Ein Nagel in drei Zuständen
AFB I–IIEin Eisennagel wird dreimal getestet: Zuerst frisch aus der Packung, dann nachdem er 30-mal in dieselbe Richtung mit einem starken Magneten bestrichen wurde, und schließlich nachdem er mit einem Hammer mehrfach auf einen Amboss geschlagen wurde.
Material M1 zeigt zu jedem Zustand ein Bild aus dem Modell der Elementarmagnete und dazu, wie viele Büroklammern der Nagel tragen konnte.
Die drei Bilder sind absichtlich nicht in der Reihenfolge des Versuchs angeordnet.
- Ordne den drei Zuständen A, B und C die richtige Behandlung des Nagels zu (frisch aus der Packung – bestrichen – gehämmert).
- Erkläre mithilfe des Modells, warum der Nagel in Zustand A keine einzige Büroklammer hält, obwohl er aus lauter Mini-Magneten besteht.
- Begründe, warum der Nagel in Zustand C noch eine Büroklammer hält und nicht gar keine mehr.
Tipp zu Aufgabe a)
Tipp zu Aufgabe b)
Tipp zu Aufgabe c)
Lösung zu Aufgabe a)
Zustand A: frisch aus der Packung — alle Pfeile zeigen kreuz und quer, der Nagel hält nichts.
Zustand B: mit dem Magneten bestrichen — alle Pfeile zeigen in dieselbe Richtung, der Nagel hält 7 Büroklammern.
Zustand C: gehämmert — die Ordnung ist größtenteils zerstört, es bleibt nur noch eine Büroklammer hängen.
Lösung zu Aufgabe b)
Im Modell besteht der Nagel aus vielen winzigen Elementarmagneten, von denen jeder einen Nordpol und einen Südpol hat.
In Zustand A zeigen sie in alle möglichen Richtungen. Für jeden Mini-Nordpol, der nach rechts zeigt, gibt es einen anderen, der nach links zeigt. Ihre Wirkungen heben sich dadurch gegenseitig auf.
Nach außen bleibt so gut wie nichts übrig — der Nagel wirkt unmagnetisch, obwohl im Inneren lauter Mini-Magnete stecken. Erst wenn sie in dieselbe Richtung zeigen, addieren sich ihre Wirkungen zu einem spürbaren Magneten.
Lösung zu Aufgabe c)
Beim Hämmern werden die Elementarmagnete kräftig durchgeschüttelt, und die Ordnung geht größtenteils verloren.
In Bild C zeigen aber noch nicht alle Pfeile völlig durcheinander — einige liegen weiterhin in derselben Richtung. Diese Reste-Ordnung ergibt zusammen noch eine schwache magnetische Wirkung.
Deshalb hält der Nagel noch eine einzige Büroklammer. Würde man weiter hämmern oder den Nagel stark erhitzen, verschwände auch dieser Rest, und der Nagel wäre wieder wie in Zustand A.
Der zerbrochene Stabmagnet
AFB II–IIIEin Stabmagnet fällt zu Boden und bricht genau in der Mitte durch. Vor dem Bruch war das linke Ende der Nordpol (rot) und das rechte der Südpol (blau).
Vier Kinder tippen, was mit den beiden Hälften passiert ist. Ihre Vermutungen stehen in Material M2.
| Kind | Vermutung |
|---|---|
| Ayse | „Links liegt jetzt ein reiner Nordpol, rechts ein reiner Südpol.“ |
| Ben | „Beide Hälften sind überhaupt nicht mehr magnetisch.“ |
| Clara | „Jede Hälfte ist wieder ein vollständiger Magnet mit Nord- und Südpol.“ |
| Dario | „Nur die linke Hälfte ist noch magnetisch, die rechte nicht.“ |
Genau eine dieser vier Vermutungen trifft zu.
- Entscheide, welche Vermutung aus M2 richtig ist.
- Erkläre dein Ergebnis mit dem Modell der Elementarmagnete.
- Jemand schlägt vor, so lange weiterzubrechen, bis man ein Stück mit nur einem einzigen Pol in der Hand hält. Widerlege, dass das gelingen kann.
Tipp zu Aufgabe a)
Tipp zu Aufgabe b)
Tipp zu Aufgabe c)
Lösung zu Aufgabe a)
Richtig ist Claras Vermutung: Jede Hälfte ist wieder ein vollständiger Magnet mit einem Nordpol und einem Südpol.
Die linke Hälfte behält links ihren Nordpol und bekommt an der Bruchstelle einen neuen Südpol; die rechte Hälfte bekommt an der Bruchstelle einen neuen Nordpol und behält rechts ihren Südpol.
Lösung zu Aufgabe b)
Im Modell besteht der Magnet aus einer langen Reihe von Elementarmagneten, die alle in dieselbe Richtung zeigen. Der Nordpol des Stabes entsteht dort, wo die vielen Mini-Nordpole am Ende der Reihe liegen; der Südpol entsprechend am anderen Ende.
Beim Brechen wird kein einziger Mini-Magnet umgedreht oder zerstört — die Reihe wird nur an einer Stelle durchtrennt.
Damit hat jede Hälfte wieder einen Anfang und ein Ende, also wieder einen Nordpol und einen Südpol. Genau deshalb liegen an der Bruchstelle zwei neue Pole, die es vorher nicht gab.
Lösung zu Aufgabe c)
Das kann nicht gelingen. Bei jedem Bruch entstehen wieder zwei Pole — das Ergebnis aus b) gilt für jedes Bruchstück erneut, egal wie klein es ist.
Am Ende bliebe im Modell ein einzelner Elementarmagnet übrig, und schon dieser hat selbst einen Nordpol und einen Südpol. Ein Magnet mit nur einem Pol kommt darin also gar nicht vor.
Das ist ein wichtiger Unterschied zur elektrischen Ladung: Dort gibt es einzelne Plus- und Minusladungen, bei Magneten aber immer nur Paare aus Nord- und Südpol.