnetfeld. Man kann das Magnetfeld gut an den folgenden Experimenten erleben und sogar sichtbar machen. Schau dir die kleinen Stahlstifte in dem Acrylgehäuse genauer an, wenn du sie zwischen die beiden Pole, die Hörner bringst. Die Stahlstifte ordnen sich in Reihen an, die, wenn man sie verbinden würde, Linien ergeben, die Feldlinien genannt werden. Wie verlaufen die Feldlinien? _______________________________ _______________________________ _______________________________ Arbeitsblätter MAGNETISMUS Seite 5 Permanentmagnetismus (Forts.) Permanentmagnetische Spielereien Hier kannst du zwei Phänomenen nachgehen: Wie im Experiment Magnetische Feldlinien ordnen sich die „Teilchen“ in dem Magnetfeld zwischen den beiden Polen. Versuche den Verlauf zu beschreiben: _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ Ausserdem kannst du hier untersuchen, wie sich die Eisenplättchen in einem Magnetfeld verhalten. Halte dazu ein Plättchen an einen der Pole und führe dann ein zweites Plättchen ganz nahe an das Erste. Was passiert, wenn du es loslässt? _______________________________ _______________________________ _______________________________ Versuche es noch einmal, ohne einen der Pole mit dem ersten Plättchen zu berühren! Arbeitsblätter MAGNETISMUS Seite 6 Elektromagnetismus Neben den Permanent- oder Dauermagneten gibt es auch eine andere Möglichkeit, ein Magnetfeld zu erzeugen: Elektrischer Strom erzeugt immer auch ein Magnetfeld. Überlege dir, wo überall elektrische Ströme vorkommen und notiere ein paar Beispiele! Während der Strom durch den Leiter fliesst, richten sich die Magnetnadeln der Kompasse nach dem entstehenden Magnetfeld aus. Versuche sie in der Skizze einzuzeichnen. (Es sind nur einzelne von oben gesehene Kompassnadeln). _______________________________ _______________________________ _______________________________ Das einfachste Beispiel eines stromdurchflossenen Leiters ist ein Draht. Das Magnetfeld eines Drahtes unterscheidet sich von dem eines Dauermagneten. Schaue dir dazu die Feldlinien z.B. an beim Experiment Magnetfeldkreise Wie verlaufen hier die Feldlinien? Tipp: Verlängere dazu in Gedanken die Kompassnadeln so, dass die Linien von einer Nadel zur nächsten Nadel verlaufen. _______________________________ _______________________________ Wo beginnen und wo enden diese Linien? _______________________________ _______________________________ In welche Richtung zeigen die roten Enden der Kompassnadeln, wenn der Strom abgeschaltet ist? _______________________________ _______________________________ Vergleiche dies mit den Feldlinien bei Dauermagneten (Seite 3) _______________________________ _______________________________ _______________________________ Was geschieht, wenn du die Richtung des Stroms änderst? _______________________________ Arbeitsblätter MAGNETISMUS Seite 7 Induktion und Wirbelstrom Jeder elektrische Strom erzeugt ein Magnetfeld – aber man kann auch mit einem Magnetfeld und Bewegung ein elektrisches Feld erzeugen. Das nennt man dann Induktion. Ausprobieren kannst du dies am Exponat Generator-Prinzip In diesem Experiment erzeugen die roten Magnete ein starkes magnetisches Feld. Bewegt man die Kupferdrahtspule mit dem Schlitten hin und her, so werden im elektrischen Leiter Ladungen (freie