Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 07.08.19


Magnetismus

Vortrag von Alexander Kraus, Lisa Heinschild & Vanessa Schimpf im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - PC", SS 19


Gliederung:


Einführung 1:

Das Thema „Magnetismus“ soll problemorientiert eingeführt werden. Dazu wird es in eine Geschichte eingebettet:

Es sind Semesterferien. Du unternimmst mit deinen Freunden eine Kanutour nach Schweden. Glücklicherweise habt ihr eine Karte dabei, nach der ihr euch orientieren könnt. Mitten in der Nacht zieht ein Unwetter herauf. Ihr kämpft euch durch die Wellen und landet auf einer einsamen Insel im See. Am nächsten Morgen wollt ihr eure Tour fortsetzen. Aber in welche Richtung? Auf die Sonne ist dank der Wolkenwand kein Verlass.
Was tun? Du stellst dich grübelnd hin und steckst die Hände in die Hosentaschen.
„Aua“, eine Nähnadel hat dich in den Finger gepiekst. „Nadel?!“, wie wäre es mit einer Kompassnadel?
Du holst als Chemiker deine Petrischale aus der Tasche, füllst sie mit Wasser und legst die Nadel schwimmend darauf, was sich leider als Fehlversuch entpuppt.
Doch auf deinen Beifahrer ist Verlass: Er geht als Physikstudent glücklicherweise nie ohne Magnet aus dem Haus... Und die Weiterfahrt ist gerettet!

Experiment Bau einer Kompassnadel
Material
  • Petrischale
  • Nähnadel
  • Magnet
  • Wasser
  • abgeschnittener Korkboden
Durchführung Die Petrischale wird mit Wasser befüllt und der abgeschnittene Korkboden auf die Wasseroberfläche gesetzt. Die Nähnadel wird einmal ohne vorherigen Kontakt mit einem Magneten auf den Korkboden gesetzt und ein zweites Mal, nachdem die Nadel den Magneten berührt hat. Die Petrischale wird jeweils gedreht.
Beobachtung Beim ersten Durchgang (ohne Kontakt mit dem Magneten) bewegt sich die Nadel mit. Beim zweiten Durchgang (nach Kontakt mit dem Magneten) ist das Einwirken einer Kraft auf die Nadel erkennbar: Sie zeigt trotz Bewegen immer in die gleiche Richtung.


Abb. 1: Versuchsaufbau zur Kompassnadel

Ziel: Verständnis von magnetischen Eigenschaften. Hierbei wird auf folgende Aspekte eingegangen:

  1. Ausrichtung der Kompassnadel
  2. Beeinflussung der Ausrichtung der Kompassnadel durch physikalische Kräfte

Einführung 2:

Magnete faszinieren seit Tausenden von Jahre die Welt. Die Erkenntnis, dass sich Splitter von Magneteisenstein in Nord-Süd-Richtung drehen, war in Europa seit der griechischen Antike bekannt. Auch die Chinesen machten sich bereits vor über 2000 Jahren die magnetischen Eigenschaften des Magneteisensteins zu Nutze. Ein solcher schwarze, temperaturbeständige Stein, auch Magnetit genannt, ist ein oxidisches Erz, welches über 70% Eisen enthält. Der Magneteisenstein wurde ab dem 11. Jahrhundert von den chinesischen Seefahrern zur Herstellung von Richtungsweisern, den sogenannten Südweisern, verwendet. Der Südweiser richtete sich, wie sein Name schon sagt, immer nach Süden aus. Auch in Europa gab es 100 Jahre später den `nassen Kompass´. Dies war eine magnetisierte schwimmende Nadel wurde von den Seefahrern zur Orientierung und Richtungsweisung bei Nebel auf hoher See verwendet. Im folgenden Vortrag wird nun geklärt, welches Phänomen für die Ausrichtung der Kompassnadeln verantwortlich ist und was Magnete auszeichnet.


1 Ursprung des Erdmagnetfeldes

Schon seit dem Mittelalter war bekannt, dass sich frei bewegliche Magnetnadeln auf der Erde in Nord-Süd-Richtung ausrichten. Die Navigation wurde mit der Erfindung des Kompasses erheblich erleichtert. Grund für die Ausrichtung der Nadel ist ein Magnetfeld.

