Magnetfeld der Erde und Kompass

Einstieg

Seeleute haben sich vor mehr als 800 Jahren auf dem offenen Meer mit einer kleinen magnetisierten Nadel orientiert. Auch heute steckt in jedem Wanderkompass so eine Nadel. Warum zeigt sie immer nach Norden, egal wo du stehst? Die Antwort hat mit dem Raum um einen Magneten zu tun und damit, dass die Erde selbst wie ein riesiger Magnet wirkt.

Erklärung

Das Magnetfeld

Ein Magnet wirkt auch auf Dinge, die ihn nicht berühren. Den Raum um einen Magneten, in dem er Kräfte auf Eisen und auf andere Magnete ausübt, nennt man Magnetfeld.

Ein Magnetfeld kann man nicht sehen, aber sichtbar machen:

1. Leg eine Glasplatte oder ein festes Blatt Papier auf einen Stabmagneten.
2. Streue dünn Eisenfeilspäne darauf und klopfe leicht auf die Platte.
3. Die Späne ordnen sich zu Linien. Jeder Span wird im Feld selbst ein kleiner Magnet und richtet sich aus.

Diese Linien heißen Feldlinien. Für sie gilt:

• Sie verlaufen außerhalb des Magneten vom Nordpol zum Südpol. Diese Richtung ist so vereinbart.
• An den Polen liegen sie dicht beieinander. Dort ist das Feld am stärksten.
• Feldlinien kreuzen sich nie.

Statt Eisenfeilspänen kannst du auch viele kleine Kompasse um den Magneten legen. Jede Nadel zeigt die Richtung der Feldlinie an ihrem Ort.

Die Erde als Magnet

Auch die Erde hat ein Magnetfeld. Sie wirkt so, als steckte ein großer Stabmagnet in ihrem Inneren. Daraus folgt etwas, das viele zuerst verwirrt:

• Der Nordpol einer Kompassnadel zeigt nach Norden. Ungleichnamige Pole ziehen sich an.
• Also liegt in der Nähe des geografischen Nordpols ein magnetischer Südpol.
• Entsprechend liegt in der Nähe des geografischen Südpols ein magnetischer Nordpol.

Die magnetischen Pole liegen nicht genau an den geografischen Polen, und sie wandern langsam. In Deutschland ist der Unterschied klein. Für eine Wanderung reicht der Kompass ohne Korrektur.

Aufbau und Wirkungsweise eines Kompasses

Ein Kompass besteht aus:

• einer Magnetnadel aus magnetisiertem Stahl, deren Nordpol meist rot markiert ist,
• einer Spitze, auf der die Nadel fast ohne Reibung drehbar gelagert ist,
• einem Gehäuse mit einer Skala der Himmelsrichtungen (N, O, S, W).

So benutzt du ihn: Halte den Kompass waagerecht und ruhig. Drehe das Gehäuse, bis die Markierung N unter dem roten Ende der Nadel liegt. Jetzt kannst du alle Himmelsrichtungen ablesen.

Störungen: Eisen und Magnete in der Nähe lenken die Nadel ab, zum Beispiel ein Schlüsselbund, ein Smartphone-Lautsprecher oder ein Brückengeländer aus Stahl.

Beispiele

Beispiel 1: Feldlinien eines Hufeisenmagneten

Zwischen den beiden Schenkeln eines Hufeisenmagneten liegen die Feldlinien fast parallel und gleich dicht. Dort ist das Feld stark und hat überall ungefähr dieselbe Richtung. Darum hält ein Hufeisenmagnet ein Eisenstück zwischen seinen Polen besonders fest.

Beispiel 2: Ein Kompass aus dem Küchenschrank

Magnetisiere eine Nähnadel, indem du mit einem Pol eines Magneten etwa 20-mal in dieselbe Richtung darüberstreichst. Lege die Nadel auf ein Stück Korken, das in einer Schale mit Wasser schwimmt. Nach kurzer Zeit dreht sich die Nadel in die Nord-Süd-Richtung. Die Schale darf nicht aus Eisen sein, und kein Magnet darf in der Nähe liegen.

Beispiel 3: Ein falscher Schluss

Ben sagt: „Die Kompassnadel zeigt zum Nordpol der Erde. Also ist dort ein magnetischer Nordpol.“ Der Schluss ist falsch. Zwei Nordpole würden sich abstoßen. Weil der Nordpol der Nadel angezogen wird, muss dort ein magnetischer Südpol sein.

Merksatz

Der Raum um einen Magneten, in dem er Kräfte ausübt, heißt Magnetfeld. Feldlinien machen es sichtbar, sie verlaufen außen vom Nord- zum Südpol. Die Erde hat ein Magnetfeld. Nahe dem geografischen Nordpol liegt ein magnetischer Südpol. Darum zeigt der Nordpol einer Kompassnadel nach Norden.

Übungen

Grundlagen

1. Beschreibe, wie man das Magnetfeld eines Stabmagneten sichtbar machen kann.
2. Gib an, wo die Feldlinien eines Stabmagneten am dichtesten liegen und was das bedeutet.
3. Nenne die drei wichtigsten Bauteile eines Kompasses.

Weiter

4. Erkläre, warum in der Nähe des geografischen Nordpols ein magnetischer Südpol liegen muss.
5. Lisa legt ihren Kompass auf den Tisch, neben ihr Federmäppchen mit einer Stahlschere. Die Nadel zeigt eine falsche Richtung. Erkläre und nenne eine Abhilfe.
6. Zeichne einen Stabmagneten und vier kleine Kompasse um ihn herum. Trage ein, wohin jeweils der Nordpol der Nadel zeigt.

Knobeln

7. Eine Forscherin steht genau am magnetischen Pol in der Arktis. Wie verhält sich dort eine gewöhnliche Kompassnadel, die sich nur waagerecht drehen kann? Begründe mit dem Verlauf der Feldlinien.
8. Wie würde sich eine Kompassnadel verhalten, wenn die Erde kein Magnetfeld hätte und kein anderer Magnet in der Nähe wäre?

Lösungen

1. Eine Glasplatte oder ein Blatt Papier auf den Magneten legen, Eisenfeilspäne darauf streuen und leicht klopfen. Die Späne ordnen sich entlang der Feldlinien. Alternativ viele kleine Kompasse um den Magneten legen.
2. An den Polen. Dort ist das Magnetfeld am stärksten.
3. Magnetnadel, drehbare Lagerung auf einer Spitze, Gehäuse mit Skala der Himmelsrichtungen.
4. Der Nordpol der Kompassnadel wird nach Norden gezogen. Anziehen können sich nur ungleichnamige Pole. Also muss im Norden ein magnetischer Südpol liegen.
5. Die Schere ist aus Stahl. Sie wird im Feld der Nadel magnetisiert und zieht die Nadel an. Abhilfe: Eisen- und Stahlgegenstände sowie Magnete vom Kompass entfernen.
6. Der Nordpol jeder Nadel zeigt in Richtung der Feldlinie an ihrem Ort. Vor dem Nordpol des Magneten zeigt er vom Magneten weg. Vor dem Südpol zeigt er zum Magneten hin. Neben der Mitte liegt die Nadel parallel zum Magneten, ihr Nordpol zeigt zur Seite des Südpols.
7. Dort verlaufen die Feldlinien fast senkrecht in den Boden. Die Nadel kann sich nur waagerecht drehen und erfährt kaum eine Kraft in waagerechter Richtung. Sie zeigt keine sichere Richtung an, sie bleibt in irgendeiner Lage stehen.
8. Sie würde in keine bestimmte Richtung zeigen und in jeder Lage stehen bleiben, in die man sie dreht.