Elektronen) bewegt – ein Strom fliesst. Was musst du tun, damit das Lämpchen möglichst hell leuchtet? _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ Nach dem gleichen Prinzip wird übrigens in Kraftwerken Strom erzeugt und auch dein Velodynamo funktioniert so. Probiere zu diesem Thema auch das Experiment Motor-Prinzip aus. Auch hier handelt es sich um ein Phänomen, bei dem ein starkes Magnetfeld, elektrischer Strom und Bewegung zusammenwirken. Wo musst du mit dem Kabel die Kupferscheibe berühren, damit der „Motor“ läuft? _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ Ein Elektromotor kann oftmals als Generator verwendet werden – mit dem Unterschied, dass bei dem Generator Magnetfeld und Bewegung einen Strom erzeugen und beim Motor Magnetfeld und Strom eine Bewegung bewirken! Magnetfeld + Bewegung Æ Strom Magnetfeld + Strom Æ Bewegung Arbeitsblätter MAGNETISMUS Seite 8 Induktion und Wirbelstrom (Forts.) Wirbelstrom Je langsamer, desto leitender Es gibt magnetische und unmagnetische Materialien. Eisen, Nickel und einige andere sind magnetisch, Holz und Kunststoff nicht. Wie ist es mit Aluminium oder Kupfer? Probiere aus, z. B. am Schwebenden Magneten ob diese Materialien von einem Magneten angezogen werden. Lass die Ringmagnete auf den verschiedenen Stäben nach unten fallen. Bei welchen Stäben fallen sie am langsamsten? Bilde eine Reihenfolge (von stärkster Bremswirkung zu schwächster): Kreuze an: Aluminium und Kupfer werden von einem Magneten angezogen nicht angezogen. Ein bewegtes Magnetfeld kann auf gut leitende Materialien, wie z. B. Aluminium und Kupfer, einen Effekt haben. Magnetfeld und Bewegung können wie beim Generator einen elektrischen Strom erzeugen (Induktion). Jeder elektrische Strom erzeugt aber auch wiederum ein Magnetfeld! Mit dem folgenden Experiment kannst du dieses Phänomen genauer untersuchen. Probiere zu diesem Thema die Experimente Wirbelstrom I und II aus. 1. 2. 3. 4. 5. 6. ___________________________ ___________________________ ___________________________ ___________________________ ___________________________ ___________________________ Je besser ein Material leitet, um so stärker können die darin befindlichen Ladungen von einem bewegten Magnetfeld bewegt werden. Dabei spricht man von Wirbelströmen. Diese Wirbelströme besitzen ihrerseits ein Magnetfeld, das dem Ursprungsmagnetfeld entgegengerichtet ist. Daher stossen sie sich voneinander ab. Dabei wird der Magnetring im Fall gebremst. Dieses Prinzip nutzt man im technischen Bereich an vielen Stellen, z. B. als Wirbelstrombremse bei Lokomotiven oder auch bei der Geschwindigkeitsmessung mit einem Tachometer. Arbeitsblätter MAGNETISMUS Seite 9 Begriffe Barkhausen Effekt Elementarmagnete Bei der Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials richten sich die Weiss´schen Bezirke (siehe dort) parallel und in gleicher Richtung entsprechend des Magnetfelds aus. Dabei wird eine Induktionsspannung erzeugt, die mit Hilfe eines Lautsprechers in akustische Signale umgewandelt werden kann. Das wahrnehmbare Rauschen ist daher ein direkter Hinweis auf die erfolgte Einregelung der Weiss´schen Bezirke. Elementarmagnete sind eine Modellvorstellung für die Beschaffenheit magnetisierbaren (ferromagnetischen) Materials. Atome stellen dabei kleine Dipole