Einstieg
Streiche mit dem Nordpol eines Magneten zehnmal in dieselbe Richtung über eine Stricknadel aus Stahl. Danach zieht die Nadel selbst Büroklammern an. Lässt du die Nadel ein paar Mal kräftig auf den Boden fallen, ist die Wirkung schwächer. Wie kann ein Stück Stahl zum Magneten werden und es wieder verlieren? In das Innere des Stahls kann man nicht hineinsehen. Physikerinnen und Physiker helfen sich in solchen Fällen mit einem Modell.
Erklärung
Was ein Modell ist
Ein Modell ist eine vereinfachte Vorstellung, mit der man Beobachtungen erklären und neue Beobachtungen vorhersagen kann. Ein Modell ist kein Foto der Wirklichkeit. Es ist gut, solange es zu den Versuchen passt.
Das Modell der Elementarmagnete
Man stellt sich vor:
- Ein Stoff wie Eisen, Nickel oder Cobalt besteht aus sehr vielen, winzig kleinen Magneten. Sie heißen Elementarmagnete. Jeder hat einen Nordpol und einen Südpol.
- In einem unmagnetisierten Eisenstück zeigen die Elementarmagnete in alle möglichen Richtungen durcheinander. Ihre Wirkungen heben sich nach außen gegenseitig auf.
- In einem magnetisierten Eisenstück zeigen die Elementarmagnete alle in dieselbe Richtung. Ihre Wirkungen addieren sich. An einem Ende liegen alle Nordpole außen, am anderen alle Südpole.
Was das Modell erklärt
Magnetisieren: Streicht man mit einem Magnetpol immer in dieselbe Richtung über einen Stahlstab, dreht er die Elementarmagnete nach und nach in eine Richtung. Der Stab wird zum Magneten.
Entmagnetisieren: Starke Erschütterungen (Schläge, Fallenlassen) und starkes Erhitzen bringen die Elementarmagnete wieder durcheinander. Eisen verliert seine magnetische Wirkung vollständig, wenn es auf etwa 770 °C erhitzt wird. Es glüht dann schon deutlich rot.
Bruchstücke: Bricht man einen Magneten durch, sind die Elementarmagnete in jedem Stück weiter geordnet. Deshalb hat jedes Bruchstück wieder einen Nord- und einen Südpol.
Eisen wird angezogen: Kommt ein Magnet in die Nähe eines Eisennagels, richten sich die Elementarmagnete im Nagel aus. Dem Nordpol des Magneten wendet der Nagel dann einen Südpol zu. Ungleichnamige Pole ziehen sich an. Darum zieht jeder Pol Eisen an.
Weicheisen und Stahl
Nicht jedes Material behält seine Ordnung gleich gut.
| Material | magnetisieren | Ordnung bleibt erhalten? | Verwendung |
|---|---|---|---|
| Weicheisen (fast reines Eisen) | sehr leicht | nein, sie geht schnell verloren | Kern von Elektromagneten |
| Stahl | etwas schwerer | ja, lange | Dauermagnete, Kompassnadeln |
Ein Magnet, der seine Wirkung lange behält, heißt Dauermagnet.
Grenzen des Modells
Elementarmagnete sind ein Bild in unserem Kopf. Unter dem Mikroskop sieht man keine kleinen Stabmagnete. Das Modell sagt auch nicht, warum Kupfer oder Aluminium nicht magnetisch werden. Für die Versuche in diesem Kurs reicht es aber aus.
Beispiele
Beispiel 1: Die magnetische Kette
Ein Nagel hängt an einem Magneten. An den Nagel hängt man einen zweiten, an diesen einen dritten. Erklärung im Modell: Der Magnet ordnet die Elementarmagnete im ersten Nagel, der dadurch selbst zum Magneten wird. Dieser ordnet die Elementarmagnete im zweiten Nagel, und so weiter. Nimmt man den ersten Nagel vom Magneten ab, fällt die Kette meist auseinander: Die Nägel sind aus Weicheisen und verlieren ihre Ordnung schnell.
