Myas Schlüsselbund ist in den Gully gefallen. Also hat sie sich im Internet einen Neodym-Supermagneten bestellt. Seitdem kleben Büroklammern an ihrer Gürtelschnalle, Kater Erwins Futterdose verfolgt sie durch die Küche, und der Kühlschrank lässt sie nicht mehr los. „Ich bin eben ein anziehender Mensch“, sagt Mya. Theo und Paul wollen trotzdem wissen, wie das funktioniert. Neu dabei ist Nadja, eine Kompassnadel mit sehr ausgeprägtem Orientierungssinn. Lumi ist ein Lichtfleck und damit völlig unmagnetisch. „Mich zieht hier nichts an“, sagt Lumi stolz.
Physik Klasse 11 (Leistungskurs), Thema Dauermagnete, Magnetfelder um stromführende Leiter und die Darstellung magnetischer Felder. Die Sprüche sind albern, die Physik nicht: Die Feldbilder in Station 3 werden aus dem ampèreschen Modell exakt berechnet (Magnete als Kreisströme), der Ørsted-Versuch in Station 4 mit B = μ0 · I / (2πr) und dem Erdmagnetfeld (waagerechter Anteil in Deutschland etwa 19 µT). Mit Profi markierte Teile greifen dem Thema magnetische Flussdichte vor. Zum Vergleich: Elektrische Felder und Elektrische Ladung.
Myas Sicherheitsregel: Neodym-Magnete schnappen mit gewaltiger Kraft zusammen und quetschen Finger. Nicht verschlucken, weg von Herzschrittmachern, Bankkarten und Festplatten. Und weg von Kater Erwin, der hängt sonst am Heizkörper.
Mya kippt ihre Kramkiste auf den Tisch. Wähle einen Gegenstand aus und lass Mya mit dem Hufeisenmagneten darüberfahren. Vorher tippen lohnt sich: Ein paar Dinge sind echte Überraschungen. Unter Pol-Duell treten Theos und Pauls Stabmagnete auf Rollwagen gegeneinander an, unter Am Faden hängt Mya einen Stabmagneten frei drehbar auf.
Aufträge: ① Finde alle vier Möglichkeiten, wie die Pole zueinander zeigen können. Wann ziehen sich die Wagen an, wann stoßen sie sich ab? ② Formuliere eine Regel, die ohne die Wörter „rot“ und „grün“ auskommt.
Aufträge: ① Stupse den Magneten mehrmals an. Wohin zeigt der rote Pol am Ende jedes Mal? ② Woher hat der Nordpol eines Magneten seinen Namen? ③ Was für ein Magnetpol muss dann in der Nähe des geografischen Nordpols liegen?
Warum wird ein Eisennagel magnetisch, wenn man ihn mit einem Magneten streicht, und warum ist das nach ein paar Hammerschlägen wieder vorbei? Mya erklärt es mit Elementarmagneten: Im Eisen stecken unzählige winzige Magnete (genauer: kleine Bereiche, die Weiss-Bezirke). Sind sie wild durcheinander, heben sich ihre Wirkungen auf. Wie viele Büroklammern an der Nagelspitze hängen bleiben, zeigt, wie stark der Nagel magnetisiert ist. Unten versucht Paul, mit einer Zange einen einzelnen Nordpol herzustellen.
Aufträge: ① Streiche den Nagel mehrmals von links nach rechts. Welches Ende wird zum Nordpol? Und von rechts nach links? ② Entmagnetisiere den Nagel auf zwei verschiedene Arten. ③ Erhitze den magnetisierten Nagel. Ab welcher Temperatur ist es mit der Ordnung vorbei? ④ Schafft Paul es, einen einzelnen Nordpol herzustellen?
Magnetfelder sieht man nicht, aber man kann sie sichtbar machen: mit Eisenfeilspänen auf einer Glasplatte, mit vielen kleinen Kompassnadeln oder als Feldlinienbild. Die Feldlinien zeigen außerhalb eines Magneten vom Nordpol zum Südpol, so wie das rote Ende einer Kompassnadel. Wähle ein Rezept oder baue selbst. Ziehe Magnete, Leiter und Nadja mit der Maus oder dem Finger. Ein Leiter ist von vorn gezeichnet: ⊙ heißt, der Strom kommt aus dem Bildschirm auf dich zu (Pfeilspitze), ⊗ heißt, er fließt in den Bildschirm hinein (Pfeilende mit Federn).
Forschungsaufträge: ① Vergleiche die drei Darstellungen beim Stabmagneten. Welche verrät die Richtung des Feldes, welche nicht? Wo liegen die Feldlinien am dichtesten? ② Schiebe Nadja in den Stabmagneten hinein. Wohin zeigen die Feldlinien im Innern? ③ Wie sieht das Feld eines geraden Leiters aus? Was ändert sich beim Umpolen? Prüfe die Rechte-Faust-Regel. ④ Warum lenkt Myas Verlängerungskabel (Hin- und Rückleiter) einen Kompass kaum ab? ⑤ Vergleiche das Feld der Spule mit dem eines Stabmagneten.
1820 bemerkte Hans Christian Ørsted während einer Vorlesung, dass ein Strom eine Kompassnadel ablenkt. Strom erzeugt also ein Magnetfeld! Mya baut den Versuch mit ihrem Autobatterie-Ladegerät nach. Nadja liegt als Kompass auf dem Tisch und zeigt zunächst nach Norden, ein langer gerader Draht verläuft dicht über (oder unter) ihr. Links siehst du den Versuch von oben, rechts blickst du in Stromrichtung am Draht entlang. An Nadjas Ort überlagern sich das Erdmagnetfeld BE und das Feld BL des Leiters.
| Nr. | I in A | h in cm | Draht | α in ° | tan α |
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Kellerrätsel: Im Keller lenken Myas Stahlregale das Erdfeld um. Wie groß ist dort der waagerechte Anteil BE?
Aufträge: ① Schalte den Strom ein und aus. Wohin schlägt Nadja aus? Polst du um oder legst du den Draht unter Nadja, was dann? ② Drehe den Draht in Ost-West-Richtung. Warum hatte Ørsted Glück, dass sein Draht zufällig in Nord-Süd-Richtung lag? ③ Miss α für mehrere Stromstärken bei festem h und trage tan α über I auf. ④ Profi Bestimme aus der Steigung den waagerechten Anteil des Erdfelds, im Garten und im Keller.