Das Erdmagnetfeld - Physik
Das Erdmagnetfeld - Physik
Das Erdmagnetfeld - Physik
Einleitung
Das Erdmagnetfeld umgibt die Erde wie ein unsichtbares Feld. Es richtet Kompassnadeln aus, beeinflusst geladene Teilchen aus dem All und trägt zur Entstehung von Polarlichtern bei. Sein größter Anteil entsteht tief im Erdinneren durch Bewegungen von flüssigem, elektrisch leitfähigem Metall.
In diesem aiMOOC lernst Du die physikalischen Grundlagen des Erdmagnetfelds kennen. Du unterscheidest geografische und magnetische Pole, beschreibst die Magnetosphäre und führst einfache Messungen mit einem Kompass oder einem Smartphone durch.
Zielgruppe: Schule, Fach Physik, etwa Klasse 7 bis 10.
Lernziele
- Magnetfeld: Du kannst ein Magnetfeld mithilfe von Feldlinien beschreiben.
- Erdmagnetfeld: Du erklärst das Erdmagnetfeld als annäherndes Dipolfeld.
- Geodynamo: Du beschreibst die Entstehung des Hauptfeldes im äußeren Erdkern.
- Kompass: Du erklärst die Ausrichtung einer Kompassnadel.
- Magnetosphäre: Du stellst den Zusammenhang zwischen Erdmagnetfeld, Sonnenwind und Polarlicht dar.
Grundlagen
Magnetfelder und Feldlinien
Ein Magnetfeld ist ein Raum, in dem magnetische Kräfte wirken können. Die magnetische Feldstärke wird durch den Vektor beschrieben. Ihre Einheit ist Tesla, abgekürzt T.
Feldlinien sind ein Modell. Die Tangente an eine Feldlinie zeigt an jeder Stelle die Richtung des Magnetfelds. Je dichter die Linien gezeichnet werden, desto stärker soll das Feld sein. Feldlinien schneiden sich nicht und bilden geschlossene Kurven.
Das Bild zeigt drei Darstellungen desselben Magnetfelds: Eisenfeilspäne, Feldlinien und kleine Kompassnadeln. Auch die Erde besitzt außerhalb ihres Kerns näherungsweise ein solches Dipolfeld.
Die Erde als magnetischer Dipol
In erster Näherung ähnelt das Erdmagnetfeld dem Feld eines großen Stabmagneten. Diese Vorstellung ist hilfreich, aber nicht vollständig: Das reale Feld ist unregelmäßig, verändert sich mit der Zeit und wird im Weltraum durch den Sonnenwind verformt.
Außerhalb der Erde verlaufen die Feldlinien ungefähr vom Gebiet nahe dem geografischen Südpol zum Gebiet nahe dem geografischen Nordpol. In Mitteleuropa zeigt der Feldvektor daher ungefähr nach Norden und schräg nach unten.
Stärke und Richtung des Erdmagnetfelds
An der Erdoberfläche liegt die magnetische Flussdichte meist in einer Größenordnung von etwa 25 bis 65 Mikrotesla. Dabei gilt:
Das Feld kann in eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente zerlegt werden. Für den Betrag gilt näherungsweise:
Die Deklination ist der Winkel zwischen geografischer Nordrichtung und magnetischer Nordrichtung. Die Inklination gibt an, wie stark das Feld gegenüber der Horizontalen geneigt ist:
Die Werte unterscheiden sich je nach Ort. Deshalb zeigt ein Kompass nicht überall exakt zum geografischen Nordpol.
Die Karte zeigt die magnetische Deklination. Linien gleicher Deklination verbinden Orte mit derselben Winkelabweichung zwischen magnetischer und geografischer Nordrichtung.
Entstehung des Erdmagnetfelds
Der Geodynamo
Der Hauptanteil des Erdmagnetfelds entsteht im flüssigen äußeren Erdkern. Dort bewegen sich vor allem Eisen und Nickel. Das Material ist heiß, elektrisch leitfähig und wird durch Wärmeunterschiede in Bewegung versetzt.
