Magnetfelder - Physik
Magnetfelder - Physik
Einleitung
Magnetfelder begegnen Dir im Alltag an vielen Stellen: Ein Kompass richtet sich aus, ein Lautsprecher erzeugt Töne, ein Elektromotor setzt sich in Bewegung und ein Magnet hält eine Notiz fest. Ein Magnetfeld beschreibt den Raum, in dem magnetische Kräfte wirken können. In diesem aiMOOC lernst Du, wie Magnetfelder entstehen, wie man sie darstellt und wie sie auf Magnete, stromdurchflossene Leiter und bewegte Ladungen wirken.
Das Bild zeigt, wie sich Eisenfeilspäne im Feld eines Stabmagneten ausrichten. Sie machen ein unsichtbares Feldmuster sichtbar.
Lernziele
- Du kannst erklären, was ein Magnetfeld ist.
- Du kannst magnetische Feldlinien lesen und skizzieren.
- Du kennst Magnetfelder von Dauermagneten, Leitern und Spulen.
- Du kannst die magnetische Flussdichte mit dem Formelzeichen und der Einheit Tesla beschreiben.
- Du kannst die Wirkung der Lorentzkraft auf bewegte Ladungen und stromdurchflossene Leiter erklären.
- Du kannst Anwendungen von Magnetfeldern beurteilen.
Grundlagen des Magnetfelds
Was ist ein Magnetfeld?
Ein Magnetfeld ist ein physikalisches Feld. Jedem Ort im Raum kann eine Richtung und eine Stärke zugeordnet werden. Deshalb ist die magnetische Flussdichte eine Vektorgröße. Eine kleine Kompassnadel zeigt näherungsweise die Richtung des Feldes an ihrem Ort.
Magnetfelder entstehen unter anderem durch Dauermagnete und durch bewegte elektrische Ladungen, also durch elektrische Ströme. Ein Magnetfeld kann auch vorhanden sein, obwohl Du es weder sehen noch direkt fühlen kannst.
Die Kompassnadeln richten sich an verschiedenen Orten jeweils in die lokale Feldrichtung aus.
Magnetische Pole
Ein Dauermagnet besitzt einen Nordpol und einen Südpol. Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige Pole ziehen sich an. Teilt man einen Stabmagneten, entstehen keine einzelnen Pole, sondern zwei kleinere Magnete mit jeweils einem Nord- und einem Südpol. Ein solcher Aufbau heißt magnetischer Dipol.
Zwischen gleichnamigen Polen weichen die Feldlinien einander aus. Das Feldlinienbild unterscheidet sich deutlich vom Bild zweier anziehender Pole.
Feldlinien als Modell
Feldlinien sind gedachte Hilfslinien. Sie helfen Dir, Richtung und Stärke eines Magnetfelds darzustellen.
- Außerhalb eines Stabmagneten verlaufen sie vom Nordpol zum Südpol.
- Im Inneren des Magneten laufen sie vom Südpol zurück zum Nordpol.
- Magnetische Feldlinien bilden geschlossene Linien.
- Feldlinien schneiden sich nicht.
- Wo Feldlinien dichter gezeichnet sind, wird ein stärkeres Feld dargestellt.
Eisenfeilspäne zeigen die Form eines Feldes, aber nicht eindeutig seine Richtung. Dafür brauchst Du zusätzlich eine Kompassnadel.
Magnetische Flussdichte
Die Stärke und Richtung eines Magnetfelds wird durch die magnetische Flussdichte beschrieben. Ihre Einheit ist das Tesla mit dem Einheitenzeichen .
Ein starkes Labor- oder Technikmagnetfeld kann viele Größenordnungen stärker sein als das Erdmagnetfeld. Für kleinere Werte werden häufig Millitesla und Mikrotesla verwendet.
Magnetfelder elektrischer Ströme
Gerader stromdurchflossener Leiter
Fließt Strom durch einen geraden Leiter, entsteht um ihn ein kreisförmiges Magnetfeld. Die Richtung bestimmst Du mit der Rechte-Hand-Regel: Zeigt der Daumen der rechten Hand in die technische Stromrichtung, zeigen die gekrümmten Finger die Richtung der Feldlinien.
