Magnet selber machen?
Hallo, ich habe gerade in Physik ein Experiment und zwar muss man Klingeldraht um einen Eisennagel wickeln und dann die Enden des Drahtes an die Pole einer Batterie machen. Dann sollte der Eisennagel magnetisch sein. Wie funktioniert das Ganze und würde es auch mit einem Kupfernagel gehen?
5 Antworten
Eisen und allgemein magnetisierbare Materialien nehmen den Magnetismus ihrer Umgebung auf. Besonders leicht nehmen "weiche" magnetische Materialien diesen Magnetismus auf, aber sie verlieren ihn auch besonders leicht wieder. "Harte" magnetische Materialien brauchen sehr große Magnetfelder, um ummagnetisiert zu werden, oder lassen sich sogar nur magnetisieren, wenn sie im Magnetfeld erhitzt werden oder sehr heiß in ein Magnetfeld gebracht werden und dann dort abgekühlt werden.
Magnetisiertes Eisen verliert übrigens einen Teil seiner Magnetisierung, wenn man es stark erschüttert. Umgekehrt lässt es sich im Magnetfeld leichter magnetisieren, wenn man mit einem Hammer draufhaut.
Eine Spule ist ein Elektromagnet. D. h. solange Strom fließt, ist im Innern der Spule ein Magnetfeld. Bei hohen Strömen ein ziemlich starkes. Das reicht aus, einen Eisennagel - oder einen Schraubendreher - ziemlich stark zu magnetisieren. (Stark für einen Eisengegenstand; mit Ohrhörermagneten kann das immer noch lange nicht mithalten.)
Da Kupfer nicht magnetisch ist, funktioniert dies mit einem Kupfergegenstand von vornherein nicht.
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Erklären kann man das so, dass im Eisenkristall winzige "Elementarmagnete" sitzen. Übrigens auch in anderen Metallen, aber Magnete haben ja das Bestreben, sich "antiparallel" zueinander auszurichten, sodass das Magnetfeld nach außen möglichst schwach wird. Beim Eisen ist es so, dass es (quantenmechanische) Effekte gibt, die die Elementarmagnete dann doch dazu bringen, sich eher gleich wie ihre Nachbarn auszurichten. Es bilden sich spontan Bereiche heraus, innerhalb derer alle Elementarmagnete gleich ausgerichtet sind ("Weißsche Bezirke"). Beim Anlegen eines Magnetfeldes wachsen die "richtig" ausgerichteten Weißschen Bezirke auf Kosten ihrer Nachbarn, weil sich Elementarmagnete in der Nähe der Grenze drehen. Unterstützt wird diese Drehung durch Erschütterungen (thermische Bewegung, äußere Einwirkung).
Tatsächlich sind die Elementarmagnete die Elektronen der zweitäußersten "Schale" der Eisenatome, die nicht zur Leitung beitragen, aber beweglich genug sind, ihre "Eigendrehung" ("Spin") in verschiedene Richtungen zu bringen. Wenn sie magnetisch gleich ausgerichtet sind, können sie sich weiter voneinander entfernt halten, als wenn sie verschieden ausgerichtet sind. (Das zu erklären würde zu tief in die Quantenmechanik der Elektronenhülle hineinführen.) Das gilt im Eisenkristall auch für die magnetischen Elektronen benachbarter Eisenatome. (Das würde noch tiefer in die Quantentheorie hineinführen - hier geht es um Elektronen im Festkörperkristall.)
Ein Magnet zieht Eisen an, nicht aber Kupfer. Das Eisenstück, das an einem Magneten hängt, kann selbst wieder andere Eisenstücke anziehen, weil es selbst zu einem Magneten wurde. Dieser Magnetismus hält aber nicht lange.
Die stromdurchflossene Spule ist ein Elektromagnet, welcher wie ein Permanentmagnet das Eisen magnetisiert. Du hast dann einen "doppelten" Magneten: Spule und Eisenkern. Das ist natürlich stärker, als ohne Eisenkern.
Da Kupfer nicht magnetisiert werden kann, gelingt dies nicht mit einem Kupfernagel.
Solange der Strom fließt, hast Du einen Elektromagnet. Umso stärker, je mehr Strom und/oder je mehr Windungen.
Nach dem Abschalten bleibt ein Eisennagel ein wenig magnetisch (meistens, nicht dann, wenn der Elektromagnet sehr schwach war)
Auch ohne Nagel wäre die stromdurchflossene Spule ein Elektromagnet. Der Eisennagel verstärkt den Elektromagnet. Ein Kupfernagel tut das nicht, und wird auch nicht selbst zum Magnet.
Das Experiment behandelt den Ferromagnetismus. Ferrum heißt lateinisch Eisen. Damit ist gesagt, dass es um eisenähliche Materialien geht, also Eisen, Stahl, Nickel oder Ferrit.
Massives Kupfer ist nicht ferromagnetisch, außer es wäre ein verkupferter Eisennagel.
Das Warum, also warum ein Material ferromagnetisch ist , beantwortet die Quantentheorie im Rahmen der Festkörperphysik. Um Näheres zu erfahren, müsstest du eine entsprechende Vorlesung besuchen.