Magnete und Magnetfelder einfach erklärt: Grundlagen & Pole

Stell dir vor, du hättest die Superkraft, Dinge zu bewegen, ohne sie zu berühren! Genau das können Magnete. Sie ziehen bestimmte Gegenstände wie von Zauberhand an. In diesem Artikel zum Thema Magnete und Magnetfelder entdecken wir das Geheimnis dieser unsichtbaren Kraft. Wir schauen uns an, wie Magnete im Inneren aussehen, warum unsere Erde ein riesiger Magnet ist und wie man mit Strom sogar eigene Magnete bauen kann, die man ein- und ausschalten kann!

Vorwissen

• Elektrischer Stromkreis: Strom fließt nur in einem geschlossenen Kreis von der Stromquelle durch Kabel und Geräte zurück zur Quelle.

  Beispiel: Eine Glühlampe leuchtet nur, wenn der Schalter geschlossen ist.

• Kräfte: Eine Kraft ist ein unsichtbarer Zug oder Druck, der Dinge bewegen kann.

  Beispiel: Wenn du einen Ball wirfst, übst du eine Kraft aus.

Aufgabentyp 1: Eigenschaften von Magneten

Magnete gibt es in verschiedenen Formen. Die bekanntesten sind der Stabmagnet (wie ein Riegel), der Hufeisenmagnet (gebogen wie ein U) und die Magnetnadel (wie in einem Kompass).

Magnete ziehen nicht alles an! Sie wirken nur auf sogenannte ferromagnetische Stoffe. Das sind genau drei Metalle: Eisen, Cobalt und Nickel. Plastik, Holz oder auch andere Metalle wie Aluminium oder Gold lassen den Magneten völlig kalt.

Jeder Magnet hat zwei Enden, die man Pole nennt: einen Nordpol und einen Südpol. Wenn du zwei Magnete aneinanderhältst, gibt es eine wichtige Regel:

• Ungleiche Pole (Nord und Süd) ziehen sich stark an.

• Gleiche Pole (Nord und Nord, oder Süd und Süd) stoßen sich ab.

Wenn du einen Magneten an einem Faden frei aufhängst, dreht er sich von ganz allein, bis sein Nordpol in Richtung des geografischen Nordens zeigt.

Aufgabentyp 2: Das Modell der Elementarmagnete

Was passiert, wenn du einen Stabmagneten in der Mitte durchbrichst? Bekommst du dann einen einzelnen Nordpol und einen einzelnen Südpol? Nein! Es entstehen einfach zwei neue, kleinere Magnete, die wieder beide Pole haben.

Um das zu verstehen, nutzen Physiker das Modell der Elementarmagnete. Wir stellen uns vor, dass im Inneren eines jeden ferromagnetischen Materials (wie Eisen) winzig kleine Magnete stecken.

In einem normalen Stück Eisen zeigen diese winzigen Magnete kreuz und quer in alle Richtungen. Ihre Kräfte heben sich gegenseitig auf. In einem echten Magneten sind aber alle diese winzigen Elementarmagnete in die gleiche Richtung ausgerichtet! Weil sie alle zusammenarbeiten, wird das ganze Stück Eisen zu einem starken Magneten.

Aufgabentyp 3: Magnetisieren und Entmagnetisieren

Du kannst aus einem normalen Eisennagel selbst einen Magneten machen! Das nennt man Magnetisieren.

Dazu nimmst du einen starken Dauermagneten und streichst damit immer wieder in die gleiche Richtung über den Nagel. Der Dauermagnet zieht die winzigen Elementarmagnete im Nagel an und zwingt sie, sich alle in eine Richtung auszurichten.

Man kann diese Ordnung aber auch wieder zerstören (Entmagnetisieren). Wenn du den magnetisierten Nagel fest auf den Boden wirfst (Erschütterung) oder ihn stark erhitzt, werden die Elementarmagnete im Inneren durchgeschüttelt. Sie zeigen danach wieder kreuz und quer, und die magnetische Kraft ist verschwunden.

