Erfahrungen mitMagnetismusErfahrungen aus früherenJahrhunderten

Schon vor über zweitausend Jahren hat man mitdem Magnetismus Erfahrungen gemacht. Im al-ten Ägypten, in Griechenland und in Kleinasienwaren schwarze, matt glänzende Steine bekannt,die man zuerst in der Landschaft Magnesia(Thessalien) gefunden hatte. Ein solcher „lithosmagnetes" (Stein aus Magnesia), wie ihn dieGriechen nannten, hat eine erstaunliche Eigen-schaft: wenn man ihm kleine Eisenstückchen bisauf ein paar Millimeter nähert, dann „springen"sie zu ihm hin und bleiben an ihm haften. Dassieht wie Zauberei aus, und so nimmt es nichtwunder, dass Magneten allerlei Zauberkräfte zu-geschrieben wurden. Man glaubte z. B., daß sieWunden, die von Eisen geschlagen worden wa-ren, schneller heilen ließen. Auch in Sagen undMärchen werden Wirkungen von Magneten be-schrieben. In den „Erzählungen aus Tausend undeine Nacht" gibt es die „Geschichte vomMagnetberg". Dort kann man lesen:

„Mein Fürst, morgen gegen Ende des Tages wer-den wir zu einem Berg von schwarzem Gesteinkommen, das ist der Magnetberg. Dann werdensich des Schiffes Planken öffnen, und jeder Nagelwird herausfliegen und an dem Berg haften.Denn die Allmacht Allahs hat jene Gattung Ge-steins mit einer geheimnisvollen Kraft begabt undmit einer besonderen Vorliebe für Eisen; und al-les, was aus Eisen ist, zieht der Magnetstein un-aufhaltsam an."

Das ist natürlich übertrieben. Es gibt zwar Berge,die überwiegend aus magnetischem Gestein(Magnetit oder Magneteisenstein nennt es derGeologe) bestehen und die auch heute noch

Bild 2: Magnete in deiner Umgebung.

Bild 1: Ein schwimmender Magnetit richtet sichimmer in die gleiche Richtung aus.

Magnetberge genannt werden (z. B. auf der InselElba); daß sie aber auf weite Entfernungen Nägelaus den Schiffsplanken ziehen, ist eben ein Mär-chen.

Schon im ersten Jahrhundert n. Chr. machten dieChinesen eine folgenreiche Entdeckung. Wennman einen Magneteisenstein auf einer Holzunter-lage auf Wasser schwimmen lässt, dann dreht ersich samt Unterlage und kommt schließlich in ei-ner ganz bestimmten Richtung zur Ruhe (Bild 1).Wenn man ihn jetzt aus dieser Richtung heraus-dreht, so kehrt er immer wieder von selbst in die-se bevorzugte Richtung zurück. Diese Richtungist ganz unabhängig davon, an welchem Ort mandiesen Versuch durchführt. Zunächst diente einsolcher Richtungsanzeiger den Chinesen zurAusrichtung von Grabstätten und Tempeln. Spä-ter bauten sie auch Kompasse für die Seefahrt.Von China kam der Kompass über Persien um1200 nach Europa. Ohne diese von der Sonne undden Sternen unabhängige Orientierungshilfewären die kühnen Entdeckungsfahrten einesChristoph Columbus oder eines Vasco da Gamaoder die erste Weltumsegelung eines FernandoMagellan zu Beginn unserer Neuzeit (um 1500)nicht möglich gewesen.

Erfahrungen, die du selbst machenkannstDu brauchst dir keinen Stein aus Magnesia zubesorgen, um Erfahrungen mit Magneten zu sam-meln. Heute kann man künstlich hergestellteMagnete im Eisenwarengeschäft oder im Kauf-haus für wenig Geld kaufen, z. B. als Stabmagnet,als Hufeisenmagnet oder als Scheibenmagnet(Bild 3). Damit kann man eine Reihe von Ver-suchen machen. Wenn du einen Magneten hast,kannst du sie selbst durchführen.

Nimm kleine Gegenstände aus verschiedenemMaterial und prüfe, welche davon von demMagneten angezogen werden.

Du wirst feststellen, daß Gegenstände aus Eisenangezogen werden. Vielleicht wunderst du dich,daß auch Pfennigstücke am Magneten hängen-bleiben. Diese Münzen haben einen Eisenkern,der zum Schutz gegen Rost mit einer dünnenSchicht aus Kupfer überzogen ist. Auch andereeiserne Gegenstände haben häufig eine Schutz-schicht aus einem beständigeren Metall (z. B.Messing, Zink, Chrom) oder aus Farbe. SolchenGegenständen kann man nicht ansehen, daß sieaus Eisen sind. Mit einem Magneten lässt sich dasEisen aber leicht aufspüren.

Suche mit einem Magneten in der Wohnung nachgrößeren Gegenständen oder Teilen davon, dievom Magneten angezogen werden.

Es gibt Metallgegenstände, die Eisen enthaltenund doch nicht vom Magneten angezogen wer-den; beispielsweise gibt es solche Eßbesteckeund Kochtöpfe. Dem Eisen sind dann andereMetalle zugesetzt worden, z. B. Chrom, die dasRosten verhindern. Eine solche Mischung (Legie-rung) ist aber nicht nur rostfrei, sie wird auchnicht mehr vom Magneten angezogen. Also Vor-sicht mit der Schlußfolgerung, ein Metallgegen-

Stabmagnete Hufeisenmagnet

Scheibenmagnete

Bild 3: Künstliche Magnete können verschiedeneFormen haben.

stand enthalte kein Eisen, wenn ein Magnet ihnnicht anzieht! Es kann sich auch um eine unma-gnetische Eisenlegierung handeln.

