A – Grundsätzliches über Magnete

Wir betrachten im Folgenden:

      • Verhalten und einige zentrale Eigenschaften von Magneten
      • Modelle zum Magnetismus
      • Magnetisierung und Entmagnetisierung: Techniken und Erklärungen
      • Existenz magnetischer Monopole

A.1 Verhalten und einige zentrale Eigenschaften von Magneten

In der Alltags- und Unterrichtssprache unterscheiden wir meist zwischen „magnetischen“ und „nicht-magnetischen“ Materialien / Stoffen. Unter magnetischen Materialien verstehen wir solche, die von einem Magneten sichtbar angezogen werden. Materialien, bei denen wir das nicht beobachten können, bezeichnen wir hingegen als „nicht-magnetisch“ (siehe Abbildung A.1 & 2).

Eine solche Unterscheidung ist aus physikalischer Sicht nicht hilfreich. Vielmehr zeigen alle Materialien magnetische Eigenschaften, das bedeutet, sie zeigen eine Reaktion auf äußere magnetische Felder und werden dabei von einem Magneten angezogen oder abgestoßen. Bei den meisten Materialien sind die Kräfte dabei allerdings so gering, dass wir die anziehende oder abstoßende Wirkung nur unter sehr günstigen Bedingungen wahrnehmen können.

Wir unterscheiden in drei Arten des Magnetismus:

      • Ferromagnetismus
      • Paramagnetismus
      • Diamagnetismus

(Zusätzlich ließe sich der Elektromagnetismus (siehe Abschnitt D) als vierte Form hinzufügen.)

Dabei ist die uns aus dem Alltag bekannte Form der Ferromagnetismus, den wir in diesem Kapitel zunächst betrachten. Kapitel B geht anschließend differenzierter auf alle drei Formen ein.

Betrachten wir hier zunächst nur Magnete und ihre Wirkung auf andere Magnete und ferromagnetische Materialien. Diese ferromagnetischen Materialien enthalten stets mindestens eins der drei Elemente:

      • Eisen
      • Nickel
      • Kobalt

Ein Magnet besitzt zwei Pole

Magnete besitzen die Fähigkeit, Materialien anzuziehen oder abzustoßen. Diese magnetische Kraftwirkung ist an den Orten eines Magneten am größten, die wir als „Pole“ eines Magneten bezeichnen. In Anlehnung an die geographischen Pole der Erde werden auch die Pole eines Magneten als „Nordpol“ und „Südpol“ bezeichnet (mehr dazu in Abschnitt C.2).

Bei Schulmagneten ist der Südpol meist in grün, der Nordpol meist in rot gefärbt (Merkhilfe: Südpol – Grün, Nordpol – Rot). Ein Magnet kann sehr unterschiedliche Formen annehmen (siehe Abbildung A.3).

Abbildung A.3 Magnet, gefärbt mit Bezeichnung der Pole

Anziehung und Abstoßung:

Nähert man die Pole zweier Magnete einander an, treten zwei unterschiedliche Reaktionen auf (siehe folgendes Video):

      • Gleichnamige Pole (Südpol und Südpol oder Nordpol und Nordpol) stoßen sich ab.
      • Ungleichnamige Pole (Südpol und Nordpol) ziehen sich an.

Stärke der magnetischen Kraft

Die magnetische Kraft eines Magneten ist lokal unterschiedlich stark. Sie ist (s.o.) an den Polen am größten, in manchen Bereichen des Magneten beträgt sich hingegen null (siehe auch Teil C.1 Magnetisches Feld). Das folgende Video zeigt dies anhand des Versuchs, ferromagnetische Büroklammern (aus Eisen) an verschiedene Stellen eines Stabmagneten zu hängen. Es ist gut zu erkennen, dass an den Polen am meisten Büroklammern angehängt werden können und hier die magnetische Kraft also am größten ist. In der Mitte des Magneten verschwindet die magnetische Kraft hingegen.

