Das Magnetfeld der Erde

Das Magnetfeld der Erde Übung

• Nenne die Ursache des Erdmagnetfelds

  Tipps

  Erinnere dich, aus welchen Materialien Dauermagneten bestehen können.

  Ferromagneten bestehen vor allem aus Eisen, Nickel oder Cobalt.

  Je weiter du dich von der Erde entfernst, desto schwächer wird das Magnetfeld.

  Lösung

  Das Magnetfeld der Erde ist an den magnetischen Polen am stärksten.
  Je weiter du dich von der Erde (Richtung Weltall) entfernst, desto kleiner ist die Kraft des Magnetfeldes. Im gleichen Abstand vom Mittelpunkt der Erde und von den magnetischen Polen ist die Stärke überall gleich groß.

  Darum kann der Ursprung weder außerhalb der Erde noch auf der Oberfläche sein. Die Oberfläche der Erde ist überall unterschiedlich hoch und besteht aus ganz verschiedenen Materialien.

  Das Magnetfeld geht von dem Erdkern aus. Dieser ist ein Dauermagnet. Dauermagneten bestehen meist aus Eisen, Nickel oder Cobalt, es gibt davon nur sehr wenige Ausnahmen.
  Der Erdkern besteht aus Nickel und Eisen und hat damit beste Voraussetzungen, dauerhaft magnetisch zu sein.

• Beschreibe das Erdmagnetfeld.

  Tipps

  Erinnert dich das Magnetfeld der Erde an das eines dir bekannten Magneten?

  Worüber gibt die Dichte der Feldlinien Auskunft?

  Ein Kompass würde dich jedes Jahr zu einem leicht anderen Ort und nicht genau zum geografischen Nordpol führen. Was bedeutet das für das Magnetfeld der Erde?

  Lösung

  Wird das Magnetfeld der Erde gemessen, dann ist es an unterschiedlichen Orten unterschiedlich stark.

  An zwei Orten der Erde ist es am stärksten. Dies sind die magnetischen Pole. Auch die dir bekannten Magnete haben zwei Pole.
  Einen Nord- und einen Südpol.

  Du kannst dir also vorstellen, dass in der Erde eine Art Stabmagnet steckt.

  Wenn das Magnetfeld an den Polen besonders stark ist, muss es auch einen Ort geben, wo es besonders schwach ist. Dieser Ort liegt genau zwischen den Polen.
  Aufgrund der Lage des Magnetfeldes in der Nähe (nicht exakt!) der geografischen Pole ist dieser Ort in der Nähe des Äquators.

• Erkläre den Begriff Polsprung.

  Tipps

  Ist das magnetische Feld der Erde konstant? Welche Auswirkungen könnte es haben, wenn dies nicht so ist?

  Der magnetische Nordpol stimmt nicht immer mit dem geografischen Nordpol überein, sondern liegt momentan sogar in der Nähe des geografischen Südpols. Es wäre aber möglich. Was bedeutet dies?

  Nach einem Polsprung könnten viele Schätze mit einem Kompass nicht mehr so leicht gefunden werden, da der Kompass dich in eine komplett falsche Richtung leiten würde.

  Lösung

  Das Magnetfeld der Erde ist nicht konstant, und zwar weder von der Stärke noch von der Lage. Diese Faktoren ändern sich fortlaufend.
  Bei einem Polsprung wechseln der magnetische Nordpol und der magnetische Südpol die Plätze. Das Erdmagnetfeld dreht sich also um 180°.

  Der Äquator liegt genau zwischen den geografischen Polen und orthogonal (rechtwinklig) zur Erdachse. Da die magnetischen Pole nicht mit den geografischen Polen übereinstimmen, liegt auch der Äquator immer anders zu den magnetischen Polen.
  Es findet also keine Spiegelung an diesem statt.

  Aktuell wandert der magnetische Südpol etwa 30 Kilometer pro Jahr Richtung Nord-West und das Erdmagnetfeld hat in den letzten 100 Jahren etwa 6% seiner Stärke verloren. Das ist viel.

