Das Elementarmagnetenmodell

Magnetisieren und Elementarmagneten

Sicher hast Du Dir inzwischen einige Fragen gestellt, z.B. wie die magnetische Wirkung – die Kraftwirkung über einige Entfernung – überhaupt zustande kommt, wie Magnetpole entstehen, wie Magnete hergestellt werden etc.

Das Elementarmagnetenmodell, welches Du auf dieser Seite kennenlernen wirst, dient zum Verständnis einiger dieser Vorgänge.

Da wir nicht in Magnete hineinschauen können – und selbst wenn, würden wir nichts besonderes erkennen – müssen wir diesen Fragen auf den Grund gehen, indem wir Hypothesen (Annahmen) aus experimentellen Ergebnissen ableiten und ggf. verifizieren.

Gibt es einzelne Magnetische Pole?

Wir haben zuvor formuliert, dass alle Magnete zwei Pole haben. Doch was würde passieren, wenn wir einen Magneten in der Mitte zerteilen würden? Hätten wir dann nicht zwei Magnete mit jeweils nur einem Pol?

Diese Frage lässt sich einfach beantworten. Da Magneten ziemlich spröde sind und je nach Form recht leicht zerbrechen, wenn man sie fallen lässt, passiert es immer wieder einmal, dass ein Magnet zerbricht. Anhand eines solchen zerbrochenen Magneten lässt sich leicht feststellen, dass sich jede Hälfte wie ein normaler Magnet verhält und wiederum zwei Pole hat – einen Nordpol und einen Südpol.

 

Wir sehen, dass die linke Seite des grünen Teilstücks vom Südpol des heilen Magneten angezogen wird. Es muss sich also um einen Nordpol handeln.

Wenn wir jede Hälfte noch einmal zerteilen würden, hätte wieder jedes Teilstück einen Nord- und Südpol. So oft wir den Magneten auch zerteilen würden – jedes noch so kleine Teilstück hätte jeweils einen Nordpol und einen Südpol. Nord- und Südpole treten also stets gemeinsam auf. Man spricht dabei von Dipolen (“di” bedeutet “zwei”).

Damit lässt sich folgende Aussage machen:

Das führt zu der Hypothese, dass jeder Magnet aus kleinsten Teilchen (Elementen) besteht, bei denen es sich um Dipole handeln muss. Beobachtung:Diese winzigen Dipole nennt man Elementarmagnete.

Magnetisieren

Wir haben Eisen, Nickel und Kobalt als ferromagnetische Stoffe identifiziert. Doch was unterscheidet diese Stoffe von anderen? Und was passiert, wenn man einen solchen Stoff in den Einflussbereich eines Magneten bringt?

Dazu machen wir folgendes Experiment:

Versuch:

Ein Magnet wird mehrmals in eine Richtung über einen dünnen Eisenstab gezogen.

Anschließend nähern wird den Eisenstab einem Häufchen aus Büroklammern:

Beobachtung:

Der Eisenstab zieht die Büroklammern an. Offenbar ist der Eisenstab nun selbst ein Magnet geworden – er ist zwar nicht so stark wie der eigentliche Magnet, aber einige Büroklammern bleiben an ihm hängen.

Das bedeutet: Wir haben den Eisenstab magnetisiert!

Wie ist dieser Vorgang zu erklären?

Wir haben bereits oben die Hypothese von den Elementarmagneten aufgestellt. Können wir auch den Vorgang des Magnetisierens damit erklären?

Wenn Magnete Elementarmagnete enthalten, dann müsste der Eisenstab auch Elementarmagnete enthalten. Hat er diese durch das Magnetisieren erhalten, oder hatte er diese bereits vorher?

Es wäre wäre folgende neue (erweiterte) Hypothese denkbar:

Hypothese:

Magnete und Ferromagnetische Stoffe enthalten Elementarmagnete in Form von Dipolen.

Bei der Vorstellung von Elementarmagneten handelt es sich um eine Modellvorstellung. Darunter versteht man ein vereinfachtes Bild der Realität, mit dem man beobachtbare Vorgänge erklären kann. Meist ist die Realität deutlich komplexer, aber oft ist es gar nicht nötig, jede Einzelheit genau zu erfassen.

Zur Unterstützung der Vorstellung von Elementarmagneten und zur Erklärung des Vorganges des Magnetisierens dient ein Modell mit vielen einzelnen Magneten in Form von kleinen Kompassnadeln:

Man erkennt, dass die einzelnen Kompassnadeln in unterschiedliche Richtungen zeigen, wobei in einzelnen Bereichen ihre Richtung übereinstimmt.

Nun nähern wir diesem Modell einen Magneten und entfernen ihn dann langsam wieder:

Beobachtung:

Die einzelnen Kompassnadeln richten sich unter dem Einfluss des Magneten so aus, dass sie alle in die gleiche Richtung zeigen.

Das Magnetisieren ließe sich also damit erklären, dass sich durch den Einfluss des Magneten die Elementarmagnete im Eisenstab ausrichten und der Eisenstab dadurch selbst zu einem Magnet wird.

Diese Hypothese wird dadurch gestützt, dass die magnetische Wirkung wieder verloren geht, wenn man den Eisenstab mehrfach auf einen Tisch schlägt. Durch die Erschütterung geht die Ordnung der Elementarmagnete wieder verloren. Das Modell der Elementarmagneten scheint also auch dafür eine Erklärung zu liefern. Wir wollen daher alle Aussagen dieses Modells noch einmal zusammenfassen:

Das Elementarmagnetenmodell

Jeder Magnet und jeder ferromagnetische Stoff enthält Elementarmagnete in Form von Dipolen.

Durch Ordnung der Elementarmagnete entsteht die magnetische Wirkung.

In einem Dauermagneten zeigen die Pole der Elementarmagneten alle in die gleiche Richtung, und diese Ordnung bleibt über lange Zeit weitgehend bestehen.

Innerhalb eines ferromagnetischen Stoffs sind die Elementarmagnete in der Regel völlig ungeordnet. Sie können durch einen Magneten geordnet werden, diese Ordnung geht aber mehr oder weniger schnell (je nach Beschaffenheit des Stoffs) wieder verloren:

Es bleibt die Frage: Wie kann sich die magnetische Kraftwirkung über eine gewisse Distanz fortpflanzen?

Für diesen Zusammenhang benötigen wir den Begriff des Magnetfeldes. Mehr dazu erfährst Du auf der nächsten Seite!