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Magnetismus

Magnete und ihre Pole, Feldlinien und Kompasse, das Magnetfeld der Erde, Elektromagnete sowie die daraus gebauten Motoren und Generatoren. Im Energielabor kannst du Feldlinien mit einem Kompass untersuchen und bei einer Spule die Windungszahl und Stromstärke ändern.

Fortschritt

Über diesen Kurs

1600 veröffentlichte der englische Arzt William Gilbert De Magnete, ein Buch über seine eigenen Magnetversuche. Er formte einen Magnetstein zu einer Kugel, bewegte kleine Kompassnadeln über ihre Oberfläche und vertrat die Ansicht, die Erde selbst verhalte sich wie ein großer Magnet. Frühere Autoren hatten bereits eine Verbindung zwischen Erde und Kompass vermutet. Gilberts Buch formulierte sie jedoch erstmals ausdrücklich. Die Idee erklärt noch heute den Kompass: Der magnetische Pol nahe dem geografischen Nordpol ist im Sinne eines Magneten ein Südpol. Deshalb zeigt das Nordende der Kompassnadel dorthin.

Die fünf Einheiten beginnen mit Magneten und ihren Polen. Halbierst du einen Stabmagneten, entstehen zwei Magnete, jeder mit eigenem Nord- und Südpol. Es folgen Magnetfelder und Feldlinien. Das Erdmagnetfeld an der Oberfläche beträgt etwa 25 bis 65 Mikrotesla. Das Feld in der Spule eines medizinischen MRT-Geräts ist Zehntausende Male stärker. Eine eigene Einheit zum Erdmagnetfeld knüpft an Gilbert an. Die Einheit „Elektromagnete“ zeigt, dass eine Spule mit 200 Windungen auf 10 cm bei 2 A innen etwa 5 mT erzeugt, ungefähr das 100-Fache des Erdmagnetfelds. Die letzte Einheit behandelt Motoren und Generatoren: Auf einen 5 cm langen Draht mit 20 A quer zu einem 1.5-T-Feld wirkt eine Kraft von 1.5 N. In einer Schleife umgesetzt ergibt dieses Prinzip einen Motor. Das Energielabor zeichnet Feldlinien, die du mit einem Kompass untersuchen kannst, und die Erde als geneigten Magneten. Du veränderst Windungszahl und Stromstärke einer 10-cm-Spule. Kehrst du den Strom um, tauschen ihre Pole die Plätze.

Bevor du anfängst

Die ersten drei Einheiten zu Polen, Feldlinien und dem Erdfeld brauchen vorher nichts. Elektromagnete, Motoren und Generatoren hängen vom Strom ab, daher wird dir die zweite Hälfte viel leichter fallen, wenn du zuerst Elektrizität durcharbeitest.

Wenn du fertig bist

Wenn du fertig bist, kannst du vorhersagen, ob sich zwei Pole anziehen oder abstoßen, Feldlinien skizzieren und erklären, warum sie sich nie kreuzen, und sagen, warum das Nordende einer Kompassnadel auf etwas zeigt, das in Magnetsprache ein Südpol ist. Du schätzt das Feld im Inneren einer Spule ab, berechnest die Kraft auf einen stromdurchflossenen Draht im Feld und erklärst, wie diese Kraft einen Motor antreibt.

  1. 1Magnete und ihre PoleSchneidest du einen Stabmagneten in zwei Hälften, erhältst du zwei Magnete, jeweils mit eigenem Nord- und Südpol.
  2. 2Magnetfelder und FeldlinienDas Erdmagnetfeld an der Oberfläche beträgt etwa 25 bis 65 Mikrotesla. Das Feld im Inneren einer MRT-Spule im Krankenhaus ist mehrere Zehntausendmal stärker.
  3. 3Das ErdmagnetfeldDer Magnetpol nahe dem geografischen Nordpol ist physikalisch ein Südpol. Deshalb zeigt das Nordende eines Kompasses dorthin.
  4. 4ElektromagneteEine 10 cm lange Spule mit 200 Windungen und 2 A Strom erzeugt im Inneren ein Feld von etwa 5 mT, ungefähr das 100-Fache des Erdmagnetfeldes.
  5. 5Motoren und GeneratorenAuf einen 5 cm langen Draht mit 20 A quer zu einem Feld von 1.5 T wirkt eine Kraft von 1.5 N. Nutzt man diese Wirkung zum Drehen einer Schleife, erhält man einen Motor.