Aufgabentyp 4: Magnetfelder und Feldlinien

Die Kraft eines Magneten wirkt auch durch die Luft, ohne dass er einen Gegenstand berührt. Den unsichtbaren Bereich um den Magneten herum, in dem seine Kraft wirkt, nennen wir Magnetfeld.

Wir können dieses unsichtbare Feld sichtbar machen! Wenn man feine Eisenfeilspäne um einen Magneten streut, ordnen sie sich in bestimmten Linien an. Diese Linien nennen wir Feldlinien.

Um das Magnetfeld zu zeichnen, malen wir gekrümmte Linien um den Magneten. Eine wichtige Regel dabei: Die Feldlinien verlaufen außerhalb des Magneten immer vom Nordpol zum Südpol. Sie zeigen uns, in welche Richtung die magnetische Kraft wirkt.

Experiment: Das unsichtbare Feld sichtbar machen

Zweck: Wir machen das unsichtbare Magnetfeld eines Stabmagneten mit Eisenfeilspänen sichtbar.

Materialien: Ein Stabmagnet, ein Blatt Papier, Eisenfeilspäne.

Durchführung:

1. Lege den Stabmagneten flach auf den Tisch.

2. Lege das Blatt Papier direkt über den Magneten.

3. Streue die Eisenfeilspäne vorsichtig und gleichmäßig auf das Papier.

4. Klopfe ganz leicht mit dem Finger auf das Papier.

Beobachtung: Die Eisenfeilspäne bewegen sich wie von Geisterhand und ordnen sich in schönen, gebogenen Linien an, die von einem Ende des Magneten zum anderen verlaufen.

Erklärung: Die Späne verhalten sich wie winzige Kompassnadeln. Sie richten sich entlang der unsichtbaren Feldlinien aus, die vom Nordpol zum Südpol verlaufen.

Aufgabentyp 5: Das Magnetfeld der Erde

Warum zeigt eine Kompassnadel eigentlich immer nach Norden? Die Antwort ist faszinierend: Unsere ganze Erde ist wie ein riesiger Magnet und hat ein eigenes Magnetfeld!

Aber hier gibt es einen verrückten Trick der Natur: Wir wissen, dass sich ungleiche Pole anziehen. Der Nordpol der Kompassnadel wird also vom geografischen Norden der Erde angezogen. Das bedeutet, dass sich dort oben in der Arktis (beim geografischen Nordpol) in Wirklichkeit der magnetische Südpol der Erde befindet!

Und unten am geografischen Südpol liegt logischerweise der magnetische Nordpol.

Aufgabentyp 6: Elektromagnete

Bisher haben wir über Dauermagnete gesprochen, die immer magnetisch sind. Aber wusstest du, dass auch elektrischer Strom magnetisch ist?

Wenn Strom durch ein Kabel fließt, entsteht um das Kabel herum ein schwaches Magnetfeld. Das kann man mit einer Magnetnadel beweisen, die in der Nähe des Kabels ausschlägt.

Um diesen Effekt richtig stark zu machen, wickelt man das Kabel zu einer Spule (wie eine Spirale) auf und steckt einen Eisenkern (z. B. einen dicken Eisennagel) in die Mitte. Wenn nun Strom fließt, wird der Eisenkern zu einem extrem starken Magneten. Das nennt man einen Elektromagneten. Der größte Vorteil: Wenn man den Strom ausschaltet, ist auch die magnetische Kraft sofort wieder weg! Solche Elektromagnete werden zum Beispiel auf Schrottplätzen genutzt, um schwere Autos anzuheben und wieder fallen zu lassen.

Wichtige Erkenntnisse

• Magnete ziehen nur Eisen, Cobalt und Nickel an.

• Gleiche Pole stoßen sich ab, ungleiche Pole ziehen sich an.

• Im Inneren von Magneten sind alle winzigen Elementarmagnete in die gleiche Richtung ausgerichtet.

• Das Magnetfeld verläuft außerhalb des Magneten immer vom Nordpol zum Südpol.

• Der magnetische Südpol der Erde liegt in der Nähe des geografischen Nordpols.

• Eine Spule mit Eisenkern wird durch elektrischen Strom zu einem starken Elektromagneten.