A.2 Modelle des Magnetismus

Wenn es um das Erklären physikalischer Phänomene geht, geraten wir meist irgendwann an die Grenzen des Sichtbaren. Wir machen uns daher Modelle und Vorstellungen von den nichtsichtbaren Ursachen und Mechanismen. Dies gilt auch für den Themenbereich Magnetismus. In der Didaktik des Sachunterrichts und der Sekundarstufe I ist ein Modell zur Erklärung magnetischer Phänomene sehr verbreitet: das Modell der Elementarmagnete. Anschaulich wie es ist, enthält es aber auch ein paar Stolpersteine und fachliche Schwierigkeiten. Wir verwenden daher das Modell im Folgenden und setzen zur Erinnerung an die Modellebene den Begriff immer kursiv.

Das Modell der Elementarmagnete verwendet für die Erläuterung der magnetischen Eigenschaften eines ferromagnetischen Gegenstandes kleine, submikroskopische sogenannte Elementarmagnete, die sich überall in seinem Inneren befinden. Je nachdem, ob es sich um einen magnetisierten und nicht-magnetisierten Gegenstand handelt, sind diese Elementarmagnete geordnet (das heißt, die Pole der Elementarmagnete zeigen alle in die gleiche Richtung) oder ungeordnet. Dies ist für beide Fälle in Abbildung A.4 dargestellt.

Abbildung A.4 Elementarmagnete

Wenn alle Elementarmagnete ausgerichtet sind, dann entsteht an der einen (hier linken) Seite ein Südpol und an der anderen (hier rechten) Seite ein Nordpol. So lässt sich anhand des Elementarmagnetmodells begründen, warum ein Magnet diese beiden Pole besitzt.


Kritische Anmerkung 1:

Aus dem Elementarmagnetemodell lässt sich nicht ableiten, warum die magnetische Kraft an den Polen am größten ist und zwischen den Polen auf null abnimmt. 


 A.3 Magnetisierung und Entmagnetisierung

In einem ferromagnetischen Material sind in dieser Modellvorstellung also Elementarmagnete enthalten. Um das Material zu magnetisieren, also beispielsweise aus einem Eisenstück einen Magnet herzustellen, müssen diese Elementarmagnete in eine gleiche Ausrichtung geordnet werden. Dies geschieht anhand eines äußeren magnetischen Feldes (siehe Abschnitt C) – beispielsweise indem man einen anderen Magneten in die Nähe des Materials bringt.

Einen Magneten herstellen: Magnetisieren

Um einen Gegenstand wie beispielsweise einen Eisennagel zu magnetisieren, benötigt man daher einen anderen Ferro- oder Elektromagneten: Man streicht mit einem Pol dieses Magneten (in eine Richtung!) über den Eisennagel. Hierdurch werden die Elementarmagnete des Eisennagels magnetisch ausgerichtet und der Eisennagel selbst zu einem Magneten (siehe Abbildung A.5) und folgendes Video).

Abbildung A-5

In ferromagnetischen Materialien bleibt diese Magnetisierung auch dann erhalten, wenn der andere Magnet entfernt wird und man das Überstreichen einstellt. Wir sprechen daher hier auch von einem Permanentmagneten, der entsteht. Auch bei dia- und paramagnetischen Materialien erreicht man durch Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes ebenfalls eine (aber deutlich schwächere) Magnetisierung. Diese verschwindet aber bei Entfernen des anderen Magneten sofort wieder, weswegen sich aus Para- und Diamagnetika keine Permanentmagneten herstellen lassen (siehe Abschnitt B).

Entmagnetisieren

Die Magnetisierung, bzw. die Ausrichtung der Elementarmagnete lässt sich auch in Ferromagnetika wieder rückgängig machen. Dazu muss eine erneute Unordnung der Elementarmagnete herbeigeführt werden. Hierzu gibt es zwei typische Möglichkeiten (siehe nachfolgende Videos):

  • Der Magnet wird erschüttert. Dadurch werden die Elementarmagnete wieder mechanisch “in Unordnung” gebracht.
  • Der Magnet wird erhitzt. Eine höhere Temperatur bedeutet eine stärkere Bewegung der Teilchen. Übersteigt die Temperatur die sogenannte Curie-Temperatur (diese liegt für Eisen bei 768°C), dann geraten die Teilchen so stark in Schwingungen, dass die Ordnung hierdurch ebenfalls wieder aufgehoben wird.

A.4 Magnetische Monopole?

Das Modell der Elementarmagnete kann auch veranschaulichen, was passiert, wenn man einen Magneten zerteilt. Es ließe sich vermuten, dass durch das Zerteilen eines Magneten einzelne (Mono-)Pole entstehen könnten, also einzelne Nordpole oder Südpole. Betrachtet man dies allerdings im Modell, dann wird klar, dass an der Schnittstelle in einem Magneten automatisch wieder auf der einen Seite ein Südpol und auf der anderen ein Nordpol entsteht. Tatsächlich ist ein Monopol bislang nicht beobachtet worden und die physikalische Gemeinschaft geht weitgehend davon aus, dass es sie nicht gibt. Zerteilt man einen Magneten, verfügen die entstehenden Bruchstücke stets wieder über einen Nord- und einen Südpol. Dies lässt sich beispielsweise zeigen, wenn man das Magnetfeld eines Magneten mit Hilfe von Eisenfeilspänen sichtbar macht und den Magnet dann zerteilt (siehe Abbildung A.6 – Hier sind zwei starke Magneten zunächst zusammengesetzt, so dass ihr Magnetfeld zunächst dem eines doppelt so langen Stabmagneten entspricht. In der zweiten Abbildung sind die beiden Stabmagneten nun getrennt.).

Abbildung A.6 Zerteilen eines Magneten

Ebenso lassen sich die entstandenen Teilstücke mit einem Kompass untersuchen. Wäre das teilstück ein Monopol, dann könnte man es mit beliebigen Seiten an den Nord- und Südpol der Kompassnadel heranführen und die jeweilige Seite der Kompassnadel müsste immer angezogen bzw. abgestoßen werden.


Kritische Anmerkung 2 und Spezifizierung des Modells:

Mithilfe des Modells der Elementarmagnete lassen sich die Prozesse der Magnetisierung und Entmagnetisierung sehr anschaulich abbilden.

Um allerdings der fachlich nicht korrekten Vorstellung vorzubeugen, dass in den Materialien tatsächlich kleine (und gefärbte) Mini-Magnete eingebunden sind und um eine bessere Anschlussfähigkeit auch zum Physikunterricht der höheren Klassen zu gewährleisten, wäre eine Darstellung anhand von Pfeilen anstelle der Elementarmagnete zwar etwas weniger anschaulich, aber fachlich etwas korrekter (siehe Abbildung A.7).

Abbildung A.7 - Pfeile statt Elementarmagnete
Abbildung A.7 – Pfeile statt Elementarmagnete

Durch die Pfeile wird eine Ausrichtung der lokalen magnetischen Orientierung visualisiert ohne die gegenständliche Ebene kleiner Quadermagneten zu bemühen. In einem ferromagnetischen Material sind die magnetischen Moment zu stark, dass sie sich lokal auch im nicht-magnetisierten Zustand bereits in eine gemeinsame Richtung orientieren. Dies führt zu den sogenannten Weiß’schen Bezirken innerhalb deren eine gemeinsame Orientierung der magnetischen Momente vorliegt. Durch die Magnetisierung werden diese Bereiche in die neue Orientierung des äußeren Magnetfeldes „umgeklappt“ (siehe Abbildung A.8). Diese neue Orientierung bleibt aufgrund der Wechselwirkung zwischen den einzelnen magnetischen Momenten dann wiederum weitgehend erhalten, auch wenn das äußere Magnetfeld wieder verschwindet. Ein neuer Permanentmagnet entsteht.

Abbildung A.8 – Weißsche Bezirke

Auch die Nicht-Existenz von magnetischen Monopolen, von der die aktuelle Physik ausgeht, lässt sich mit der Pfeile-Darstellung leichter plausibel machen, da eine Richtungsorientierung immer die doppelte Information benötigt von wo nach wo sie verläuft. Diese doppelte Information lässt sich nicht trennen, daher lassen sich auch Nord- und Südpol nicht voneinander trennen.


Weiterführendes:

  1. Verweis auf leifi zur Vertiefung: Permanentmagnetismus | LEIFIphysik
  2. YouTube Video von der Sendung mit der Maus für Ideen zu Erklärungen für Kinder (1) Wie funktioniert ein Magnet? – YouTube