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Quellen zu diesem Kurs (16)
  • OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 22.1 Magnets (all magnets have N and S poles, north-seeking and south-seeking, like poles repel and unlike attract, poles cannot be separated, the magnetic pole near the geographic North Pole is a south magnetic pole, sunspots come in N/S pairs)
  • 22.2 Ferromagnets and electromagnets (iron, cobalt, nickel, gadolinium; neodymium alloys; domains grow to millimetre size; Curie temperature of iron 1043 K (770 °C); Oersted saw a compass needle deflected by a current; electromagnets in scrapyard cranes, particle accelerators and MRI; electric current is the source of all magnetism; no monopoles observed)
  • 22.3 Magnetic fields and field lines (direction = where a compass north end points; four rules: tangent, density = strength, never cross, closed loops from N to S outside)
  • 22.7 Magnetic force on a current-carrying conductor (F = I l B sin θ, 1 T = 1 N/(A·m), example 20.0 A, 5.00 cm, 1.50 T gives 1.50 N; motors)
  • 22.9 Magnetic fields produced by currents (Oersted 1820, right hand rule 2, B = μ0 I ÷ (2π r), μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A, Earth's field about 5.0 × 10⁻⁵ T, 25 A at 5.0 cm gives twice that; loop centre B = N μ0 I ÷ 2R; solenoid B = μ0 n I, 2000 loops over 2.00 m with 1600 A gives 2.01 T, MRI; ferromagnetic cores)
  • 23.1 Induced emf and magnetic flux (Faraday's iron-ring apparatus, emf only while the field changes, magnet pushed into a coil, faster motion gives more emf, generators, Φ = B A cos θ)
  • NIST CODATA 2022 vacuum magnetic permeability μ0 = 1.25663706127(20) × 10⁻⁶ N/A² (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mu0)
  • NOAA NCEI Geomagnetism Frequently Asked Questions (ncei.noaa.gov/products/geomagnetism-frequently-asked-questions): field like a dipole at Earth's centre, over 90% from the outer core, intensity roughly 25,000 to 65,000 nT (0.25 to 0.65 gauss)
  • 1 gauss = 100,000 nT, declination = angle between magnetic north and true north (east positive)
  • inclination, dip poles, dipole axis 9.41° from the rotation axis (WMM2020, 2020.0)
  • north magnetic pole moving about 55 km per year north-northwest (2001 and 2007 surveys)
  • last reversal about 750,000 to 780,000 years ago, reversals spaced 5 thousand to 50 million years, a reversal would take several thousand years, models renewed every five years, blackout zones where H < 2000 nT, compass balance weights differ by hemisphere, true bearing = magnetic bearing + declination
  • NOAA NCEI news "World Magnetic Model 2025 Released" (17 December 2024)
  • NOAA NCEI "December 2025 State of the Geomagnetic Field" (north dip pole 36 km/yr and south dip pole 9 km/yr since 1 January 2025)
  • USGS, "Pre-gilbertian conceptions of terrestrial magnetism" (pubs.usgs.gov/publication/70009843): Gilbert's De Magnete (1600) first suggested that Earth behaves as a great magnet. Royal Institution, Michael Faraday's ring-coil apparatus (rigb.org): made August 1831, success on 29 August 1831, the first electric transformer
  • APS News "This Month in Physics History" (Aug 2001): Faraday's electromagnetic rotation experiments of September 1821, the principle behind the electric motor.

Abgerufen: 2026-10-17