Es muss nicht immer Eisen sein, was am Ma-gneten hängenbleibt. Auch Nickel und Kobaltwerden vom Magneten angezogen. Sie werdenzusammen mit dem Eisen (lateinisch ferrum) fer-romagnetische Stoffe genannt. Unsere Zwei- undFünfmarkstücke haben z. B. einen Kern ausNickel und können deshalb mit einem starkenMagneten hochgehoben werden.

So wie es Legierungen gibt, die unmagnetischsind, obwohl sie Eisen enthalten, gibt es merk-würdigerweise auch Legierungen, in denen über-haupt kein Eisen und auch kein anderer ferro-magnetischer Stoff (Kobalt, Nickel) enthalten ist,und die trotzdem magnetisch sind!

Aufgaben

1. Suche nach „versteckten" Magneten in deinerUmgebung und beschreibe ihre Funktion.Bild 2 gibt dir einige Anregungen.

2. Denke dir verschiedene Anwendungen fürMagnete aus und beschreibe sie. Unterscheidedabei Anwendungen zum Festhalten, zum Prü-fen und zum Sortieren.

Versuche mit MagnetenWer zieht wen an?Dir ist vielleicht aufgefallen, dass kleinere Gegen-stände aus Eisen zum Magneten hingesprungensind, dass manchmal aber auch der Magnet zudem Gegenstand aus Eisen gezogen worden ist.Das kannst du noch genauer untersuchen.

Bild 1: So kannst du die wechelseitige Anziehungeines eisernen Gegenstandes und einesMagneten erkennen.

Versuch 1: Besorge dir einen Klotz aus Eisen undlege ihn auf zwei runde Filzstifte (Bild la). Wenndu ihm mit einem Ende des Magneten genügendnahegekommen bist, dann wird das Eisen zumMagneten hinrollen. Vertausche nun Eisenklotzund Magnet (Bild lb). Was beobachtest du?

Ein Gegenstand aus Eisen und ein Magnet wir-ken wechselseitig aufeinander ein. Der Magnetzieht das Eisen und das Eisen zieht den Magne-ten an. Man sagt: Zwischen Eisen und Magnetbesteht eine Wechselwirkung.

Wirkt der Magnet durch Stoffehindurch?

Ein Magnet kann Eisen auch dann anziehen,wenn es mit anderem Material ummantelt ist, z. B.einen Groschen mit einer Messinghülle oder eineKühlschrankwand mit einem Lackanstrich. Dar-aus könnte man schließen, daß ein Magnet durchbestimmte Materialien hindurch wirken kann.Das kannst du näher untersuchen.

Versuch 2: Suche dir flache Gegenstände ausunterschiedlichem Material zusammen, etwa eindünnes Holzbrett, eine Glasplatte (Spiegel),einen Metallteller aus Zinn oder Messing, einenTopfdeckel aus Aluminium oder ein Heft. Auchein Eisenblech sollte dabei sein, etwa ein schwar-zes Kuchenblech. Probiere nun nacheinanderaus, ob ein Magnet durch diese Gegenstände hin-durch Eisen anzieht (Bild 2).

Du wirst feststellen, daß die magnetische Wir-kung durch Stoffe wie Holz, Glas, Kupfer, Alumi-nium oder Papier nicht behindert wird. Es sinddies alles Stoffe, die selbst vom Magneten nichtangezogen werden. Durch eine Eisenplatte ver-mag der Magnet aber nicht hindurchzuwirken.

Die Wirkung eines Magneten geht durch Stoffehindurch, die selbst nicht von ihm angezogenwerden. Durch ferromagnetische Stoffe dage-gen (Eisen, Nickel, Kobalt) vermag ein Magnetnicht hindurchzuwirken.

Ist ein Magnet überall gleich stark?Versuch 3: Binde eine eiserne Büroklammer odereinen Nagel an einen Faden. Lege den Magnetenauf den Tisch und hänge den Gegenstand ausEisen in einigem Abstand über die Mitte desMagneten (Bild 3). Was beobachtest du, wenn duihn nun langsam dem Magneten näherst, bis erihn berührt? Wiederhole den Versuch einigeMale.

Bild 2: Magnete können durch andere Stoffe hindurch Eisen anziehen. Eisen dagegen schirmt dieWirkung ab.

Auch wenn du diesen Versuch mit einem andersgeformten Magneten durchführst, ist das Ergeb-nis immer gleich. Das Eisen wird an eines derbeiden Enden des Magneten gezogen. Offenbarbesteht zwischen diesen Stellen des Magnetenund dem Eisen die stärkste wechselseitige Anzie-hung. Diese Stellen werden Pole genannt.

An den beiden Enden eines Magneten ist dieWechselwirkung mit Eisen oder anderen ferro-magnetischen Stoffen am stärksten. Diese Stel-len des Magneten heißen Pole.

Versuch 4: Markiere die beiden Pole des Magne-ten unterschiedlich, z. B. mit den Farben rot undgrün. Hänge den Magneten dann so an einendünnen Faden, daß sich seine beiden Pole aufgleicher Höhe befinden und er sich frei drehenkann (Bild 4). Behalte das Ende des Fadens indeiner Hand und achte darauf, daß sich wederGegenstände aus Eisen noch andere Magnete inder Nähe befinden. Warte ab, bis der Magnetaufhört, sich hin und her zu drehen, und merkedir die Stellung, in der er zur Ruhe kommt.

Du wirst feststellen, daß sich der Magnet immerin dieselbe Richtung einstellt. Der eine Pol weistnach Süden, das ist diejenige Richtung, in der dieSonne um die Mittagszeit steht, der andere Polweist nach Norden. Da immer derselbe Pol nachNorden zeigt, muss man aus diesem Versuchschließen, daß die beiden Pole eines Magnetenverschieden sind. Sie tragen deshalb auch ver-schiedene Namen, und zwar heißt der Pol, dernach Norden weist, Nordpol und der Pol, dernach Süden zeigt, Südpol.

