Aufgabenblock — AFB II
Zehn Aufgaben aus dem ganzen Kapitel „Dauermagnete“. Hier reicht Auswendiglernen nicht: Du sollst beobachten und erklären, eine Regel auf eine neue Situation übertragen, Ergebnisse vergleichen und Tabellen auswerten. Zu jeder Aufgabe gibt es zwei gestufte Tipps und eine ausführliche Lösung zum Nachlesen.
Du hältst einen Stabmagneten an eine Büroklammer — sie bleibt hängen. An diese Klammer hängst du eine zweite: Auch sie bleibt hängen. So wächst eine ganze Kette nach unten. Dann ziehst du den Magneten vorsichtig weg.
a) Was passiert mit der Kette, sobald der Magnet weg ist? b) Wie nennt man Eisen, das sich leicht magnetisieren lässt und die Wirkung sofort wieder verliert?
Vollständige Lösung
b) Solches Eisen heißt weichmagnetisch (Weicheisen): leicht zu magnetisieren, verliert die Wirkung aber sofort wieder. Genau deshalb baut man daraus Elektromagnete — beim Schrottkran gilt: Strom an = hält, Strom aus = lässt los. Das Gegenteil ist hartmagnetisch (Stahl mit viel Kohlenstoff, AlNiCo, Neodym): daraus werden Dauermagnete gebaut.
Eine Büroklammer liegt auf dem Tisch, darüber legst du ein Blatt Papier. Du führst den Magneten über das Papier — die Klammer wandert unter dem Papier mit. Danach legst du eine 5-Cent-Münze hin. Sie besteht aus einem Stahlkern mit Kupferüberzug. Auch sie wird angezogen. Ein reiner Kupferdraht daneben bleibt dagegen liegen.
a) Erkläre, warum die 5-Cent-Münze angezogen wird, obwohl außen Kupfer ist. b) Welcher Stoff im Inneren der Münze sorgt für die Anziehung?
Vollständige Lösung
b) Im Inneren steckt ein Stahlkern — und Stahl besteht hauptsächlich aus Eisen. Eisen ist der Klassiker unter den magnetischen Stoffen. Deshalb sind 1-, 2- und 5-Cent-Münzen magnetisch, während 10-, 20- und 50-Cent-Münzen aus Messing bestehen und nicht angezogen werden.
In der Schulküche liegen zwei Löffel. Auf der Verpackung steht die Zusammensetzung des Edelstahls:
| Löffel | Bezeichnung | Chrom | Nickel | Eisen |
|---|---|---|---|---|
| A | Edelstahl 13/0 | 13 % | 0 % | über 70 % |
| B | Edelstahl 18/10 | 18 % | 10 % | über 70 % |
a) Lies aus der Tabelle ab, wie viel Prozent Nickel in Löffel B stecken. b) Wie viel Prozent Eisen enthalten beide Löffel mindestens? c) Welcher Löffel bleibt am Magneten hängen?
Vollständige Lösung
Und das ist das Spannende daran: Beide Löffel bestehen zum größten Teil aus Eisen — und trotzdem verhalten sie sich völlig verschieden. „Wird nicht angezogen“ heißt also nicht „enthält kein Eisen“. Beim Edelstahl entscheidet der Nickel- und Chromanteil darüber, wie die Bausteine im Inneren angeordnet sind. Bei 18/10 lassen sich die Elementarmagnete nicht mehr gemeinsam ausrichten — der Löffel bleibt am Magneten nicht hängen.
Auf einem senkrechten Stab steckst du Ringmagnete übereinander. Je nachdem, wie herum du einen Ring auflegst, klebt er auf dem unteren fest — oder er schwebt darüber, weil er weggedrückt wird.
a) Ordne jede Paarung dem richtigen Feld zu. Es geht immer um die einander zugewandten Pole. b) Beantworte danach die Zusatzfrage.
So geht es: Wähle zuerst eine Paarung aus (anklicken oder mit Tab anspringen und Enter drücken), klicke dann auf das passende Feld darunter. Mit den Pfeiltasten wechselst du zwischen den Paarungen.
Vollständige Lösung
b) Der schwebende Ring wird nach oben weggedrückt. Eine abstoßende Wirkung gibt es nur zwischen zwei Magneten, und zwar genau dann, wenn sich gleiche Pole gegenüberstehen. Drehst du den Ring um, klebt er sofort auf dem unteren fest — dann stehen sich verschiedene Pole gegenüber.