Für einen langen geraden Leiter im Vakuum gilt näherungsweise:
Dabei ist die Stromstärke, der Abstand vom Leiter und die magnetische Feldkonstante. Das Feld wird also stärker, wenn die Stromstärke zunimmt, und schwächer, wenn der Abstand wächst.
Leiterschleife und Spule
Bei einer Leiterschleife überlagern sich die Magnetfelder der einzelnen Leiterstücke. Viele Windungen bilden eine Spule. Im Inneren einer langen Spule ist das Feld näherungsweise gleichgerichtet und fast homogen. Außerhalb ähnelt das Feld dem eines Stabmagneten.
Für eine lange Spule gilt näherungsweise:
ist die Windungszahl, die Spulenlänge und beschreibt das Material im Inneren. Das Feld wird stärker durch mehr Strom, mehr Windungen oder einen geeigneten Eisenkern.
Bei der Spulenregel zeigen die gekrümmten Finger in Stromrichtung. Der Daumen zeigt in Richtung des Magnetfelds im Inneren und zum Nordpol der Spule.
Elektromagnet
Eine stromdurchflossene Spule, oft mit Eisenkern, wirkt als Elektromagnet. Im Unterschied zu einem Dauermagneten lässt sich ihr Feld ein- und ausschalten. Elektromagnete werden zum Beispiel in Relais, Schrottkränen, Lautsprechern und Elektromotoren eingesetzt.
Kräfte im Magnetfeld
Lorentzkraft auf bewegte Ladungen
Bewegt sich eine elektrische Ladung in einem Magnetfeld, kann auf sie die Lorentzkraft wirken:
Für den Betrag gilt:
Die Kraft steht senkrecht zur Bewegungsrichtung und zum Magnetfeld. Bewegt sich die Ladung parallel zu den Feldlinien, ist die magnetische Lorentzkraft null. Bei senkrechtem Eintritt kann die Kraft eine Kreisbahn verursachen. Bei negativen Ladungen ist die Kraftrichtung entgegengesetzt zur Richtung für positive Ladungen.
Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter
Ein stromdurchflossener Leiter enthält bewegte Ladungen. Befindet er sich in einem äußeren Magnetfeld, kann deshalb eine Kraft auf ihn wirken. Für einen geraden Leiterabschnitt gilt bei einem homogenen Feld:
Dabei ist die wirksame Leiterlänge im Feld. Dieser Zusammenhang ist eine Grundlage des Elektromotors.
Das Erdmagnetfeld
Die Erde besitzt ein großräumiges Erdmagnetfeld. Eine frei bewegliche Kompassnadel richtet sich ungefähr entlang seiner horizontalen Feldkomponente aus. Die magnetischen und geografischen Pole liegen nicht genau am selben Ort. Außerdem verändert sich das Erdmagnetfeld langsam.
Das Erdmagnetfeld unterstützt die Orientierung mit dem Kompass und lenkt einen Teil geladener Teilchen aus dem Weltraum ab.
Magnetische Stoffe
Ferromagnetische Stoffe wie Eisen, Nickel und Kobalt können stark magnetisiert werden. In ihnen können sich viele magnetische Bereiche teilweise gemeinsam ausrichten. Paramagnetische Stoffe werden schwach in ein äußeres Magnetfeld hineingezogen. Diamagnetische Stoffe werden schwach aus Bereichen hoher Feldstärke herausgedrängt. Im Schulalltag ist vor allem der Ferromagnetismus gut beobachtbar.
Das Bild vergleicht drei Darstellungen: Eisenfeilspäne, Feldlinien und Kompassnadeln.
Anwendungen und Zusammenhänge
Magnetfelder sind ein Bindeglied zwischen Elektrizität und Mechanik. Im Elektromotor führt die Kraft auf stromdurchflossene Leiter zu Bewegung. Im Generator entsteht durch die Änderung des magnetischen Flusses eine elektrische Spannung. Lautsprecher wandeln elektrische Signale mithilfe von Magnetfeldern in Schwingungen um. Auch Magnetresonanztomographie, Magnetsensoren und Induktionskochfelder nutzen magnetische Felder.
Ein zeitlich veränderliches Magnetfeld kann ein elektrisches Feld hervorrufen. Dieser Zusammenhang heißt elektromagnetische Induktion und ist eine Grundlage der elektrischen Energieversorgung.