Jede sich bewegende Ladung verursacht ein magnetisches Feld. Da im Erdkern die Curie-Temperatur der  Minerale überschritten wird, können keine Festkörper das Erdmagnetfeld erzeugen. Der feste innere Erkern kann also nicht der Ursprung des Erdmagnetfeldes sein. Damit das Erdmagnetfeld entstehen kann, braucht man eine große Menge einer elektrisch leitenden Flüssigkeit. Dies ist im flüssigen äußeren Erdkern gegeben, der unter anderem aus eisenhaltigen Verbindungen besteht. Durch die dort herrschenden Strömungen wird Materie und somit auch Ladung transportiert. Daraus resultiert das Erdmagnetfeld.


Abb. 2: Der Schalenbau der Erde [1]


2 Magnetische Feldlinien

2.1 Feldlinien eines Permanentmagneten

Zur Frage: Warum dreht sich die Nadel?

Auf der Erde entstehen durch das Erdmagnetfeld magnetische Kräfte. Diese Kräfte werden durch Feldlinien veranschaulicht, die über folgende Eigenschaften definiert sind:

  • Feldlinien sind immer in sich geschlossen
  • Feldlinien verlaufen vom Nord- zum Südpol und geben dabei die Kraftwirkung an, die ein Nordpol erfährt.
  • Feldlinien schneiden sich nicht. Damit ist die Kraftwirkung auf einen Nordpol eindeutig.
  • Umso höher die Feldliniendichte ist, desto stärker ist das Magnetfeld.
Experiment Visualisierung von Feldlinien
Material
  • Deckel eines Marmeladenglases
  • Speiseöl
  • Eisenspäne
  • Stabmagnet
Durchführung Eisenspäne und Speiseöl werden in den Deckel des Marmeladenglases gegeben. Durch Bewegung werden die Eisenspäne gleichmäßig verteilt. Der Magnet wird von der Unterseite an den Deckel bewegt.
Beobachtung Die Eisenspäne ordnen sich in Mustern (s. Abb. 2) an.
Interpretation Die Eisenspäne sind kleine Magneten, die sich im Magnetfeld anlagern. Sie visualisieren so die Feldlinien, die den Magneten umgeben. Über die Eisenspandichte lassen sich demnach Rückschlüsse auf die Stärke des Magnetfeldes ziehen.

 
Abb. 3: Feldlinienversuch: Eisenspäne in Öl [2] Abb. 4: Feldlinien eines Permanentmagneten [geändert nach 3]

2.2 Feldlinien eines stromdurchflossenen Leiters

 

In der Umgebung jedes stromdurchflossenen Leiters befindet sich ein Magnetfeld. Die Feldlinien sind konzentrische Kreise, die senkrecht zum Leiter verlaufen.

Rechte-Hand-Regel: Denkt man sich den stromdurchflossenen Leiter mit der rechten Hand umfasst, dass der abgespreizte Daumen in die technische Stromrichtung (vom Plus- zum Minuspol) zeigt, dann geben die übrigen Finger den Verlauf der Feldlinien an.

Abb. 5: Versuchsaufbau zum stromdurchflossenen Leiters  

Versuchsbeschreibung: Auf einem Tageslichtprojektor wird eine Glasplatte befestigt. Durch ein Loch in der Glasplatte wird ein dicker Eisendraht geführt und mit einer Stromquelle verbunden. Wenn Strom durch den Eisendraht fließt, ordnen sich die Magnetnadeln auf der Glasplatte nach der Rechten-Hand-Regel an.

2.3 Feldlinien einer stromdurchflossenen Spule

 

Wenn ein Leiter zu einer kreisförmigen Schleife gedreht wird und mehrere dieser Schleifen hintereinander angeordnet sind, entsteht eine Spule. Bei Stromfluss entsteht ein Magnetfeld, das nach außen mit dem eines Dauermagneten übereinstimmt, im Inneren jedoch weitgehend homogen ist.