Merke: Abstoßung ist der einzige sichere Test dafür, dass wirklich zwei Magnete beteiligt sind. Ein unmagnetischer Eisennagel wird nämlich von beiden Polen angezogen und nie abgestoßen.
Ihr taucht einen Stabmagneten an fünf verschiedenen Stellen in eine Schale mit kleinen Eisennägeln und zählt jedes Mal, wie viele hängen bleiben.
| Stelle am Magneten | Nägel |
|---|---|
| linkes Ende | 9 |
| links der Mitte | 4 |
| Mitte | 0 |
| rechts der Mitte | 4 |
| rechtes Ende | 9 |
a) Wie viele Nägel halten die beiden Enden zusammen? b) Wie groß ist der Unterschied zwischen dem rechten Ende und der Mitte? c) Was folgt daraus für den Stabmagneten?
Vollständige Lösung
Achtung, häufiger Denkfehler: Viele vermuten die größte Kraft in der Mitte, weil dort „am meisten Magnet“ ist. Die Tabelle zeigt das Gegenteil. Und noch etwas: Die Nägel bleiben an beiden Enden gleich gut hängen — daran erkennst du also nicht, welches Ende der Nordpol ist. Das verrät dir nur ein Kompass oder die Beschriftung.
Ein magnetisierter Nagel hält mühelos ein paar Eisenspäne fest. Du legst ihn auf eine harte Unterlage und schlägst mehrmals kräftig mit dem Hammer darauf. Danach hält derselbe Nagel fast nichts mehr.
a) Welche Beschreibung passt zu den Elementarmagneten nach dem Hämmern? b) Wie heißt dieser Vorgang mit einem Fachwort?
Vollständige Lösung
b) Der Vorgang heißt Entmagnetisieren. Es gibt drei Wege: Erschütterung oder Hämmern, Erhitzen über die Curie-Temperatur und — als Profi-Methode — ein elektrisches Wechselfeld mit abnehmender Stärke.
Wichtig: Die Elementarmagnete sind ein Modell, also ein hilfreiches Bild in deinem Kopf. In Wirklichkeit sind es winzige Bereiche im Atomgefüge, die man nicht als kleine Stabmagnete anschauen kann.
Über einer bestimmten Temperatur verliert jedes magnetische Material seine Wirkung. Diese Grenze heißt Curie-Temperatur.
| Material | Curie-Temperatur | Vergleich | Temperatur |
|---|---|---|---|
| Neodym-Magnet | ca. 80 °C | kochendes Wasser | 100 °C |
| Nickel | 358 °C | heiße Herdplatte | etwa 250 °C |
| Eisen | 770 °C | Lötkolben | rund 350 °C |
| Cobalt | 1115 °C |
a) Ein Lötkolben ist rund 350 °C heiß. Bei wie vielen der vier Materialien liegt die Curie-Temperatur darunter? b) Wie viele Grad liegen zwischen der Curie-Temperatur von Eisen und der eines Neodym-Magneten? c) Was passiert nach dem Abkühlen?
Vollständige Lösung
Was du daraus mitnimmst: Genau deshalb lautet eine der Sicherheitsregeln „Magnete nicht erhitzen“. Ein Neodym-Magnet ist schon bei ca. 80 °C in Gefahr — das ist weniger als kochendes Wasser. Cobalt dagegen bleibt bis 1100 °C magnetisch und steckt deshalb in Hochleistungsmagneten.
Auf einer Wanderung stellst du dich direkt an einen langen Eisenzaun und liest am Kompass eine Abweichung von 68° vom geografischen Norden ab. Ein paar Schritte weiter, weit weg vom Zaun, zeigt derselbe Kompass nur noch 3° Abweichung.
a) Um wie viel Grad hat der Zaun die Anzeige verfälscht? b) Woran liegt das?
Vollständige Lösung
Die 3° bleiben übrigens auch ohne Zaun bestehen — das ist die Missweisung, die es in Deutschland derzeit gibt.
Regel für draußen: Beim Kartenlesen immer ein paar Schritte weg von Zäunen, Autos, Fahrrädern, Werkzeug und Stromkabeln gehen — und den Kompass nicht neben das Smartphone legen.