Die Erdrotation ordnet einen Teil dieser Strömungen. Bewegte elektrische Ladungen erzeugen elektrische Ströme, und elektrische Ströme erzeugen Magnetfelder. Das entstehende Feld beeinflusst wiederum die Strömungen. Dieser sich selbst erhaltende Vorgang heißt Geodynamo.
- Wärme aus dem Erdinneren treibt Konvektionsströmungen an.
- Elektrisch leitfähiges flüssiges Metall bewegt sich.
- Durch die Erdrotation werden Strömungen teilweise geordnet.
- Elektrische Ströme und Magnetfelder verstärken sich gegenseitig.
Die Simulation macht sichtbar, dass das Feld im Erdinneren wesentlich komplizierter ist als das einfache Modell eines Stabmagneten.
Keine feste Magnetkugel im Erdinneren
Die Erde enthält keinen riesigen permanenten Stabmagneten. Im Erdkern herrschen so hohe Temperaturen, dass gewöhnlicher dauerhafter Ferromagnetismus nicht als Erklärung ausreicht. Entscheidend sind die Strömungen des leitfähigen Materials im äußeren Kern.
Kleinere Anteile des gemessenen Felds stammen außerdem aus magnetisierten Gesteinen der Erdkruste sowie aus elektrischen Strömen in Ionosphäre und Magnetosphäre.
Geografische und magnetische Pole
Die geografischen Pole werden durch die Rotationsachse der Erde festgelegt. Die magnetischen Pole ergeben sich aus der Richtung des Erdmagnetfelds. Beide Polsysteme stimmen nicht überein.
Der rot markierte Nordpol einer Kompassnadel ist ein magnetischer Nordpol. Er wird vom Gebiet nahe dem geografischen Nordpol angezogen. Physikalisch verhält sich dieses Gebiet deshalb wie ein magnetischer Südpol. Im Alltag wird es dennoch häufig als magnetischer Nordpol bezeichnet.
Die magnetischen Pole sind nicht ortsfest. Ihre Lage verändert sich, weil sich die Strömungen im äußeren Erdkern verändern.
Magnetosphäre und Sonnenwind
Die Magnetosphäre ist der Bereich um die Erde, in dem das Erdmagnetfeld die Bewegung geladener Teilchen wesentlich bestimmt. Sie ist kein starrer Schutzpanzer, sondern ein dynamischer Raum.
Der Sonnenwind besteht aus geladenen Teilchen, die von der Sonne ausgehen. Auf der Tagseite wird die Magnetosphäre zusammengedrückt. Auf der Nachtseite entsteht ein langer Magnetschweif.
Ein großer Teil der Sonnenwindteilchen wird abgelenkt. Manche Teilchen gelangen jedoch in die Magnetosphäre oder werden dort gespeichert. Bei starker Sonnenaktivität kann sich das Feld schnell verändern. Solche Ereignisse heißen magnetische Stürme.
Polarlichter
Geladene Teilchen können sich entlang magnetischer Feldlinien in Richtung der Polarregionen bewegen. Treffen sie in großer Höhe auf Atome und Moleküle der Atmosphäre, übertragen sie Energie. Beim anschließenden Übergang in einen energieärmeren Zustand wird Licht ausgesendet.
Die Ablenkung geladener Teilchen in einem Magnetfeld wird durch die Lorentzkraft beschrieben:
Die Kraft steht senkrecht zur Bewegungsrichtung und zum Magnetfeld . Dadurch können Teilchen auf gekrümmte oder schraubenförmige Bahnen gelenkt werden.
Veränderungen und Polumkehrungen
Das Erdmagnetfeld verändert sich ständig. Kleine Änderungen treten innerhalb von Stunden oder Tagen auf, etwa durch elektrische Ströme in der Magnetosphäre. Langsame Veränderungen über Jahre und Jahrhunderte entstehen vor allem im Erdkern.