Ein Magnet hat zwei verschiedene Pole. Umeine senkrechte Achse frei drehbar aufgehängt,dreht sich der Magnet so, dass sein Nordpolnach Norden, sein Südpol nach Süden zeigt.

Aufgaben

Was würde passieren, wenn man nach Art vonBild 1 sowohl den Magneten als auch den Ei-senklotz auf zwei Filzstifte (oder zwei Wägel-chen) legen würde? Nimm der Einfachheit hal-ber an, dass beide gleich schwer sind.Warum dürfen sich bei Versuch 4 keine Ge-genstände aus ferromagnetischen Stoffen inder Nähe befinden?

3. Nach Versuch 1 sieht es so aus, als ob maneinen Magneten von einem genau gleich aus-sehenden Stück Eisen nicht unterscheidenkönnte. Wie kannst du ohne weitere Hilfsmitteltrotzdem herausfinden, welches der Magnetund welches das Eisen ist? Denke an Versuch 3!

Bild 3: So kannst du zeigen, dass an den Polen dieAnziehung des Magneten am stärksten ist.

Bild 4: Frei drehbar aufgehängte Magnete stellensich in die Nord-Süd-Richtung.

Wechselwirkungenzwischen Magneten

Magnete - selbst gemachtVersuch 1: Nimm einen großen Nagel, eineStricknadel oder eine eiserne Büroklammer,die du zu einem geraden Drahtstück aufbiegst(Bild 1 und 2). Streiche nun einige Male mit ei-nem Ende (Pol) eines Magneten an dem Eisenentlang (Bild 3) und hänge es dann an einen dün-nen Faden. Am besten geht das mit einem StückKlebefilm (Bild 4). Achte darauf, daß keineferromagnetischen Gegenstände oder Magnetein der Nähe sind.

Du wirst feststellen, daß sich das so behandelteEisen genau so verhält wie der Magnet in Ver-such 4 (S. 105): Nach einigem Hin- und Herpen-deln stellt es sich immer in Nord-Süd-Richtungein. Markiere den Nordpol (das ist das Ende, dasnach Norden zeigt) mit einem Papierschnipsel.Dadurch, dass du mit einem Magneten an dem Ei-sen entlang gestrichen hast, ist es selbst zu einemMagneten geworden. Das Eisen ist, wie man sagt,magnetisiert worden.

Auf diese Weise könntest du beliebig viele Ma-gnete herstellen, ohne dass dein ursprünglicher(starker) Magnet merklich schwächer würde. Diemagnetisierten Eisenstücke sind allerdings nurziemlich schwache Magnete. Sie lassen sich auchleicht ummagnetisieren, d. h. aus einem Nordpollässt sich leicht ein Südpol machen. Wie musst dudas anstellen? Probiere es aus!

Anziehung und AbstoßungVersuch 2: Stelle auf dieselbe Weise (d. h. durchMagnetisieren einer Büroklammer oder eines Na-gels mit einem Magneten) einen zweiten Magne-ten her und ermittle und markiere seinen Nordpolwie bei Versuch 1. Hänge einen der Magnete freidrehbar auf und warte, bis er zur Ruhe gekom-men ist.

a) Nähere den Nordpol des anderen Magnetenvorsichtig dem Nordpol des hängenden Magne-ten.b) Verfahre entsprechend mit den Südpolen.c) Nähere dich erst mit dem Südpol dem Nordpolund dann mit dem Nordpol dem Südpol.

Immer dann, wenn du zwei gleichnamige Poleeinander genähert hast, konntest du beobachten,wie der frei bewegliche Pol abgestoßen wurde(Bild 5). Bei ungleichnamigen Polen konntest dubeobachten, wie der frei bewegliche Pol ange-zogen wurde (Bild 6).

Wenn du zwei Stabmagnete zur Hand hast,kannst du den Versuch damit wiederholen. Auchdabei wirst du wieder Anziehung und Abstoßungfeststellen können, je nachdem, welche Pole dueinander näherst.

Versuch 3: Sehr schön kannst du die Wechselwir-kung zwischen Magneten auch studieren, wenndu den einen der Magnete mit einem Klebebandauf eine Korkscheibe klebst und in einer Schüsselmit Wasser oder im Waschbecken schwimmenläßt. Stelle fest, wie nahe du dich mit dem ande-ren Magneten nähern mußt, bis du merkst, daß

Bild 1 Bild 2 Bild 3: Führe die streichendeBewegung einige Male hinter-einander aus.

sich der schwimmende Magnet bewegt. Beob-achte nun genau, was passiert, wenn du jetzt all-mählich den Abstand der Pole der beiden Ma-gnete verringerst. Schreibe auf, was du beobach-tet hast. Vergleiche deine Formulierung mit demMerksatz.

Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleich-namige ziehen sich an. Die Wechselwirkungzwischen den Polen zweier Magnete ist um sogrößer, je geringer ihr Abstand ist.

Bündelung von MagnetenWenn du zwei Magnete bündelst, sind sie dannzusammen stärker? Versuche es. Du brauchst dreiMagnete gleicher Stärke, die du durch Magneti-sieren herstellen kannst. Hänge einen davon freidrehbar auf oder lasse ihn auf einem Korkenschwimmen und kennzeichne seinen Nordpol.

Versuch 4: Ermittle mit Hilfe des frei drehbarenMagneten die Nordpole der beiden anderen undkennzeichne sie. Lege die beiden Magnete so ne-beneinander, dass Nordpol an Nordpol und Süd-pol an Südpol liegen. Wiederhole nun mit den ge-bündelten Magneten Versuch 2 oder 3. WelchenUnterschied beobachtest du zwischen dem ge-bündelten Magneten und einem einfachen Ma-gneten?