Einfache Schulversuche
Feldlinien eines Stabmagneten untersuchen
Lege einen Magneten unter ein Blatt Papier und streue sehr sparsam Eisenfeilspäne darauf. Klopfe vorsichtig gegen das Papier. Die Späne richten sich entlang des Feldes aus. Verwende anschließend einen kleinen Kompass, um die Richtung an mehreren Punkten zu prüfen.
Magnetfeld einer Spule verändern
Schließe eine Spule kurzzeitig an eine geeignete Kleinspannungsquelle an und beobachte ihre Wirkung auf eine Kompassnadel. Vergleiche verschiedene Stromstärken oder Windungszahlen nur unter Anleitung. Eine Spule kann sich erwärmen und darf nicht unbeaufsichtigt betrieben werden.
Sicherheit
Starke Magnete können Finger einklemmen, zerbrechen und magnetische Datenträger oder empfindliche Geräte beeinflussen. Sie dürfen nicht in die Nähe medizinischer Implantate gebracht werden. Elektrische Versuche werden in der Schule nur mit geeigneter Kleinspannung und nach Anweisung durchgeführt.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was beschreibt ein Magnetfeld? (Einen Raum, in dem magnetische Wirkungen auftreten können) (!Nur die Oberfläche eines Magneten) (!Eine Ansammlung ruhender Luftteilchen) (!Ausschließlich den Nordpol eines Magneten)
In welche Richtung verlaufen Feldlinien außerhalb eines Stabmagneten? (Vom Nordpol zum Südpol) (!Vom Südpol zum Nordpol) (!Immer senkrecht nach oben) (!Vom Mittelpunkt zu beiden Polen)
Welche Einheit gehört zur magnetischen Flussdichte? (Tesla) (!Volt) (!Ohm) (!Watt)
Welche Form haben die Feldlinien um einen langen geraden stromdurchflossenen Leiter? (Konzentrische Kreise) (!Parallele Geraden) (!Spiralen entlang des Leiters) (!Ungeordnete Zickzacklinien)
Wie kann das Magnetfeld einer Spule verstärkt werden? (Durch eine größere Stromstärke) (!Durch das Entfernen aller Windungen) (!Durch das Unterbrechen des Stromkreises) (!Durch einen größeren Abstand zwischen Messpunkt und Spule)
Wann ist die magnetische Lorentzkraft auf eine bewegte Ladung null? (Wenn die Bewegung parallel zum Magnetfeld erfolgt) (!Wenn die Bewegung senkrecht zum Magnetfeld erfolgt) (!Wenn die Ladung positiv ist) (!Wenn das Magnetfeld besonders stark ist)
Was zeigt eine kleine Kompassnadel im Magnetfeld an? (Die lokale Feldrichtung) (!Die elektrische Spannung) (!Die Temperatur des Magneten) (!Die Masse des Magneten)
Welcher Stoff ist ferromagnetisch? (Eisen) (!Glas) (!Holz) (!Kunststoff)
Wozu dient die Rechte-Hand-Regel beim geraden Leiter? (Zur Bestimmung der Feldrichtung) (!Zur Messung der elektrischen Leistung) (!Zur Bestimmung der Masse) (!Zur Berechnung der Temperatur)
Welche Aussage über magnetische Feldlinien ist richtig? (Sie bilden geschlossene Linien) (!Sie enden frei im Raum) (!Sie schneiden sich regelmäßig) (!Sie existieren nur im Inneren eines Magneten)
Memory
| Tesla | Einheit der magnetischen Flussdichte |
| Kompassnadel | Anzeige der lokalen Feldrichtung |
| Stabmagnet | Magnetischer Dipol |
| Spule | Feld ähnlich einem Dauermagneten |
| Lorentzkraft | Wirkung auf bewegte Ladungen |
| Eisenfeilspäne | Sichtbares Feldmuster |
| Elektromagnet | Schaltbare magnetische Wirkung |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Magnetisches Merkmal |
|---|---|
| Dauermagnet | Feld ohne äußeren Strom |
| Gerader Leiter | Kreisförmige Feldlinien |
| Lange Spule | Annähernd homogenes Innenfeld |
| Kompass | Anzeige einer Feldrichtung |
| Lorentzkraft | Kraft auf bewegte Ladungen |
| Tesla | Einheit der Flussdichte |
Kreuzworträtsel
| Tesla | Wie heißt die Einheit der magnetischen Flussdichte? |
| Kompass | Welches Gerät zeigt eine magnetische Richtung an? |
| Spule | Welches Bauteil besteht aus vielen Drahtwindungen? |
| Lorentzkraft | Wie heißt die Kraft auf eine bewegte Ladung im Magnetfeld? |
| Eisen | Welches Metall ist stark ferromagnetisch? |
| Dipol | Wie nennt man ein System aus Nordpol und Südpol? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Feldlinienbild: Zeichne das Feldlinienbild eines Stabmagneten und markiere Nordpol, Südpol und Feldrichtung.