Zum Erdmagnetfeld gehören zwei Winkel, die man leicht verwechselt:
| Angabe | Wert |
|---|---|
| Neigung der magnetischen Achse gegenüber der Erdachse | etwa 11° |
| Abweichung der Kompassnadel vom geografischen Norden in Deutschland | etwa 3° |
a) Wie heißt die Abweichung der Kompassnadel vom geografischen Norden? b) Wie groß ist der Unterschied zwischen den beiden Winkeln? c) Der magnetische Nordpol wandert derzeit mit etwa 50 km pro Jahr. Was bedeutet das?
Vollständige Lösung
c) Weil der magnetische Nordpol mit ca. 50 km pro Jahr wandert, ändert sich die Missweisung langsam. In einer sehr alten Karte steht deshalb ein Wert, der heute nicht mehr genau stimmt. Der geografische Nordpol bleibt dagegen an seinem Platz — er hängt nur von der Drehachse der Erde ab, nicht vom Magnetfeld.
Nicht verwechseln: Die 11° beschreiben die Neigung der magnetischen Achse im Erdinneren. Die 3° sind das, was du in Deutschland tatsächlich am Kompass abliest. Das ist nicht dieselbe Zahl und auch nicht dieselbe Sache.
Der rote Nordpol einer Kompassnadel dreht sich immer nach Norden. Er wird also dorthin gezogen — und nicht weggedrückt. Genau daraus kannst du schließen, welcher magnetische Pol in der Nähe des geografischen Nordpols liegt.
a) Begründe mit der Pol-Regel. b) Welcher magnetische Pol liegt nahe beim geografischen Nordpol?
Vollständige Lösung
Warum klingt das so verdreht? Die Namen stammen aus der Seefahrt: Der „nordweisende“ Pol der Nadel sollte auch Nordpol heißen. Erst später hat man erkannt, dass dann am oberen Ende der Erde ein magnetischer Südpol sitzen muss. Für die Praxis ändert das nichts — die Nadel zeigt trotzdem zuverlässig nach Norden.
Magnet-Prüfstand
Diese kleine Werkbank gehört zu keiner Aufgabe — probier hier einfach selbst aus, was ein Magnet mit welchem Gegenstand macht: Wähle einen Prüfgegenstand, fahre den Magneten heran und lies unten mit, ob er angezogen wird und warum.
Tastatur: Mit Tab springst du zu den Gegenständen, mit den Pfeiltasten wechselst du zwischen ihnen. Am Regler und auf dem Prüfstand-Bild bewegen die Pfeiltasten links/rechts den Magneten, Enter oder die Leertaste fahren ihn sofort ganz heran oder wieder zurück.
Notiz: Der Prüfstand zeigt nur, ob ein Gegenstand angezogen wird. Er sagt nichts darüber, wie viel Eisen darin steckt — der Edelstahllöffel 18/10 besteht zu über 70 % aus Eisen und bleibt trotzdem liegen. Umgekehrt wird die 5-Cent-Münze angezogen, obwohl sie außen aus Kupfer besteht: Der Magnet wirkt durch die dünne Schicht hindurch.
Reflexion — bevor du weitergehst
Drei Fragen zum Nachdenken. Antworte erst für dich selbst — dann kannst du dir einen Denkanstoß dazu anzeigen lassen.
- 1. Beobachten und erklären: Bei welcher Aufgabe hast du zuerst geraten und erst danach eine Erklärung gesucht? Was hättest du stattdessen zuerst tun können?
Gute Reihenfolge: erst die Beobachtung in einem Satz aufschreiben („die Kette fällt auseinander“), dann die passende Regel dazu suchen („weichmagnetisch — die Ausrichtung hält nur, solange der Magnet da ist“). Wer mit der Erklärung anfängt, biegt sich die Beobachtung oft passend zurecht.
- 2. Regel übertragen: Die Pol-Regel ist ein einziger Satz. In wie vielen der zehn Aufgaben hast du sie gebraucht — und hast du sie überall wiedererkannt?
Sie steckt in den Ringmagneten (A4), im Nagel-Versuch (A5) und im Globus (A10). Dreimal dieselbe Regel, dreimal ein anderes Aussehen — genau das ist mit „Zusammenhänge herstellen“ gemeint.
- 3. Tabellen auswerten: Bei den Edelstahl-Sorten, den Nägeln und den Curie-Temperaturen musstest du Zahlen vergleichen. Wo hast du dich fast vertan?
Die klassische Falle ist Nickel mit 358 °C: Der Wert liegt nur knapp über den 350 °C des Lötkolbens — knapp darüber ist eben nicht darunter. Beim Vergleichen lohnt es sich, jede Zeile einzeln zu prüfen statt „ungefähr“ zu schätzen.