Lege nun die beiden Magnete so, dass Nordpol anSüdpol und Südpol an Nordpol liegen. Prüfe wie-der die Wirkung auf den beweglichen Magneten.

Prüfe, ob deine Beobachtungen mit dem Inhaltder folgenden Merksätze übereinstimmen.

Bündelt man Magnete so, dass ihre gleich-namigen Pole nebeneinander liegen, so wirkensie wie ein Magnet, der stärker ist als jeder fürsich allein. Liegen aber die ungleichnamigen Polenebeneinander, so ist das Bündel in seiner Wir-kung nach außen schwächer als jeder Magnet fürsich allein.

Aufgaben

1. Beschreibe, wie ein frei drehbar aufgehängterMagnet reagiert, wenn man ihm einen nicht-magnetisierten Gegenstand aus ferromagne-tischem Material nähert. Vielleicht hilft es dir,noch einmal bei Versuch 1 (S. 104) nachzulesen.

2. Überlege dir eine Methode, mit der man prüfenkann, ob ein Gegenstand aus Eisen magneti-siert ist oder nicht. Denke daran, dass es bei derWechselwirkung zwischen Magneten Anzie-hung und Abstoßung gibt!

3. Wenn man dem Südpol eines magnetisierten,frei drehbar aufgehängten Eisenstücks ganzvorsichtig und langsam den Südpol eines star-ken Magneten nähert, so stoßen sich die Poleab (gleichnamige Pole!). Wenn man den Süd-pol des starken Magneten aber schnell heran-führt, so ergibt sich Anziehung. Wie erklärst dudir das?

4. Wenn du viele kleine Magnete bunt durchein-ander in eine Schachtel wirfst, wie wirkt danndas Ganze nach außen? Wie wirken die glei-chen Magnete, wenn du sie schön geordnethineinlegst?

Bild 4: Auch dein selbst herge-stellter Magnet dreht sich inNord-Süd-Richtung.

Bild 5: Gleichnamige Polestoßen sich ab.

Bild 6: Ungleichnamige Poleziehen sich an.

Die Erde - ein riesigerMagnet

Warum sich Magnete in Nord-Süd-Richtung drehen

Auf der vorangegangenen Doppelseite hast duerfahren, dass sich Magnete wechselseitig beein-flussen. Wenn du zum Beispiel den Südpol einesMagneten einem frei beweglichen Magnetennäherst, dreht sich der bewegliche Magnet geradeso, dass sein Nordpol dem Südpol des anderenMagneten gegenübersteht. Nun richtet sich, wiedu schon weißt, jeder drehbare Magnet ganz vonalleine mit seinem Nordpol nach Norden aus.Könnte man da nicht auf die Idee kommen, dassauch hierbei sein Nordpol von einem Südpol ange-zogen wird, ja, dass vielleicht die ganze Erde einriesiger Magnet ist?

So ist es. Der „Magnet Erde" hat in der Nähe desgeographischen Nordpols seinen magnetischenSüdpol (es ist ja der Nordpol des Magneten, dernach Norden weist, also von einem Südpol ange-zogen wird) und in der Nähe des geographischenSüdpols seinen magnetischen Nordpol (Bild 1).Ganz genau stimmen die geographischen undmagnetischen Pole aber nicht überein. Der ma-gnetische Südpol liegt im nördlichsten Teil vonKanada, der magnetische Nordpol südlich von

Australien. Das ist auch der Grund dafür, dass dieAusrichtung nicht präzise in der Nord-Süd-Rich-tung erfolgt. Die Abweichung von der Nord-Süd-Richtung, man spricht auch von Missweisung,hängt von der geographischen Lage ab.

Der Physiker und Pädagoge Martin Wagenschein(1896-1988) hat in seinem Buch „Naturphäno-mene sehen und verstehen" beschrieben, wiesich ein großes magnetisiertes Stahlblatt gegen-über dem Magneten der Erde verhält:

„Ich krümme es zu einem leichten Bogen, dass derSchwerpunkt tief kommt, und setze es ausba-lanciert auf die Spitze eines Nagels. Ich drehe esin Ost-West-Richtung, damit es dem Erdfeld rechtdeutlich in die Quere kommt und ihm lange He-belarme bietet, beruhige es zu vollem Stillstand,lasse los und warte.

Es hängt unbeweglich, passiv, und mit seinen er-geben niedergebeugten Enden wie horchend da.Ob der ferne kanadische Pol es erreicht, und seinnoch fernerer antarktischer Bruder? Wie ist es nurmöglich, dass das Stück Eisen den fernen Ruf er-spürt?

Und es spürt ihn. Es versetzt sich in ein zögerndesDrehen. Vielleicht ein noch zufälliges, einemWindhauch verdanktes? Aber es steigert sich, essteckt ein Wille, ein Ziel dahinter, wie ein Karus-sell kommt der Balken langsam in Fahrt undschleudert sich nach wenigen Sekunden gestreck-ten Laufes durchs Ziel. Wenn alles richtig zugeht,dann müsste es jetzt langsam zögern.

Es zögert, es verringert seinen Lauf, es wird zu-rückgerufen zu dem Ziel, das es im Eifer seinerBewegungslust überrannt hatte. In dem Augen-blick, da es anhält und dann wieder ganz so lang-sam wie am Anfang umkehrt, die Nase am Bodenwie ein witternder Hund, ist unser letzter Zweifelvergangen: Es ist kein Windstoß, nicht irgend et-was; es ist der Magnetismus des Erdballs (überdessen Herkunft bekanntlich noch niemand etwasZuverlässiges weiß). Überall, im dichten Wald,auf Bergspitzen und in den Bergwerken, bei Tagund bei Nacht, würden Tausende solcher drehba-rer Magnete genauso wie dieser hier ihr schwin-gendes Spiel beginnen und nach einer gutenWeile stille stehen, alle gehorsam in der Nord-Süd-Stellung zur Ruhe gekommen."