- Kompassversuch: Untersuche mit einem Kompass die Umgebung eines ungefährlichen Alltagsmagneten und protokolliere fünf Messorte.
- Magnetische Stoffe: Sortiere zehn Alltagsgegenstände nach magnetisch, schwach magnetisch oder nicht erkennbar magnetisch und begründe Deine Beobachtung.
- Begriffskarte: Erstelle eine übersichtliche Lernkarte zu Feld, Feldlinie, Flussdichte und Tesla.
Standard
- Spulenmodell: Baue unter Aufsicht eine einfache Spule und untersuche, wie sich ihre Wirkung mit der Windungszahl verändert.
- Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Video zur Rechte-Hand-Regel am geraden Leiter.
- Motoranalyse: Erkläre anhand einer Skizze, wie Magnetfeld, Strom und Kraft in einem einfachen Elektromotor zusammenwirken.
- Medienvergleich: Vergleiche Eisenfeilspäne, Feldlinienzeichnung und Kompassmessung als Methoden zur Darstellung eines Magnetfelds.
Schwer
- Magnetfeldmessung: Plane eine Messreihe zum Abstandsgesetz am geraden Leiter und stelle die erwartete Beziehung zwischen und grafisch dar.
- Lorentzkraftmodell: Entwickle ein Modell, das die Kreisbahn geladener Teilchen im homogenen Magnetfeld erklärt.
- Technikinterview: Befrage eine Fachperson zu einer technischen Anwendung starker Magnetfelder und werte Chancen, Grenzen und Sicherheitsfragen aus.
- Induktionsprojekt: Entwickle einen Versuch, der zeigt, wie ein veränderliches Magnetfeld eine Spannung erzeugt, und dokumentiere Fehlerquellen.
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Lernkontrolle
- Modellkritik: Erkläre, warum Feldlinien nützlich sind, aber nicht als reale Drähte im Raum verstanden werden dürfen.
- Vergleich: Vergleiche das Magnetfeld eines Stabmagneten mit dem Feld einer langen Spule und nenne Gemeinsamkeiten sowie Unterschiede.
- Parameteranalyse: Beurteile, wie Stromstärke, Windungszahl und Spulenlänge die magnetische Flussdichte beeinflussen.
- Richtungswechsel: Erkläre, was mit Polung und Feldrichtung einer Spule geschieht, wenn die Stromrichtung umgekehrt wird.
- Transfer Elektromotor: Leite aus der Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter ab, warum sich eine Leiterschleife im Motor drehen kann.
- Teilchenbahn: Begründe, warum ein geladenes Teilchen im homogenen Magnetfeld bei senkrechtem Eintritt seine Geschwindigkeit ändern kann, ohne dass sich sein Geschwindigkeitsbetrag ändern muss.
Lernnachweis
Für einen gelungenen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du Zusammenhänge erklären und anwenden kannst.
- Du beschreibst Magnetfelder als gerichtete physikalische Felder.
- Du deutest Feldlinienbilder fachlich korrekt.
- Du verwendest und die Einheit Tesla richtig.
- Du wendest Handregeln nachvollziehbar auf Leiter und Spulen an.
- Du erklärst die Lorentzkraft qualitativ und mit einfachen Formeln.
- Du überträgst das Wissen auf Elektromotor, Generator, Kompass oder andere Anwendungen.
- Du dokumentierst Versuche mit Fragestellung, Aufbau, Beobachtung, Auswertung und Sicherheitsregeln.
OERs zum Thema
Verknüpfte Lernbereiche
Magnetfelder verbinden Mechanik, Elektrizitätslehre und moderne Technik. Besonders wichtig sind die Entstehung durch Ströme, die Darstellung mit Feldlinien, die Kraftwirkung und die elektromagnetische Induktion.
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