Keine Schule kommt ohne diese zwei Magnete aus, lassen sich damit doch ganz wunderbar grundlegende Experimente zum Thema Magnetismus durchführen: der Stabmagnet und der Hufeisenmagnet. Sie können als perfekter Startpunkt dienen, um all die interessanten Fragen rund um das Thema Magnetismus zu beantworten wie zum Beispiel die folgenden:
- Was hat es mit den Polen der Magnete auf sich? Nordpol und Südpol
- Magnetische Felder und magnetische Kraftlinien: Wie kann man unsichtbare Kräfte sichtbar machen?
- Rot und Grün: Woher kommt die Farbe der Pole?
Weitere spannende Fragen sind die folgenden:
- Was sind Dauermagnete oder Permanentmagnete?
- Stabmagnet und Hufeisenmagnet aus Alnico: Perfekte Schulmagnete
- Neodym-Magnete, NdFeB-Magnete: Die Supermagnete mit Superhaftkraft
- Materie im Magnetfeld: Ferromagnetismus, Paramagnetismus, Diamagnetismus. Was ist das?
Was hat es mit den Polen bei Magneten auf sich? Nordpol und Südpol
Die Pole der Magnete, einen sogenannten Nordpol und einen Südpol – immer –, d.h. es gibt keine magnetischen Monopole. Man hat zumindest noch keine entdeckt. Schneidet man einen Magneten entzwei, so haben die Teilstücke wieder jeweils zwei Pole und dies lässt sich (fast) beliebig wiederholen. Ein Gedanke, der vor allem Kinder faszinieren kann. Damit kommt man außerdem zum Modell zum Aufbau der Magnete. Danach setzen sich alle magnetischen Stoffe auf atomarer Ebene aus Bereichen kleiner magnetischen Dipole zusammen. Man nennt diese auch Elementarmagnete. An den Polen der Magnete ist die Kraftwirkung am größten.
Es gilt: Gleiche Pole stoßen sich ab, ungleiche Pole ziehen sich an.
Magnetische Felder und magnetische Kraftlinien: Wie kann man die unsichtbaren Kräfte sichtbar machen?
Magnetische Kräfte sind unsichtbar, aber man kann sie mit einem kleinen Trick sichtbar machen. Dazu verwendet man Eisenspäne (s. Foto links), Magnetfeldfolie oder auch Ferrofluid, also eine magnetische Flüssigkeit.
Diese Stoffe verhalten sich wie Mini-Magnete, die sich im sogenannten magnetischen Feld entlang der magnetischen Feldlinien oder Kraftlinien ausrichten.
Man kann auf dem Foto schön erkennen, wie diese magnetischen Feldlinien zwischen dem magnetischen Nordpol und dem magnetischen Südpol verlaufen. Man hat dabei definiert, dass die Feldlinien am Nordpol austreten und am Südpol eintreten. Die magnetischen Kraftlinien zeigen jeweils an, wie sich ein Kompass an einer bestimmten Stelle ausrichten würde. Aufgrund der Schwerkraft sieht man die Feldlinien in Form der Eisenspäne auf dem Foto nur auf der Unterseite des Magneten. Für das Foto wurde eine Magnetfelddose verwendet, die es auch im Shop zu kaufen gibt, ebenso wie Eisenspäne.
Rot und Grün: Woher kommt die Farbe der Pole?
Üblicherweise ist der magnetische Nordpol mit der Farbe Rot gekennzeichnet und der magnetische Südpol mit der Farbe Grün. Die wichtigste Anwendung von Magneten war über lange Zeit hinweg die Orientierung zum geografischen Norden hin. So lässt sich verstehen, warum der magnetische Nordpol, also der Pol, der sich bei freier Aufhängung nach Norden dreht, die Signalfarbe Rot erhalten hat. Im englischsprachigen Raum wird statt Grün oft Blau für den Gegenpol verwendet.
Dauermagnete / Permanentmagnete
Zwar kann man Stoffe wie Eisen, Kobalt oder Nickel leicht magnetisieren, aber auch das Entmagnetisieren ist problemlos möglich, etwa durch Erschütterung, Hitze oder ein stärkeres, gegenpoliges Magnetfeld. Für viele Anwendungen sind die Stoffe daher ungeeignet. Üblicherweise handelt es sich bei sehr einfachen Magneten etwa für Magnettafeln oder den Kühlschrank um Ferritmagnete. Es gibt jedoch Materialien, die ihre magnetischen Eigenschaften besser behalten. Möchte man solche Stoffe entmagnetisieren, ist ein etwas größere Aufwand nötig. Es handelt sich dabei um Legierungen, die industrielle gefertigt werden. Zu den bekanntesten gehören Alnico und Neodym.
Stabmagnet und Hufeisenmagnet aus Alnico
Ein sehr bekanntes Material zur Herstellung von Permanentmagneten ist Alnico. Es handelt sich um eine Legierung aus Aluminium (AL), Nickel (NI), Kobalt (CO) als Hauptbestandteile, wobei die Zusammensetzung und auch das Herstellungsverfahren und damit die Eigenschaften variieren können. Aus AlNiCo5 sind etwa der oben auf dem Foto gezeigte Stabmagnete und Hufeisenmagnet gefertigt. Noch schwerer zu entmagnetisieren sind die sogenannten Neodym-Magnete.