Der MagnetkompassWie du weißt, haben sich die Chinesen bereitsvor etwa 2000 Jahren Magnete als Rich-tungsanzeiger zunutze gemacht. Einen nach demgleichen Prinzip funktionierenden Kompasskannst du dir leicht selbst bauen (Bild 2). Dubrauchst dazu nur eine magnetisierte Eisennadeldurch eine flache Korkscheibe zu stecken, damitsie auf dem Wasser der Untertasse schwimmenkann. Ein moderner Kompass wie in Bild 3 bestehtaus einer Kompassnadel und einer Kompassrose.Die Kompassnadel ist ein frei drehbar gelagerter,leichter Stabmagnet, der an beiden Enden zuge-spitzt ist. Zum Auffinden der Himmelsrichtungenbringt man den stets nach Norden weisendenNordpol der Kompassnadel mit dem N (Norden)der Komparse zu Deckung. Bei einem gutenKompass lässt sich die Missweisung mit Hilfe einerStellschraube korrigieren.

Benutzt werden Kompasse auf Schiffen, in Flug-zeugen, bei Fahrten oder Wanderungen durchwegloses Gelände (z. B. durch Wüsten) oder beiNachtwanderungen, also immer dann, wenn esfür das Einhalten einer Richtung zu wenig Orien-tierungspunkte am Himmel oder auf der Erdegibt. Ein Magnetkompaß zeigt die Himmelsrich-tungen aber nur dann richtig an, wenn sich we-der Eisen oder ein anderer Magnet in seinerNähe befinden. In Gebäuden mit Eisenträgern(Eisenbeton), im Inneren eines Autos oder in derNähe großer Eisenerzlagerstätten (z. B. in Nord-schweden oder im Uralgebirge) kann es deshalbzu erheblichen Abweichungen von der Nord-Süd-Ausrichtung kommen. Aus diesem Grundwerden heutzutage auf Schiffen und in Flugzeu-gen Kreiselkompasse benutzt. Sie beruhen aufdem physikalischen Prinzip, daß ein in schnelleDrehung versetzter, geeignet aufgehängter Krei-sel die Lage seiner Drehachse beibehält. Kreisel-kompasse sind zwar komplizierter und teurer alsMagnetkompasse, haben aber den Vorteil, daßEisenmassen die Anzeige nicht verfälschen.

Bild 2: Diesen einfachen Kompass kannst du dirselbst bauen.

Bild 3: Ein moderner Kompass, der fürWanderungen geeignet ist.

Bild 4: Ein Kreiselkompass

Die magnetische Wirkungdes elektrischen Stroms

Wenn du einen Gegenstand bewegen willst, dannmusst du ihn unmittelbar anfassen oder doch zu-mindest mit dem Mund anblasen (Windrad) oderansaugen (Flüssigkeit in einem Strohhalm). An-ders ist es, wenn du einen Magneten zu Hilfenimmst. Damit kannst du erstaunlicherweise Ge-genstände aus Eisen oder andere Magnete bewe-gen, ohne sie direkt zu berühren. Eine solche„Fernwirkung" ist auch mit Hilfe des elektrischenStroms möglich.

Ein einfacher Versuch von großerBedeutung

Besorge dir eine Flachbatterie und etwa 1 Meterlackisolierten Kupferdraht. Schabe an dessen En-den die Lackschicht ab, damit du nachher eineleitende Verbindung mit den beiden Polen derBatterie herstellen kannst. Außerdem brauchst dunoch einen Magnetkompass. Dein selbstgebauterKompass (Bild 2 auf Seite 111) ist bestens geeignet.

Versuch 1: Ordne alle Gegenstände wie in Bild 1an. Was geschieht mit der Magnetnadel, sobald duden Stromkreis schließt? Lass den Strom immer nurfür kurze Zeit fließen, um die Batterie zu schonen.Vertausche nun die Pole der Stromquelle und wie-derhole den Versuch!

Bild 1: Die Magnetnadel reagiert, sobald derelektrische Strom durch den Draht fließt.

Es ist ganz deutlich zu sehen: Sobald du den Stromdurch den Draht fließen lässt, stellt sich die Magnet-nadel quer zum Draht. Hättest du das erwartet?Dass Magnetnadeln bei der Annäherung an einen

anderen Magneten ausgerichtet werden, ist dirschon bekannt. Aber hier ist doch gar kein andererMagnet im Spiel, sondern nur ein Stück Draht, dasvom elektrischen Strom durchflossen wird!? Es istetwas ganz Neues: Magnetismus ohne Eisen, Elek-tromagnetismus !

Und was passiert, wenn du die Batterie andershe-rum anschließt? Dann stellt sich die Nadel auch querzum Draht, aber der Nordpol zeigt jetzt zur anderenSeite hin. Es gibt keinen Zweifel: Beim Fließen deselektrischen Stroms entsteht etwas, auf das einMagnet reagiert. Ob beim Fließen des Stroms eineArt Magnet entsteht, ein Elektromagnet?

Der ElektromagnetDass das tatsächlich der Fall ist, wirst du bessererkennen, wenn du Versuch 2 durchgeführt hast.

Versuch 2: Wickle den lackisolierten Kupferdrahtvon Versuch 1 auf ein Pappröllchen (z. B. für Näh-seide) und verbinde die beiden blanken Draht-enden für kurze Zeit (um die Batterie zu schonen)mit der Flachbatterie. Wie reagiert deine Magnet-nadel, wenn du ihr ein Spulenende näherst? Prüfeauch, was passiert, wenn du die Pole der Batterievertauschst!