dar, die sich parallel zu Bezirken anordnen können (Weiss´sche Bezirke). Bei Einwirkung eines äusseren Magnetfelds richten sich nach und nach alle Dipole einheitlich aus. Curiepunkt Feldlinien sind ein Hilfsmittel, um ein Magnetfeld im Raum darzustellen. Dort, wo die Feldlinien näher zusammenstehen ist das Feld stärker. Am dichtesten sind die Feldlinien beim Austritt aus den Polen. Magnetische Feldlinien sind in sich geschlossen und kreuzen sich niemals. Die parallele Ausrichtung aller Elementarmagnete bzw. der Weiss´schen Bezirke geht (stoffabhängig) oberhalb einer bestimmten Temperatur verloren. Bei Abkühlung unter diese Temperatur bilden sich wieder Weiss'sche Bezirke unterschiedlicher Ausrichtung: Der Ferromagnet ist wieder magnetisierbar. Dauermagnet = Permanentmagnet Dipol Ein Magnet besitzt grundsätzlich zwei (=di) Pole, einen Nord- und einen Südpol. Diese entstehen durch die parallele Ausrichtung der Elementarmagnete, die ihrerseits auch dipolar sind. Trotz jahrelanger Forschung wurde noch kein einzelner Süd- bzw. Nordpol (sog. Monopol) entdeckt. Elektromagnet Ebenso wie Permanentmagnete erzeugt auch ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld. So hat zum Beispiel eine stromdurchflossene Kupferdrahtspule in ihrer Umgebung ein Magnetfeld, das dem eines Stabmagneten entspricht. Feldlinien Ferromagnetisch Als ferromagnetisch bezeichnet man Materialien, die aufgrund ihrer atomaren Gegebenheiten Weiss´sche Bezirke besitzen und die in der Lage sind, nach Wegfall eines äusseren Magnetfeldes ein eigenes Magnetfeld aufrechtzuerhalten. Dieses Magnetfeld kann sehr unterschiedlich stark sein. Materialien, die diese Eigenschaften aufweisen sind zum Beispiel: Eisen, Nickel, Cobalt, einige Lanthanoide und Legierungen aus diesen. Generator Ein Gerät, mit dessen Hilfe elektrischer Strom erzeugt werden kann. Dabei werden ein Magnetfeld und ein elektrischer Leiter (zumeist eine Spule) relativ zueinander bewegt. Dadurch wird im Leiter ein elektrisches Feld induziert. In einem geschlossenen Stromkreis kann dann ein Strom fliessen. Beispiel: Dynamo, Pendelgenerator (Hochspannungsdemonstration). Den ersten Generator erfand W. von Siemens im Jahre 1866. Arbeitsblätter MAGNETISMUS Seite 10 Begriffe (Forts.) Induktion Magnetpol Bewegt man ein Magnetfeld über einen elektrischen Leiter (oder umgekehrt), so wird dort ein elektrisches Feld erzeugt, das auf Ladungen (freie Elektronen) wirkt. Ist der Stromkreis geschlossen, so kann ein Strom fliessen. Endecker dieses Effekts: Michael Faraday, 1831 Weitere Arten der Induktion kann man am Exponat Wie Strom entsteht ausprobieren. Die Bereiche eines Magneten, aus dem die Feldlinien am dichtesten aus (Nord-) bzw. eintreten (Südpol). Lorentzkraft Diese Kraft wirkt auf bewegte Elektronen im Magnetfeld, senkrecht zur Magnetfeldrichtung und zur Bewegungsrichtung der Elektronen (Stromrichtung). Die Richtung der Lorentzkraft ist durch die Rechte-Hand-Regel, oder uvwRegel eindeutig bestimmbar. Permanentmagnet = Dauermagnet Ein Metall- oder eine Metalllegierung, die nach der Magnetisierung die magnetischen Eigenschaften über lange Zeit behält. Diese Eigenschaft findet man bei ferromagnetischen Materialien. Weiss'sche Bezirke 1908 beschrieb WEISS (1865-1940), dass sich die Elementarmagnete (atomare Dipole) bereits in unmagnetisiertem Zustand des Materials in kleinen Bereichen parallel anordnen. Diesen Effekt kann man sichtbar machen mit Hilfe von polarisiertem Licht und einer extrem dünnen Metalloxid Kristallschicht. Entsprechend ihrer Magnetisierungsrichtung können die Bereiche im Mikroskop entweder hell oder dunkel wahrgenommen werden. Bei der Magnetisierung regeln sich alle Bereiche parallel ein und es entsteht ein zunehmend „einfarbigeres“ Bild. Die Lorentzkraft ist die Ursache dafür, dass ein Elektromotor funktioniert: Durch sie kann mit Hilfe eines Magnetfeldes und elektrischem Strom mechanische Arbeit geleistet werden (Bewegung). Magnetfeld Den Wirkungsbereich eines Permanent- oder Elektromagneten nennt man Magnetfeld. Magnetisierung Aufgrund besonderer Verhältnisse in ihrem atomaren Aufbau, lassen sich bestimmte Elemente bzw. deren Legierungen dauerhaft magnetisieren. Siehe auch Ferromagnetisch. Nach dem Wegfall des äusseren Magnetfeldes ist die Stärke des materialeigenen Magnetfeldes höchst unterschiedlich (stoffabhängig). unmagnetisiert magnetisiert Wirbelstrom Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt in einem Leiter einen Stromfluss durch Induktion. In einem ausgedehnten, massigen Leitermaterial, z.B. in einer Aluminium-Scheibe oder einem Kupferklotz, entsteht Wirbelstrom. Bei Drähten („Normalfall“) spricht man von Induktionsstrom, wenn der Draht in sich geschlossen ist und von Induktionsspannung an den Enden eines offenen Stromkreises. Arbeitsblätter MAGNETISMUS Seite 11 Antworten Permanentmagnetismus Formen von Magneten Stabmagnet Hufeisenmagnet Ringmagnet Scheibenmagnet Topfmagnet Magnetische Kopplung Magnete besitzen in jedem Fall einen Nord- und einen Südpol. Bringt man zwei Magnete nahe zusammen, so können sie sich entweder anziehen oder abstossen. Anziehung kommt dann zustande, wenn sich zwei verschiedene Pole begegnen, Abstossung hingegen, wenn zwei gleichartige Pole sich gegenüberstehen. Bei einer „Kette“ von Magneten treffen immer ungleiche Pole aufeinander. Beispiele für Permanentmagnete gibt es sehr viele. Hier ein paar der häufigsten Anwendungen für Permanentmagnete im Alltag: • Verschliessen von Schränke • Verbindungen von Spielzeugeisenbahnwagons • Notizenbefestigung an Whiteboards • Angelspiel • Mikrowellenerzeugung • Büroklammerbox Magnetisierlabor Von Aluminium zu legiertem Stahl nimmt die Eignung, magnetisiert zu werden, erheblich zu. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Aluminium Weicheisen Stahl Nickel Chrom-Vanadium Stahl legierter Stahl Bestimmte Materialien können unter Einfluss eines Magnetfeldes selbst magnetisch werden. Dazu zählen Eisen, Cobalt und Nickel sowie manche Lanthanoide. Selbstverständlich gilt dies auch für Legierungen aus diesen Stoffen. Diese Eigenschaft, die in bestimmten atomaren Gegebenheiten ihren Ursprung hat, nennt man Ferromagnetismus. Andere Materialien, etwa Kupfer oder Aluminium können unter bestimmten Umständen vorübergehend auch ein Magnetfeld produzieren. Diese Materialeigenschaft nennt sich Paramagnetismus. Stoffe, die Magnetfelder verdrängen - man nennt sie diamagnetisch - sind zum Beispiel Bismut und flüssiger Sauerstoff. Wie macht man einen Permanentmagneten unmagnetisch? Ein Stück Eisen wird dadurch magnetisch, dass