Merkregel für das Magnetfeld: Schaut man auf ein Spulenende und wird dieses im Uhrzeigersinn von Strom durchflossen (technische Stromrichtung), ist dort der Südpol.

Abb. 6: Feldlinien einer stromdurchflossenen Spule  

3 Magnetische Feldstärke und Flussdichte

Wie kann man die Stärke eines magnetischen Feldes bestimmen? Dazu ein Gedankenexperiment: Mit Hilfe eines Magnetometers wird die Stärke des Magnetfeldes im inneren einer Spule gemessen. Folgende Versuche werden durchgeführt:

  • Man verstärkt die Stromstärke I des Spulenstromes.
    Man findet: Stärke des Magnetfeldes ~ I
  • Man ändert die Zahl der Windungen N der Spule.
    Man findet: Stärke des Magnetfeldes ~ N
  • Man ändert die Spulenlänge l.
    Man findet: Stärke des Magnetfeldes ~ 1/l

Daraus ergibt sich die Formel für die magnetische Feldstärke H:

 

Für die Stärke des Magnetfeldes wird meist die Größe der Magnetischen Flussdichte herangezogen:

 

T=Tesla; μ = magnetische Permeabilität

Beispiele für Größen der Flussdichte:

Erdmagnetfeld: 50. Breitengrad 0,000048 T, am Äquator 0,000031 T (rund 1% eines Hufeisenmagneten}, NMR- Gerät (mit Supraleitung): bis zu 21T.


4 Magnetisches Moment

Zur Frage: Welche physikalischen Kräfte stecken hinter dem Drehen?

Das magnetische Moment ist Maß für die Stärke des Dipols. Man kann eine Analogie zum Drehmoment (M = F x a, F: angreifende Kraft, a: Hebelarm) feststellen. Beim Magneten entspricht die angreifende Kraft der Polstärke und der Hebelarm der Länge des Magneten. Folglich ist das magnetische Moment definiert als das Produkt aus Polstärke und Länge des Magneten. Man kann das magnetische Moment m über die ebene Leiterschleife messen.


Abb. 7: Ebene Leiterschleife

Die Formel dafür lässt sich mit Hilfe der Drei-Finger-Regel herleiten. Es ergibt sich: m = I x A.


5 Körper im Magnetfeld

Zur Frage: Warum dreht sich nicht jede Nadel?

Zur Beantwortung dieser Frage muss geklärt werden, welche Eigenschaften einen magnetischen Körper kennzeichnen. In einem homogenen Magnetfeld gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten, wie der Körper auf die Feldlinien einwirkt: Sie können auseinandergedrängt oder verdichtet werden (s. Abb. 8).


Abb. 8: Körper im magnetischen Feld

Magnetismus wird grundsätzlich in drei Gruppen eingeteilt:

  1. Diamagnetismus: Diamagnetisch sind Stoffe ohne ungepaarte Elektronen wie beispielsweise Kohlenstoff. Im Inneren des Körpers wird der Lenzschen Regel entsprechend ein Magnetfeld induziert, das dem äußeren Magnetfeld entgegengerichtet ist. Die Feldlinien im Körper heben sich teilweise gegenseitig auf.
  2. Paramagnetismus: Paramagnetisch sind Stoffe, die ein ungepaartes Elektron und damit ein permanentes magnetisches Moment nach außen besitzen wie beispielsweise Acta- und Lanthanoide. Hier kommt es zu einer gleichgerichteten Anordnung zum äußeren Magnetfeld.
  3. Ferromagnetismus: Zu den ferromagnetischen Stoffen gehörten beispielsweise Eisen und Nickel. Sie kennzeichnet, dass sich ihre magnetischen Momente in mikroskopisch kleinen Domänen in der Größe von 10 µm bis 1 mm ( = Weiß`scher Bezirk) spontan parallel ausrichten (s. Abb. 5). Bei Ferromagneten ist eine permanente Magnetisierung durch Anlegen eines äußeren Feldes möglich.