In der Erdgeschichte hat sich die Polarität des Hauptfelds mehrfach umgekehrt. Hinweise darauf liefern magnetische Minerale in erstarrtem Gestein. Beim Abkühlen können sie die damalige Feldrichtung speichern. Besonders deutlich sind solche Muster in der ozeanischen Erdkruste erkennbar.
Eine Polumkehr geschieht nicht plötzlich innerhalb eines Tages. Während eines solchen Vorgangs kann das Feld schwächer und räumlich komplizierter werden. Eine aktuelle langsame Änderung bedeutet nicht automatisch, dass unmittelbar eine vollständige Polumkehr bevorsteht.
Messen und Experimentieren
Versuch: Einen einfachen Kompass bauen
Material: Nähnadel, kleiner Magnet, Korkstück oder Papier, Schale mit Wasser.
- Streiche mit einem Magnetpol mehrfach in derselben Richtung über die Nadel.
- Lege die Nadel vorsichtig auf ein schwimmendes Korkstück.
- Warte, bis sich das System beruhigt hat.
- Vergleiche die Richtung mit einem fertigen Kompass.
- Bringe einen Magneten in die Nähe und beobachte die Ablenkung.
Auswertung: Die magnetisierte Nadel erfährt im Erdmagnetfeld ein Drehmoment. Sie richtet sich ungefähr entlang der horizontalen Feldkomponente aus. Ein naher Magnet erzeugt ein stärkeres lokales Feld und verändert die Richtung.
Sicherheit: Gehe vorsichtig mit der Nadel um. Halte starke Magnete von elektronischen Geräten, Magnetkarten und medizinischen Implantaten fern.
Messung mit einem Smartphone
Viele Smartphones besitzen einen dreiachsigen Magnetfeldsensor. Eine geeignete Sensor-App kann die Komponenten des Felds anzeigen.
Miss an mehreren Orten im Klassenraum. Vergleiche Werte in der Nähe von Metalltischen, Lautsprechern, Stromkabeln und im Freien. Große Unterschiede zeigen häufig lokale Störfelder. Vor einer Messung sollte der Sensor nach Anleitung der App kalibriert werden.
Ein Smartphone misst nicht nur das Erdmagnetfeld. Magnete, elektrische Geräte, Stahlbauteile und sogar die Schutzhülle können das Ergebnis beeinflussen.
Anwendungen und Bedeutung
- Navigation: Magnetkompasse und elektronische Sensoren nutzen die Richtung des Erdmagnetfelds.
- Geophysik: Abweichungen können Hinweise auf Gesteinsarten und Lagerstätten geben.
- Weltraumwetter: Messungen helfen, Auswirkungen von Sonnenstürmen auf Satelliten, Funk und Stromnetze einzuschätzen.
- Paläomagnetismus: Gespeicherte Magnetisierung in Gesteinen liefert Hinweise auf frühere Feldrichtungen und die Bewegung von Erdplatten.
- Tiernavigation: Einige Tiere können Informationen des Erdmagnetfelds zur Orientierung nutzen.
Häufige Fehlvorstellungen
| Aussage | Physikalische Korrektur |
|---|---|
| Der geografische Nordpol und der magnetische Pol liegen am selben Ort. | Beide Polsysteme unterscheiden sich, und die magnetischen Pole wandern. |
| Im Erdinneren steckt ein riesiger Stabmagnet. | Das Hauptfeld entsteht durch den Geodynamo im flüssigen äußeren Erdkern. |
| Ein Kompass zeigt immer exakt nach geografisch Norden. | Er zeigt entlang der lokalen horizontalen Feldkomponente. |
| Das Erdmagnetfeld hält alle Teilchen aus dem All ab. | Die Magnetosphäre lenkt viele Teilchen ab, ist aber durchlässig und dynamisch. |
| Eine Polumkehr geschieht schlagartig. | Geologische Polumkehrungen verlaufen über längere Zeiträume und besitzen komplexe Zwischenzustände. |
Zusammenfassung
- Das Erdmagnetfeld ist ein räumlich und zeitlich veränderliches Magnetfeld.
- Nahe der Erdoberfläche ähnelt es näherungsweise einem Dipolfeld.