Magnetfeld von 4 Neodym-Magneten, sichtbar gemacht mit Ferrofluid
Neodym-Magnete – NdFeB-Magnete: Die Supermagnete
Neodym-Magnete, genauer gesagt Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB) sind die derzeit stärksten Dauermagnete und bestehen aus einer Verbindung von – wie der Name schon sagt – der drei Elemente Neodym, Eisen und Bor. Bei Neodym handelt es sich um ein Metall der seltenen Erden. Solche Magnete sind fünf bis achtmal stärker als Alnico Magnete, aber sie können ab Temperaturen von bereits etwa 80 °Celsius ihre magnetischen Eigenschaften verlieren.
Ein weiterer Nachteil von Neodym-Magneten ist, dass sie sehr spröde sind. Daher werden sie häufig in sehr kompakten Formen hergestellt, zum Beispiel als Kugeln, dicke Scheiben oder Quader. So sinkt die Gefahr, dass die Magnete brechen. Ein Hufeisenmagnet ließe sich aus Neodym zum Beispiel nur schlecht herstellen.
Materie im Magnetfeld: Ferromagnetismus, Paramagnetismus, Diamagnetismus
Stoffe können im Magnetfeld sowohl abgestoßen als auch angezogen werden und man unterscheidet folgende Phänomene:
Paramagnetismus
Paramagnetische Stoffe werden in ein Magnetfeld hineingezogen. Beispiele sind Aluminium, Sauerstoff und seltene Erden.
Diamagnetisch schwebendes Grafit – Diamagnetische Levitation
Diamagnetismus
Diamagnetische Stoffe werden von einem Magnetfeld abgestoßen. Beispiel: Gold, Wasser, Diamant und Grafit.
Ferromagnetismus
Ferromagnetische Stoffe werden in ein Magnetfeld hineingezogen und lassen sich durch Kontakt mit Magneten magnetisieren. Dazu zählen natürlich als bekanntester Stoff das Eisen, aber auch Kobalt und Nickel, zeigen ein entsprechendes Verhalten schon bei Raumtemperatur.
Das Eisen steht mit seiner lateinischen Bezeichnung ferrum als Namensgeber für die Eigenschaft Ferromagnetismus.
Erklärung zu Para-, Dia- und Ferromagnetismus
Aus dem Alltag kennen wir hauptsächlich Ferromagnetismus, da para- und diamagnetische Effekte recht gering sind. Wie kommt das Verhalten aber zustande? Schon lange ist bekannt, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt und ein Magnetfeld wiederum einen Strom. Ein elektrischer Strom ist aber nichts anderes als sich bewegende Ladungen.
Betrachtet man Materie auf atomarer und subatomarer Ebene, so stellt man fest, dass hier allerlei Ladung in Bewegung ist – Elektronen zum Beispiel – und wo sich Ladung bewegt, da findet man auch Magnetfelder. Dabei tragen nicht nur die Elektronen zum sogenannten magnetischen Moment der Atome bei. Auch die Bestandteile des Atomkerns bis hinunter zu den Quarks haben daran ihren Anteil. Aus Quarks sind die Kernbausteine der Atome aufgebaut.
Je nachdem, wie sich diese „Mini-Magnete“ in der Materie anordnen oder durch ein äußeres Magnetfeld in ihrer Ordnung verändern lassen oder auch miteinander wechselwirken bzw. gekoppelt sind, verhalten sich die Stoffe dann ganz unterschiedlich. Denn: Legt man ein äußeres Magnetfeld an, so werden wiederum atomare Kreisströme angeregt (in der Fachsprache sagt man induziert), die auf die vorhandenen Mini-Magnete wirken. Physiker sprechen hier allerdings auch nicht von Mini-Magneten, sondern von magnetischen Dipolen.
Für die einzelnen Eigenschaften bedeutet dies:
Paramagnetismus
Bei paramagnetischen Stoffen lassen sich die Dipole durch ein äußeres Feld ausrichten und verstärken dieses sogar, aber diese Ausrichtung ist nicht permanent und verschwindet, sobald kein Magnetfeld mehr wirkt.
Diamagnetismus
Bei diamagnetischen Stoffen findet man auf atomarer Ebene kein resultierendes magnetisches Moment, da sich die Wirkung aller magnetischen Momente der Elementarteilchen aufhebt. Durch das äußere Magnetfeld werden aber atomare Kreisströme induziert, die dem von außen wirkenden Magnetfeld entgegengesetzt sind. Es kommt zur Abstoßung. Hier spielt die sogenannte Lenz’sche Regel eine Rolle.
Ferromagnetismus
Ferromagnetische Stoffe ist die Wechselwirkung der magnetischen Momente im Material so stark, dass sie sich im Magnetfeld nicht nur ausrichten, sondern diese Ausrichtung durch Wechselwirkung auch erhalten bleiben kann.
