Magnetfeld eines Stabmagneten

Der Stabmagnet ist das Urbild des Magnetismus: zwei Pole, ein unsichtbares Feld, Fernwirkung ohne Berührung. In drei Zielsetzungen wird er vollständig untersucht: Welche Stoffe spürt er überhaupt (Kraftwirkung)? Wie zeigt eine Kompassnadel Richtung und Stärke des Feldes an? Und welches Gesamtbild zeichnen tausende Eisenfeilspäne auf einen Schlag?

Das Magnetfeld des Stabmagneten ist die Blaupause für alle weiteren Felder des Magnetismus: Das Feld der Spule sieht außen genauso aus, das Erdfeld ebenfalls. Die Feldlinienbilder, die hier entstehen, sind die Sprache, in der später Elektromagnete, Motoren und Induktion beschrieben werden. Und der Versuch räumt mit hartnäckigen Fehlvorstellungen auf: Magnete ziehen nicht „alles Metall“ an, und ein halbierter Magnet hat keineswegs nur noch einen Pol.

Magnetit war schon in der Antike bekannt; William Gilbert erkannte 1600, dass die Erde selbst ein Magnet ist. Die Feldlinien-Sprache stammt von Faraday, und die Suche nach dem isolierten Magnetpol (Monopol) blieb bis heute erfolglos: ein experimentell bestens gesicherter Nullbefund.

Teste alle Materialproben auf Anziehung, bestimme mit Büroklammern die stärksten Stellen des Magneten und untersuche die Kräfte zwischen zwei Stabmagneten in allen Polkombinationen.

Drei Fragen, drei Vorhersagen. Stoffe: Wenn Magnetismus an einer besonderen Materialeigenschaft hängt (ausrichtbare Elementarmagnete), sollten nur wenige Stoffe reagieren, nicht pauschal alle Metalle. Orte: Treten die Feldlinien an den Enden gebündelt aus, muss dort die Kraft am größten sein; in der Mitte des Magneten sollte fast nichts haften. Magnetpaare: Aus der Zweipoligkeit folgt eine Vierfelder-Erwartung: Nord-Nord und Süd-Süd stoßen ab, Nord-Süd und Süd-Nord ziehen an.

Materialkasten, Büroklammern, zwei Stabmagnete. Die Proben sollten auch „Fallen“ enthalten: Edelstahllöffel (oft kaum magnetisch), Kupfermünze, lackiertes Eisen.

Der Magnet mit Zonen-Beschriftung (Pole, neutrale Zone in der Mitte) und die Vierfelder-Tabelle der Polkombinationen zum Ausfüllen.

Aufbau: Stabmagnet auf dem Tisch, darüber (für das Spänebild) eine Glasplatte oder ein Blatt Karton; kleine Kompassnadel auf Nadellager; Materialkasten mit Proben (Eisen, Stahl, Kupfer, Aluminium, Messing, Kunststoff, Holz, Nickelmünze).

Schritt 1: Jede Probe an den Magnetpol halten: anziehen ja/nein notieren.

Schritt 2: Büroklammern nacheinander an verschiedene Stellen des Magneten hängen (Pole, Mitte, dazwischen): Wo trägt er wie viele?

Schritt 3: Zweiten Magneten in allen vier Polkombinationen annähern: Kraftrichtung notieren.

Stoffe: Nur die Eisengruppe reagiert: Magnetische Anziehung ist eine Materialeigenschaft (Ferromagnetismus), kein Metall-Merkmal. Dass die angezogenen Stoffe selbst zeitweise magnetisch werden (die Klammern hängen aneinander!), deutet auf ausrichtbare Elementarmagnete im Material.

Orte: Die Tragkraft konzentriert sich an den Enden, die Mitte ist neutral: Das Feld tritt an den Polen gebündelt aus. Das Spänebild der dritten Zielsetzung wird genau das flächig bestätigen.

Polpaare: Die Vierfelder-Erwartung trifft vollständig ein, formal dieselbe Struktur wie bei den zwei Ladungsarten der Elektrostatik. Der Unterschied: Magnetpole treten nie einzeln auf.

Der Magnet wirkt nur auf ferromagnetische Stoffe, am stärksten an seinen Polen, und zwischen zwei Magneten gilt die Polregel: gleichnamig stößt ab, ungleichnamig zieht an.

Beim qualitativen Sortieren führen vor allem Materialüberraschungen zu Fehlurteilen: