A – Grundsätzliches über Magnete

Es wird folgendes betrachtet:

• • • 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 wird meist zwischen „magnetischen“ und „nicht-magnetischen“ Materialien / Stoffen unterschieden. Unter magnetischen Materialien werden solche verstanden, die von einem Magneten sichtbar angezogen werden. Materialien, bei denen das nicht beobachten werden kann, werden hingegen als „nicht-magnetisch“ bezeichnet (siehe Abbildung A1 und Tabelle A1).

Tabelle A1: Beispieltabelle von „magnetischen“ & „nicht-magnetischen“ Materialien.

Stoff	Zieht an
Eisen	X
Aluminium
Holz
Graphit
Eisen	X
v.a. Wasser

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 die anziehende oder abstoßende Wirkung nur unter sehr günstigen Bedingungen wahrnehmbar sind.

Es werden drei Arten von Magnetismus unterschieden:

• • • Ferromagnetismus
    • Paramagnetismus
    • Diamagnetismus

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

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

Betrachtet werden 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 als „Pole“ eines Magneten bezeichnet werden. 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.

Anziehung und Abstoßung:

Werden die Pole zweier Magnete einander angenähert, treten zwei unterschiedliche Reaktionen auf (siehe Video A1):

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

Video A1: Abstoßung und Anziehung bei Magneten.

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 sie hingegen null (siehe auch Teil C.1 Magnetisches Feld). Das folgende Video A2 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.

Video A2: Magnetische Kraft am Stabmagneten.

A.2 Modelle des Magnetismus

Wenn es um das Erklären physikalischer Phänomene geht, werden meist irgendwann die Grenzen des Sichtbaren erreicht. Daher werden hier Modelle und Vorstellungen von den nicht sichtbaren Ursachen und Mechanismen verwendet. 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. Es wird daher das Modell im Folgenden verwendet wobei zur Erinnerung an die Modellebene der Begriff immer kursiv geschrieben wird.

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 A3 dargestellt.

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.

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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. 

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 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 ein anderer Magnete in die Nähe des Materials gebracht wird.

Einen Magneten herstellen: Magnetisieren

Um einen Gegenstand wie beispielsweise einen Eisennagel zu magnetisieren, wird daher ein anderer Ferro- oder Elektromagnet benötigt: Dieser wird mit einem Pol dieses Magneten (in eine Richtung!) über den Eisennagel gestrichen. Hierdurch werden die Elementarmagnete des Eisennagels magnetisch ausgerichtet und der Eisennagel selbst zu einem Magneten (siehe Abbildung A4 und Video A3).

Video A3: Einen Draht magnetisieren.

In ferromagnetischen Materialien bleibt diese Magnetisierung auch dann erhalten, wenn der andere Magnet entfernt wird und das Überstreichen eingestellt wird. Es wird daher hier auch von einem Permanentmagneten gesprochen, der entsteht. Auch bei dia- und paramagnetischen Materialien wird durch Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes ebenfalls eine (aber deutlich schwächere) Magnetisierung erzeugt. 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 Video A4 & A5):

• 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.

Video A4: Entmagnetisieren durch Erhitzen.

Video A5: Magnetisieren und Entmagnetisieren eines Eisennagels.

A.4 Magnetische Monopole?

Das Modell der Elementarmagnete kann auch veranschaulichen, was passiert, wenn ein Magnet zerteilt wird. Es ließe sich vermuten, dass durch das Zerteilen eines Magneten einzelne (Mono-)Pole entstehen könnten, also einzelne Nordpole oder Südpole. Wird dies allerdings im Modell betrachtet, 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. Wird ein Magnet zerteilt, verfügen die entstehenden Bruchstücke stets wieder über einen Nord- und einen Südpol. Dies lässt sich beispielsweise zeigen, wenn das Magnetfeld eines Magneten mit Hilfe von Eisenfeilspänen sichtbar gemacht und der Magnet dann zerteilt wird (siehe Abbildung A5 – 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.).

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

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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 A6).

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 A7). 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.

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.

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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