Beispiel 2: Die Stricknadel im Reagenzglas
Man füllt ein Reagenzglas mit Eisenfeilspänen, verschließt es und streicht mehrmals mit einem Magneten in einer Richtung darüber. Das Glas wirkt danach wie ein schwacher Magnet. Schüttelt man es, ist die Wirkung weg. Die Feilspäne verhalten sich hier wie große, sichtbare Elementarmagnete: Erst werden sie geordnet, durch das Schütteln geraten sie wieder durcheinander. Dieser Versuch macht das Modell anschaulich.
Merksatz
Im Modell besteht ein magnetischer Stoff aus vielen Elementarmagneten. Sind sie ungeordnet, wirkt der Körper nicht als Magnet. Sind sie in eine Richtung geordnet, ist der Körper magnetisiert. Durch Streichen mit einem Magneten werden sie geordnet, durch Erschütterung oder starkes Erhitzen wieder ungeordnet.
Übungen
Grundlagen
- Beschreibe mit dem Modell der Elementarmagnete den Unterschied zwischen einem unmagnetisierten und einem magnetisierten Eisennagel.
- Nenne zwei Möglichkeiten, einen Magneten zu entmagnetisieren.
- Erkläre, warum man beim Magnetisieren immer in dieselbe Richtung streichen muss.
Weiter
- Erkläre mit dem Modell, warum ein Magnet einen Eisennagel sowohl mit dem Nordpol als auch mit dem Südpol anzieht.
- Kompassnadeln werden aus Stahl hergestellt, der Kern eines Elektromagneten aus Weicheisen. Begründe beide Entscheidungen.
- Tom streicht über eine Nadel abwechselnd hin und her. Danach ist die Nadel kaum magnetisch. Erkläre.
Knobeln
- Ein Magnet ist in viele kleine Stücke zerbrochen. Erkläre mit dem Modell, warum man aus allen Stücken zusammen keinen Magneten mit nur einem Nordpol bauen kann.
- Nenne eine Beobachtung, die das Modell der Elementarmagnete nicht erklärt.
Lösungen
- Im unmagnetisierten Nagel zeigen die Elementarmagnete ungeordnet in alle Richtungen, ihre Wirkungen heben sich auf. Im magnetisierten Nagel zeigen alle in dieselbe Richtung, ihre Wirkungen addieren sich.
- Kräftig erschüttern (zum Beispiel mehrmals fallen lassen oder darauf schlagen) und stark erhitzen.
- Jeder Strich dreht die Elementarmagnete in Strichrichtung. Streicht man zurück, dreht man sie wieder in die andere Richtung, und die Ordnung geht verloren.
- In der Nähe eines Pols richten sich die Elementarmagnete im Nagel so aus, dass der Nagel dem Pol einen ungleichnamigen Pol zuwendet: einem Nordpol einen Südpol, einem Südpol einen Nordpol. Ungleichnamige Pole ziehen sich an.
- Stahl behält die Ordnung der Elementarmagnete lange, die Kompassnadel bleibt dauerhaft magnetisch. Weicheisen lässt sich leicht magnetisieren, verliert die Ordnung aber schnell wieder. Ein Elektromagnet soll beim Ausschalten seine Wirkung verlieren, deshalb Weicheisen.
- Durch das Hin- und Herstreichen werden die Elementarmagnete abwechselnd in beide Richtungen gedreht. Es entsteht keine einheitliche Ordnung.
- In jedem Stück sind die Elementarmagnete geordnet, jedes Stück hat einen Nord- und einen Südpol. Setzt man die Stücke zusammen, liegt jedem Nordpol innen ein Südpol gegenüber. Außen bleiben wieder ein Nord- und ein Südpol übrig.
- Zum Beispiel: Das Modell erklärt nicht, warum Kupfer, Aluminium oder Holz nicht magnetisch werden. Es erklärt auch nicht, woraus ein Elementarmagnet selbst besteht.