 
Weiß'sche Bezirke sind regellos angeordnet
Folge: Kristall nach außen unmagnetisch
Weiß'sche Bezirke sind ausgerichtet
Folge: Kristall ist nach außen magnetisch

Abb. 9: Weiß`sche Bezirke [geändert nach 4]


6 Anwendungsbeispiel

Wie beschrieben ist das Erdmagnetfeld auf sich bewegende Flüssigkeiten im Erdinneren zurückzuführen. Die Materieströmungen können sich allerdings auch ändern und sogar umkehren. Eine Änderung der Position der magnetischen Pole auf der Erde ist die Folge. Wissenschaftler machen sich dieses Phänomen zu Nutze, um das Alter von Gesteinen oder Sedimenten auf der Erde zu bestimmen. Die Päläomagnetismus genannte Altersbestimmung beruht darauf, dass Gesteine im Moment der Entstehung eine Magnetisierung tangential zu den Feldlinien annehmen.

Konkret entnimmt man Gesteinsproben so, dass die Richtung der Einlagerung bekannt bleibt. Im Labor kann man die Richtung der magnetischen Flussdichte messen und mit der Richtung des Erdmagnetfeldes in der Vergangenheit vergleichen. So kann man letztendlich das Alter der Proben ermitteln.


Zusammenfassung:

  • Feldlinen stellen die Kraftwirkung auf einen Nordpol graphisch dar. Sie verlaufen vom Nord- zum Südpol.

  • Der Kraftbetrag wird durch das magnetische Moment angegeben.

  • Es gibt drei große Klassen von Magnetismus: Dia-, Para- und Ferromagnetismus, die das Verhalten von Feldlinien eines Körpers in einem angelegten Feld beschreiben.

Abschluss 2: Heutzutage werden Magnete flexibel im Alltag eingesetzt: In Kreiselkompassen sowie Navigationsgeräten werden sie immer noch zur Bestimmung von Richtungen verwendet. Magnetische Materialien sind zudem in der Datenaufzeichnung sowie in der Audio- und Videotechnik in Gebrauch, vor allem als Beschichtungen von Ton-, Video- oder Magnetbändern. Darüber hinaus basiert das Funktionsprinzip vieler Lautsprecher auf der magnetischen Wirkung einer stromdurchflossenen Spule. Auch im medizinischen Bereich gibt es viele Anwendungsmöglichkeiten für Magneten, beispielsweise die Magnetresonanztomografie, bei der dreidimensionale Bilder vom Körperinneren erzeugt werden. Als letztes ein Beispiel aus der Forschung: In den großen Beschleunigeranlagen (z.B. im CERN bei Genf) lenken stromdurchflossene Spulen als starke Elektromagnete die Teilchenstrahlen in die gewünschten Bahnen.


Literatur:

  1. http://www.vulkane.net/lernwelten/schueler/aktiv5.html (02.08.2019)
  2. https://physik.wissenstexte.de/magnetismus.htm (05.08.2019)
  3. https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/permanentmagnetismus/grundwissen/magnetfeld-und-feldlinien (03.08.2019)
  4. https://www.grund-wissen.de/physik/elektrizitaet-und-magnetismus/magnetismus.html (02.08.2019)
  5. Moore, W. J., Hummel, D.O., Physikalische Chemie, DeGruyter, 1976
  6. Holleman, A. F., Wiberg, N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 81.- 90. Auflage, DeGruyter, 1976
  7. http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetische_Feldst%C3%A4rke (18.11.08)
  8. Neumüller,O.-A., Taschen-Lexikon der Chemie, ihrer Randgebiete und Hilfswissenschaften, Band 2 M-Z, Basis-Römpp, 1977
  9. Die Sendung mit der Maus, Magnetherstellung, ZDF, 2008
  10. https://www.grund-wissen.de/physik/elektrizitaet-und-magnetismus/magnetismus.html (16.07.2019)
  11. Hagmann, G., Grundlagen der Elektrotechnik, 12. Auflage, Aula, 2006
  12. Hammer, K., Grundkurs der Physik – Teil 2, 1. Auflage, Oldenbourg,1975

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 07.08.19