- Sein Hauptanteil entsteht durch den Geodynamo im flüssigen äußeren Erdkern.
- Ein Kompass richtet sich nach der horizontalen Komponente des lokalen Felds aus.
- Die Magnetosphäre beeinflusst den Sonnenwind und steht mit Polarlichtern und Weltraumwetter in Verbindung.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Wo entsteht der Hauptanteil des Erdmagnetfelds? (Im flüssigen äußeren Erdkern) (!In der festen Erdkruste) (!In der Atmosphäre) (!Auf der Sonnenoberfläche)
Welche Größe beschreibt die Stärke und Richtung eines Magnetfelds? (Die magnetische Flussdichte) (!Die elektrische Spannung) (!Die Masse) (!Die Temperatur)
In welcher Einheit wird die magnetische Flussdichte angegeben? (Tesla) (!Volt) (!Watt) (!Pascal)
Was bezeichnet die magnetische Deklination? (Den Winkel zwischen magnetischer und geografischer Nordrichtung) (!Die Stärke der Erdanziehung) (!Den Abstand zwischen Erde und Sonne) (!Die Dauer einer Erdrotation)
Was bezeichnet die magnetische Inklination? (Die Neigung des Felds gegenüber der Horizontalen) (!Die Geschwindigkeit des Sonnenwinds) (!Die Entfernung zum Erdkern) (!Die Drehung einer Magnetspule)
Was geschieht mit der Magnetosphäre auf der Tagseite der Erde? (Sie wird durch den Sonnenwind zusammengedrückt) (!Sie verschwindet vollständig) (!Sie wird zu einem geraden Draht) (!Sie wird vom Mond erzeugt)
Wie entstehen Polarlichter? (Durch angeregte Teilchen in der oberen Atmosphäre) (!Durch reflektiertes Licht von Eisbergen) (!Durch Blitze in Gewitterwolken) (!Durch glühende Gesteine im Erdmantel)
Warum zeigt ein Kompass nicht überall exakt zum geografischen Nordpol? (Weil das lokale Magnetfeld eine Deklination besitzt) (!Weil die Erde keine Rotationsachse besitzt) (!Weil die Kompassnadel nicht magnetisch ist) (!Weil Licht die Nadel ablenkt)
Wodurch sind frühere Polumkehrungen nachweisbar? (Durch gespeicherte Magnetisierung in Gesteinen) (!Durch tägliche Wetterkarten) (!Durch Mondkrater) (!Durch die Jahreszeiten)
Welcher Sensor misst in vielen Smartphones Magnetfelder? (Ein Magnetometer) (!Ein Barometer) (!Ein Thermometer) (!Ein Mikrofon)
Memory
| Geodynamo | Felderzeugung im äußeren Erdkern |
| Deklination | Winkel zwischen magnetisch und geografisch Nord |
| Inklination | Neigung des Magnetfelds zur Horizontalen |
| Magnetosphäre | Vom Erdmagnetfeld bestimmter Weltraumbereich |
| Sonnenwind | Strom geladener Teilchen von der Sonne |
| Kompass | Ausrichtung an der horizontalen Feldkomponente |
| Polarlicht | Leuchten angeregter Atmosphärenteilchen |
| Mikrotesla | Einheit für schwache magnetische Flussdichten |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Geodynamo | Flüssiger äußerer Erdkern |
| Deklination | Abweichung von geografisch Nord |
| Inklination | Neigung des Feldvektors |
| Magnetosphäre | Wechselwirkung mit dem Sonnenwind |
| Polarlicht | Leuchten in der oberen Atmosphäre |
Kreuzworträtsel
| Dynamo | Wie heißt ein System, das durch Bewegung eines Leiters ein Magnetfeld erzeugt? |
| Kompass | Welches Gerät richtet sich nach dem Erdmagnetfeld aus? |
| Tesla | Wie heißt die Einheit der magnetischen Flussdichte? |
| Inklination | Wie heißt die Neigung des Felds gegenüber der Horizontalen? |
| Magnetosphäre | Wie heißt der vom Erdmagnetfeld geprägte Weltraumbereich? |
| Polarlicht | Wie heißt die Leuchterscheinung nahe den Polarregionen? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Feldlinienbild: Zeichne das Feld eines Stabmagneten und daneben ein vereinfachtes Dipolmodell der Erde.