Die Magnetnadel verhält sich genau so, als ob diestromdurchflossene Spule ein Magnet wäre. Andem einen Spulenende ist ein Nordpol, an demanderen ein Südpol. Du kannst dich auch leichtdavon überzeugen, daß der Nord- und der Südpoldes Elektromagneten ihre Plätze wechseln, wenndu die Pole der Batterie vertauschst.

Eine von einem elektrischen Strom durchflos-sene Spule verhält sich wie ein Magnet. Die Polesind in der Nähe der Spulenenden (Bild 2).

Bild 2: Sobald Strom durch die Spule fließt, wirdsie zu einem Elektromagneten.

Einen viel stärkeren Elektromagneten erhältst duin Versuch 3:

Versuch 3: Wiederhole Versuch 2 mit einem Eisen-kern, z. B. einer dicken Eisenschraube, die du in dieGarnrolle schiebst.

Du wirst feststellen, daß eine Strom durchflosseneSpule mit Eisenkern ein viel stärkerer Elektroma-gnet ist als ohne Eisenkern. Das merkst du daran,daß sich die Magnetnadel auch noch in größererEntfernung von einem Spulenende auf dieses aus-richtet. Wahrscheinlich ist dein Elektromagnetauch stark genug, um kleinere Gegenstände ausEisen, z. B. Nägel oder Briefklammern, festzuhalten(Bild 3). Wenn du den Stromkreis unterbrichst,fallen die Nägel herab. Ein Elektromagnet funktio-niert ja nur, solange der elektrische Strom fließt!

ander zu tun haben. Die damaligen Physiker hatdas mächtig angestachelt, den Oerstedschen Ver-such auf den Kopf zu stellen. Sie sagten sich näm-lich: wenn es möglich ist, mit Hilfe des elektrischenStroms einen Magneten zu bauen, warum sollte esdann nicht auch möglich sein, mit Hilfe eines Ma-gneten elektrischen Strom zu erzeugen? Es hatdann aber doch noch 11 Jahre gedauert, bis diesdem englischen Physiker Michael Faraday (1791 -1867) gelang. Sowohl der Strom eines Fahrrad-dynamos als auch der Strom aus der Steckdosewerden so angetrieben.

Wesentlich schneller ging es mit der Verbesserungder Elektromagneten mit Hilfe eines Eisenkerns.Zur Zeit von Oersteds Entdeckung war bereitsbekannt, dass Eisen im Magnetfeld eines Magnetenselbst zu einem Magneten wird. Es sollte nichtlange dauern, bis ein kluger Kopf auf die Idee kam,Eisen mit einer Strom durchflossenen Spule zumagnetisieren: Noch im gleichen Jahr gelang esAndre-Marie Ampere (1775-1836), einem französi-schen Physiker und Mathematiker, einen starkenElektromagneten zu bauen, der so ähnlich wiedeiner (Bild 3) aussah.

Der Elektromagnetismus hat schon bald nach sei-ner Entdeckung zu vielen praktischen Anwendun-gen geführt. Eine Strom durchflossene Spule hatnämlich gegenüber einem Dauermagneten einenentscheidenden Vorteil: Man kann sie nach Belie-ben ab- und anschalten. Auf den ersten Blickscheint das unbedeutend, aber du wirst bald sehen,wie erst dadurch Elektrokran und Klingel, Relais,Telefon und Elektromotor funktionieren können.

Bild 3: Ein selbstgebauter Elektromagnet mitEisenkern.

Die magnetische Wirkung einer Stromdurchflos-senen Spule wird durch einen Eisenkern ver-stärkt.

Zur Geschichte des ElektromagnetismusDer dänische Physiker Hans Christian Oersted(1777 - 1851) führte im Jahre 1820 einen Versuchdurch, der deinem Versuch 1 sehr ähnlich war.Oersted hatte damit gezeigt, dass die magnetischenund die elektrischen Erscheinungen etwas mitein-

Bild 4: Hans Christian Oerstedt und MichaelFaraday.

Nützliche ElektromagneteDer ElektrokranIn Stahlwerken, Schiffswerften oder auf Schrott-plätzen, also überall da, wo man mit großen Eisen-mengen umgeht, werden Elektrokräne eingesetzt.Sie haben anstelle eines Greifers oder Hakenseinen starken Elektromagneten. Damit wird dasAufnehmen oder Ablegen des Eisens einfach: Manbraucht nur den Strom, der durch die Drahtwin-dungen des Elektromagneten fließt, ein- oderauszuschalten. Ein Elektrokran wie in Bild 1 kannenorme Lasten heben: Bis zu 1000 kg Eisenschrottoder gar 30 Tonnen (30 000 kg) schwere kompakteEisenteile aus einem Stück.

Bild 1: Ein Elektrokran auf einem Schrottplatz.

Die elektrische KlingelWenn du dir Bild 2 genau anschaust, kannst duselbst herausfinden, wie eine Klingel funktioniert.Hier noch ein paar Hilfen: Der Stromkreis kann anzwei Stellen unterbrochen werden, (1) am Klingel-taster (in Bild 2 geöffnet) und (2) an der Kontakt-stelle zwischen Stellschraube und Federblech (inBild 2 geschlossen). Wenn du nun den Klingeltasterdrückst, also beide Schalter geschlossen sind, fließtder Strom durch den Elektromagneten und ziehtdas eiserne Federblech an. Was passiert dann?In rascher Folge wiederholt sich immer wieder dasgleiche: Strom unterbrechen, loslassen, Strom flie-

ßen lassen, anziehen, anschlagen, Strom unterbre-chen ... Man spricht auch von Selbstunterbre-chung, weil der Stromfluss ohne unser Zutun immerwieder von selbst unterbrochen wird. Dieser Artvon Selbststeuerung, bei der ein bestimmter Vor-gang immer wieder unbeirrbar, präzise und mithoher Geschwindigkeit abläuft, wirst du noch oftbegegnen. Das können Apparate und Maschinenbesser als Menschen. Wir aber können denken undabwägen, uns an eine veränderte Situation anpas-sen und Apparate austüfteln, die uns das abneh-men, was wir nicht so gut können oder was lang-weilig ist.