sich die kleinen, im Stoff vorhandenen, ungeordneten Elementarmagnete nach einem äusseren Magnetfeld ausrichten und diese Eigenschaft auch nach Entzug des äusseren Magnetfelds beibehalten. Diese Strukturen nennt man Weiss´sche Bezirke. Um einen Magneten zu zerstören, muss man diese Weiss´schen Bezirke wieder auflösen, d.h. die Elementarmagnete müssen wieder regellos im Stoff verteilt sein. Eine Möglichkeit, diesen regellosen Zustand wieder herzustellen, besteht darin, den Magneten soweit zu erhitzen, bis die sog. Curietemperatur (stoffabhängig) erreicht ist und die Weiss´schen Bezirke zerstört sind. Siehe Exponat Curiepunkt. Eine andere Möglichkeit ist das Anlegen eines langsam abklingenden Wechselfeldes, siehe Magnetisierlabor. Bei manchen Magneten ist durch mechanische Einwirkung (Hammerschlag) eine Entmagnetisierung zu erreichen. Arbeitsblätter MAGNETISMUS Seite 12 Antworten (Forts.) Weiss´sche Bezirke Bringt man einen Magneten in die Nähe der dünnen Metalloxidschicht, so regeln sich die Weiss´schen Bezirke zunehmend entsprechend des neuen Magnetfeldes ein. Dies wird erkennbar an der Änderung der Lichtpolarisation (Faraday Effekt); die Bereiche werden zunehmend einheitlich weiss oder schwarz. Hörnern nahezu geradlinig verlaufen (von Nord nach Süd). Ansonsten beginnen oder enden Feldlinien nicht. Sie sind in sich geschlossen (siehe auch Magnetfeld-Kreise). Die Anordnung der Metallplättchen bei den Permanentmagnetischen Spielereien entspricht den Feldlinien beim vorhergehenden Exponat. Bei diesem Experiment ist besonders gut zu sehen, dass ein gerade angezogenes Metallplättchen bereits selbst als Magnet funktioniert und seinerseits selbst ein Plättchen anzieht. Mit zunehmender Entfernung von dem Hornmagneten nimmt dieser Effekt jedoch ab. Elektromagnetismus unmagnetisiert magnetisiert Was geschieht nun, wenn man einen Magneten auseinander bricht? Elektrische Ströme und damit auch Magnetfelder sind nahezu überall vorhanden. Einige Beispiele: Computer, Haarfön, Gehirn, Quarzarmbanduhr, Handy, Telefon, Radio, Fernsehen, Lampen, Lift, etc. Magnetfeld-Kreise Dies wird auch klar, wenn man bedenkt, dass der „grosse“ Magnet aus vielen kleinen, parallel ausgerichteten Magneten besteht. Trotz jahrelanger Forschung wurde noch kein einzelner Südbzw. Nordpol (sog. Monopol) entdeckt. Fliesst kein Strom so orientieren sich die Magnetkompassnadeln am erheblich schwächeren Erdmagnetfeld; die roten Enden zeigen also nach Norden. (Sie zeigen Richtung geographischen Nordpol, der allerdings ein magnetischer Südpol ist.) Schaltet man den Strom ein, so ordnen sich die Magnetkompassnadeln entsprechend des neu entstandenen Magnetfelds aus. Barkhausen Effekt Beim Aluminium ist kein Geräusch wahrnehmbar. Aluminium ist nicht ferromagnetisch, besitzt somit auch keine Weiss´schen Bezirke. Daher kann keine Einregelung stattfinden, die Spannung erzeugt à kein akustisches Signal möglich. Magnetische Feldlinien und Permanentmagnetische Spielereien Magnetische Feldlinien sind eine Modellvorstellung, um das Magnetfeld im Raum darzustellen. Sie entsprechen den gedachten Verbindungslinien zwischen Kompassnadeln, die sich dem Magnetfeld entsprechend ausrichten. Gut erkennbar ist beim Experiment Magnetische Feldlinien, dass die Feldlinien zwischen den Die