- Kompassbeobachtung: Bestimme mit einem Kompass die Nordrichtung und dokumentiere mögliche Störquellen.
- Begriffskarte: Erstelle eine Concept-Map mit Erdmagnetfeld, Geodynamo, Kompass, Sonnenwind und Polarlicht.
- Medienanalyse: Wähle eines der Bilder im aiMOOC aus und erkläre, welche Information es besonders gut vermittelt.
Standard
- Schwimmkompass: Baue einen einfachen Kompass, dokumentiere den Aufbau und erkläre die Ausrichtung physikalisch.
- Magnetometermessung: Miss mit einem Smartphone an mindestens fünf Orten und stelle die Ergebnisse in einem Diagramm dar.
- Erklärvideo: Produziere ein kurzes Video zur Unterscheidung von geografischem und magnetischem Pol.
- Polarlichtmodell: Entwickle ein Modell, das den Weg geladener Teilchen entlang magnetischer Feldlinien zeigt.
Schwer
- Messunsicherheit: Untersuche, welche Faktoren Smartphone-Magnetometer verfälschen, und entwickle ein verbessertes Messverfahren.
- Weltraumwetter: Analysiere ein mögliches Szenario eines starken Sonnensturms und bewerte Folgen für Technik und Alltag.
- Paläomagnetismus: Erkläre, wie magnetisierte Gesteine als Archiv früherer Feldrichtungen dienen.
- Ausstellung: Plane eine kleine Schulausstellung mit Experiment, Modell, Messdaten und einer interaktiven Station zum Erdmagnetfeld.
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Lernkontrolle
- Modellkritik: Erkläre, welche Eigenschaften des Erdmagnetfelds durch das Stabmagnetmodell gut dargestellt werden und wo das Modell versagt.
- Messdaten auswerten: Zwei Smartphones zeigen am selben Ort deutlich unterschiedliche Werte. Entwickle mindestens drei begründete Erklärungen und einen Prüfplan.
- Kompassstörung: Ein Kompass steht neben einem Lautsprecher. Erkläre die Beobachtung und beschreibe, wie Du die ungestörte Nordrichtung bestimmen würdest.
- Sonnensturm: Stelle eine Ursache-Wirkungs-Kette vom Sonnenausbruch bis zu möglichen Störungen eines Stromnetzes auf.
- Transfer: Begründe, weshalb eine wandernde Lage des magnetischen Pols eine regelmäßige Aktualisierung von Navigationsmodellen erforderlich macht.
- Feldkomponenten: Ein Ort besitzt eine große vertikale, aber kleine horizontale Feldkomponente. Beurteile, wie zuverlässig ein waagerechter Kompass dort arbeitet.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
- das Erdmagnetfeld fachsprachlich als Vektorfeld beschreiben kannst,
- Feldlinien als Modell verwendest und ihre Grenzen benennst,
- Deklination und Inklination unterscheiden kannst,
- die Entstehung des Hauptfelds durch den Geodynamo erklärst,
- geografische und magnetische Pole korrekt auseinanderhältst,
- den Einfluss des Sonnenwinds auf die Magnetosphäre erläuterst,
- die Entstehung von Polarlichtern in einer Ursache-Wirkungs-Kette darstellst,
- Messwerte aus einem Kompass- oder Magnetometerversuch auswertest,
- Störquellen und Messunsicherheiten begründet beurteilst,
- mindestens eine Anwendung des Erdmagnetfelds auf eine neue Situation überträgst.
OERs zum Thema
- Wikimedia Commons: Freie Medien zum Erdmagnetfeld
- ESA: Das Erdmagnetfeld – ein riesiger Dynamo
- NASA: Earth's Magnetosphere
- NOAA: World Magnetic Model
Verknüpfte Lernbereiche
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