Klingeltaster Glocke

Bild 2: Kannst du selbständig herausfinden, wiedie elektrische Klingel funktioniert?

Der SicherungsautomatDafür gleich noch ein Beispiel. Da sitzt er nun imSicherungskasten und hat die Aufgabe, den durchdie Leitung fließenden Strom zu überwachen (Bild3). Tagelang, wochenlang, ja vielleicht jahrelangpassiert nichts, was ihn zur Tat veranlasst. Da, plötz-lich ein Kurzschluss in einem Elektrogerät, es fließtein Strom, der für die dünnen Leitungen viel zugroß ist! Brandgefahr! Der Strom fließt auch durchdie Spule unseres wackeren Sicherungsautoma-ten, der entstandene Elektromagnet zieht einenEisenkontakt an, der Kontakt unterbricht die Lei-tung, der Strom hört auf zu fließen, die Gefahr istgebannt! Wenn der Kurzschluss beseitigt ist, ge-nügt ein Knopfdruck oder das Umlegen eines Kipp-schalters, um den Strom wieder fließen zu lassen.

Erzeugung von DrehbewegungenEin Teig wird gerührt, ein Loch wird gebohrt, eineStraßenbahn setzt sich in Bewegung, ein Blechwird gewalzt, eine Schallplatte wird abgespielt, ein

Bild 3: In einem Haus gibt es viele Stromkreise (z. B.für die Steckdosen, für die Deckenbeleuchtung, fürden Elektroherd). Jeder dieser Sicherungsautoma-ten im Stromverteilerkasten schützt einen anderenStromkreis vor Überlastung. In der Mitte der unte-ren Reihe ist auch ein Fehlerstrom-(FI)-Schutzschal-ter für das Bad im Obergeschoß (siehe auch S. 101).

Stuhlbein wird gedrechselt - alles Vorgänge, beidenen sich etwas fortwährend dreht. Das kommtuns heute ganz selbstverständlich vor, aberDrehbewegungen zu erzeugen und zu nutzen, dar-auf musste man erst einmal kommen. In der Naturgibt es dafür nämlich keine Vorbilder. Irgendwannim Altertum muss einmal ein kluger Kopf die Ideegehabt haben, dass man Getreidekörner auch zwi-schen sich drehenden Steinen zerkleinern kann.Später entdeckte man dann, dass man diese Dreh-bewegung sehr gut von einem im Kreis herumge-führten Tier ausführen lassen kann und noch spä-ter baute man die ersten Wind- und Wassermühlen.Rund 2000 Jahre waren dies die einzigen Antriebe.Erst im Laufe des 18. Jahrhunderts kamen dieDampfmaschinen hinzu.

Auch mit Hilfe des Elektromagnetismus lassen sichDrehbewegungen erreichen. Zuerst versuchte manes mit Elektromagneten, die sich abwechselndanzogen und wieder abstießen, so dass eine Hin- undHerbewegung entstand, ähnlich der Bewegung desKolbens einer Dampfmaschine. Aber schon 1834,vierzehn Jahre nach Entdeckung des Elektroma-gnetismus, gelang es dem Physiker Moritz HermannJacobi (1810 -1874) eine Maschine zu bauen, beider

die Drehbewegung direkt erzeugt wird. Von seinerGrundidee sind alle späteren Elektromotoren abge-leitet: Ein drehbarer Magnet (Rotor oder Läufergenannt) dreht sich im Magnetfeld eines unbeweg-lichen Magneten (Stator, Ständer). Du kannst selbstherausfinden, auf was es dabei ankommt.

Versuch: Halte eine Kompassnadel oder eine dreh-bar aufgehängte magnetisierte Nadel wie in Bild 4vor den Pol eines Elektromagneten. Wie musst du esanstellen, damit sich die Magnetnadel dauernddreht?

einschalten ausschalten

drehbare Magnetnadel

Bild 4: Ein handgesteuerter „Elektromotor". Wenndu den Spulenstrom bei (1) einschaltest und bei (2)wieder ausschaltest, bekommt die Magnetnadelbei jeder Umdrehung einen kleinen Schubs unddreht sich fortwährend.

Du darfst den Strom durch die Spule nicht dauerndfließen lassen! Wenn du wie in Bild 4 den Strom imrichtigen Moment ein- und dann wieder ausschal-test, bekommt die Magnetnadel bei jederUmdrehung einen kleinen Schubs in die gleicheRichtung. Bei richtigen Motoren wird dieses An-und Abschalten von den Motoren selbst besorgt.

Aufgaben1. Vergleiche Dauermagnete mit Elektromagne-

ten. Was ist bei beiden gleich, worin unterschei-den sie sich? Ordne die Merkmale in einerTabelle.

2. Worin bestehen die besonderen Vorteile einesElektromagneten?

3. Denke dir eine Vorrichtung aus, bei der einElektromagnet eine Tür entriegelt. Zeichne sie!

4. Welche Vorteile, welche Nachteile hat einElektromotor gegenüber einem Benzinmotor?

5. Nenne Geräte, die von einem Elektromotor an-getrieben werden.

In die Ferne wirkenDas RelaisWenn früher ein Eisenbahnzug von einem Bahn-hof losfuhr, dann wurde er der nächsten Stationdurch ein Klingelzeichen angekündigt. Wennaber die Entfernung zwischen zwei Bahnhöfen zugroß war, gab es Schwierigkeiten. Dann warennämlich die beiden Leitungen, die den Klingel-knopf und die Batterie der einen Station mit derKlingel der nächsten verbanden, sehr lang undfür den elektrischen Strom eine entsprechendgroße Behinderung. Infolgedessen floss nur nochein kleiner Strom, der für den Betrieb der Klingelnicht mehr ausreichte. Da hatte der englischePhysiker und Erfinder Charles Wheatstone (1802-1875) eine geniale Idee. Er baute eine Art elektri-schen Schalter, den man mit einem ganz kleinenStrom über eine große Entfernung hinweg bedie-nen konnte.