Kompassnadeln beschreiben rund um den Leiter kreisförmige Feldlinien. Dies kann man sich mit der Rechten-Hand-Regel klar machen. Der Daumen der rechten Hand zeigt in Richtung des Stromflusses, die gekrümmten übrigen Finger der rechten Hand zeigen die Richtung der Magnetfeldlinien an. Arbeitsblätter MAGNETISMUS Seite 13 Antworten (Forts.) (Magnetfeld-Kreise): So wird auch klar, dass sich die Kompassnadeln beim Stromrichtungswechsel umkehren. Magnetfeldlinien beginnen nicht an einem bestimmten Ort und enden auch nicht. Wie man an diesem Experiment sehen kann sind Magnetfeldlinien ohne Anfang, d.h. quellenfrei und geschlossen. Dies gilt im Übrigen auch für Dauermagnete. Dort reichen die Magnetfeldlinien vom Nordzum Südpol (reine Konvention) und dann geschlossen wieder zurück. Induktion und Wirbelstrom Generatorprinzip Bewegt man eine Spule im magnetischen Feld (oder auch umgekehrt) so wird in der Spule ein elektrisches Feld induziert; es kann ein Strom fliessen, Ladungen werden bewegt. Dass tatsächlich ein Strom fliesst, erkennt man an dem aufleuchtenden Glühlämpchen des Exponats. Dieses schliesst den Stromkreis durch Verbindung der Enden des Kupferdrahts der Spule. Damit das Lämpchen möglichst hell leuchtet, muss man die Spule möglichst rasch durch das Magnetfeld bewegen. Das kann man sich auch gut veranschaulichen, wenn man an den Velodynamo denkt, der nach dem gleichen Prinzip Strom produziert: Fährt man sehr, sehr langsam ist das Licht der Velolampe sehr schwach und flackert. Mit Zunahme der Geschwindigkeit erhält man ein hell leuchtendes Licht. Motor-Prinzip Fliesst in einem Magnetfeld ein Strom, so wirkt dort eine Kraft (Lorentz-Kraft) und zwar in eine ganz bestimmte Richtung: Entsprechend der Dreifingerregel wirkt an diesem Exponat eine Kraft senkrecht zur Stromrichtung. Damit dies auch wirklich funktioniert, muss man das Kabel direkt unter den Polschuh auf die Barlowscheibe halten. Der Strom kann dann zur Mitte abfliessen. Die Schlitze in der Scheibe zwingen den Strom, den kürzesten Weg zu nehmen. Wirbelstrom Aluminium und Kupfer sind an sich nichtmagnetische Materialien. Sie werden daher nicht von einem Magneten angezogen. Jedoch können in gut leitenden Materialien Wirbelströme entstehen, wenn ein Magnetfeld über sie bewegt wird (Induktion). Dann nämlich werden dort Ladungen bewegt und ein Strom kann fliessen. Dies seinerseits lässt ein neues Magnetfeld entstehen, das nach der Lenz´schen Regel (Dreifingerregel) so geartet ist, das es dem Ursprungsmagnetfeld entgegenwirkt und bremsend wirken kann. Je langsamer, desto leitender Die Ringmagnete gleicher Beschaffenheit bewegen sich über Stäbe unterschiedlich leitfähigen Materials. Der magnetische Ring bleibt haften aufgrund der magnetischen Anziehung. Bei den Übrigen gilt: Je leitfähiger das Material, umso stärker der Wirbelstrom. Dieses seinerseits erzeugt ein Magnetfeld, das dem Ursprungsmagnetfeld entgegengerichtet ist. Entsprechend der Leitfähigkeit ist dieses neue Magnetfeld dann stärker oder schwächer ausgebildet. Daraus ergibt sich folgende Reihenfolge (von starker Bremswirkung zu schwacher): 1. Chromstahl (ist magnetisch, bleibt folglich haften) 2. Kupfer 3. Aluminium voll 4. Aluminiumrohr 5. Messing 6. Chromstahl, unmagnetisch und PVC abmagnetismus.doc/18.2.03/ms