Mache dir anhand von Bild 1 klar, wie ein solcherFernschalter, auch Relais (sprich Relä) genannt,funktioniert. Wenn der Schalter im ersten Bahnhofgeschlossen wird, fließt ein kleiner Strom durchden Elektromagneten in der nächsten Station.Dieser kleine Strom genügt aber, um den linkenArm des Eisenhebels auf den Elektromagneten zuziehen. Der rechte Arm wird dadurch auf einenKontakt gepresst, der den eigentlichenKlingelstromkreis schließt. Die Idee Wheatstonesbestand also darin, dass er zwei Stromkreiseeinrichtete: einen Steuerstromkreis, mit dem er ei-nen entfernten Schalter mit einem verhältnis-mäßig kleinen Strom betätigen konnte und einenArbeitsstromkreis, in dem das Gewünschte ver-richtet wurde, im vorliegenden Fall also das Klin-geln. Aber auch andere Geräte konnten auf diese

Weise ferngesteuert werden, z. B. ein Morsetele-graph, bei dem ein Elektromagnet einen Schreib-stift auf eine laufende Papierrolle drückte. Mit Hil-fe des aus Punkten und Strichen bestehendenMorsealphabets konnte man damit fern schreiben.

Bild 2 zeigt ein modernes Relais mit 3 Kontaktenim Arbeitsstromkreis. Was es damit auf sich hat,kannst du dir in Aufgabe 1 überlegen.

Das TelefonDie Grundidee ist einfach: Schall wird in einenelektrischen Strom umgewandelt, der genau imTakt des Schalls schwankt. Der so geformteStrom fließt zum Empfänger und wird dort wiederin Schall zurückverwandelt.

Schauen wir uns das Innere eines Telefons näheran (S. 115 links). In der Sprechkapsel (Mikrofon)fließt der elektrische Strom zunächst durch einedünne, elastische Metallmembran und danndurch eine lockere Packung kleiner Kohlekörner,Diese stellen für den Strom eine ziemlich große

Elektromagnet ArbeitsstromkreisBild 1: Mit diesem Relais wurden Klingelzeichen über größere Entfernungen übertragen.

Sprechkapsel(Mikrofon)

Behinderung dar, weil er seinenWeg über die wenigen Berüh-rungsstellen nehmen muss. DerStrom ist deshalb relativ klein.Wenn du seinen Weg weiterver-folgst, siehst du, dass er inder Hörkapsel (Lautsprecher)durch die Spule eines Elektro-magneten fließt, der eineMembran aus Eisen anzieht.Wenn nun Schall auf die Mem-bran der Sprechkapsel auftrifft,schwingt sie im gleichen Takt

hin und her. Jedesmal,wenn die Membran nachinnen schwingt, werdendie Kohlekörner etwaszusammengepresst. Da-durch vergrößern sich

die Berührungsstellenzwischen den Kohlekör-

nern und es fließt ein ent-sprechend größerer Strom. Um-

gekehrt wird der Strom kleiner, wenn dieMembran nach außen schwingt. Mit anderen

Worten: der Strom schwankt genau im Takt desauftreffenden Schalls. Da er auch durch die Hör-kapsel fließt, wird die Eisenmembran durch denElektromagneten genau im gleichen Takt zumSchwingen gebracht. Die Bewegung der Mem-bran erzeugt dann Schall, der schließlich unserOhr erreicht.

Du kannst dir eine einfache Sprechkapsel selbstbauen. In Bild 3 findest du die nötigen Anleitun-

Hörkapsel(Lautsprecher)

gen. Es ist damit tatsächlichmöglich, mit einer ausreichendlangen Leitung ins Nachbar-zimmer zu telefonieren. DieTonqualität ist allerdingsmiserabel. Vielleicht hast duLust, ein verbessertes Modellauszutüfteln?

Das Telefon ist gleich zweimalerfunden worden. In seiner heu-tigen Form geht es auf den inAmerika lebenden SchottenGraham Bell (1847-1922) zu-rück, der seinen ersten Fern-sprechapparat 1876 vorstellte.Schon 15 Jahre vorher war demdeutschen Physiklehrer JohannPhilipp Reis (1834-1874) die ersteÜbertragung gesprochener Wortegelungen. Reis beeinflusste denStrom mit einer Stricknadel, die aneinem Ende mit einer gespanntenTierhaut verbunden war und am an-deren Ende lose auf einen Metall-kontakt aufgesetzt war. So entstand ein„Wackelkontakt", der im Takt der schwin-genden Tierhaut geöffnet und wieder geschlos-sen wurde. Im Gegensatz zu Bell fehlte Reis dasGeld, seine Erfindung weiter zuentwickeln.

Das heutige Telefon ist zu einem unentbehrlichenKommunikationsmittel geworden. Mit ent-sprechenden Zusatzgeräten ist es sogar möglich,geschriebene Texte und Zeichnungen zu über-

Streichholz-schachtel

Bleistiftmine,mit dem Messer flachgeschabt

Bild 3: Dieses einfache Telefon kannst du dirselbst bauen.

Beschreibe in Bild 2 den augenblicklichen Zu-stand. Was geschieht, wenn der Steuerstrom-kreis geschlossen wird? Was ändert sich, wennder Motor an die Kontakte 2 und 3 angeschlos-sen wird?

2. Wie könnte die Sprechkapsel von Bild 3 ver-bessert werden?