  Einem Polsprung geht immer eine schnelle Schwächung des Magnetfeldes voraus, so wie es auch in den letzten Jahrhunderten der Fall ist.
  Der letzte Polsprung ist schon etwa 780.000 Jahre her, ein Polsprung passiert im Schnitt aber alle 250.000 Jahre.
  Darum gehen Forscher davon aus, dass es in der näheren Zukunft zu einem Polsprung kommen könnte.

  Welche Folgen dies auf die Erde und die Menschheit mit all ihren technischen Errungenschaften haben würde, ist nicht bekannt und kann nur vermutet werden.

• Erkläre die Funktion eines Kompasses.

  Tipps

  Wie ist ein Kompass aufgebaut?

  Was passiert mit der Kompassnadel, wenn du dich um deine eigene Achse drehst?

  Gleichnamige Pole ziehen sich an, ungleichnamige Pole stoßen sich ab.

  Lösung

  Ein Kompass besteht aus einem Gehäuse, in dem ein drehbar gelagerter Zeiger aus ferromagnetischem Material angebracht ist. Dieser soll sich möglichst reibungsarm drehen können.
  Unter der Nadel ist zudem noch eine Skala angebracht, die das Ablesen der Richtung ermöglicht.
  Auf dieser Skala sind mindestens Norden, Süden, Osten und Westen markiert.

  Magneten werden vom Erdmagnetfeld beeinflusst. So wie bei einem frei hängenden Magneten dreht sich die Kompassnadel und richtet sich entsprechend des Magnetfeldes der Erde aus.

  Bei Magneten werden gleichnamige Pole immer angezogen und ungleichnamige Pole abgestoßen.

  Nach dem Ausrichten zeigt deswegen der Nordpol der Kompassnadel zum Südpol der Erde.
  Du kannst den Kompass dann so drehen, dass der Nordpol auf der Skala mit dem Südpol der Nadel übereinstimmt und weißt dann auch, wo die anderen Richtungen zu finden sind.
  Damit kannst du dich orientieren.

• Beschreibe ein Experiment, mit dem das Erdmagnetfeld nachgewiesen wird.

  Tipps

  Welche Körper werden von einem Magnetfeld beeinflusst und wie verhalten sie sich?

  Ein Magnet erzeugt selber ein Magnetfeld und wird von externen Magnetfeldern beeinflusst.

  Gleichnamige Pole ziehen sich an, ungleichnamige Pole stoßen sich ab. Wie würde sich ein Magnet in einem Magnetfeld dann verhalten?

  Lösung

  Die Erde wird von einem Magnetfeld umgeben, welches sie selber erzeugt.

  Dieses Magnetfeld beeinflusst andere Magneten. Das ist ganz allgemein so:

  Ein Magnet in einem externen Magnetfeld versucht sich entlang der Feldlinien auszurichten.
  Dabei zeigt sein Nordpol immer zum Südpol des Magneten, der das Magnetfeld erzeugt. Dies gilt, da sich ungleichnamige Pole anziehen.

  Wenn du also dafür sorgst, dass sich ein Magnet frei drehen kann, dann richtet er sich entlang der Feldlinien aus. Damit ist nachgewiesen, dass die Erde von einem Magnetfeld umgeben wird.

• Erschließe, wie sich ein Kompass an den magnetischen Polen verhält.

  Tipps

  Wie verhält sich ein Magnet im Magnetfeld eines anderen Magneten?

  Du kannst den magnetischen Erdkern durch einen Stabmagneten simulieren, um die Auswirkungen auf einen Kompass zu beobachten.

  Ist der Magnet im Kompass in seiner Bewegungsfreiheit eingeschränkt und welche Auswirkungen könnte das haben?

  Lösung

  Im Inneren eines Kompasses befindet sich ein Magnet. Dieser kann sich parallel zur Skala des Kompasses drehen.

  Wenn sich ein Magnet im Magnetfeld eines weiteren Magneten befindet, kannst du zwei Dinge beobachten:

  • Die Pole des Magneten zeigen in die Richtung der Magnetpole des weiteren Magneten.
  • Der Magnet richtet sich entlang der Feldlinien aus.

  Wir können uns vorstellen, in der Erde sei ein großer Stabmagnet.
  An den magnetischen Polen zeigen die Feldlinien gerade nach oben, also vertikal (senkrecht) zum Horizont.
  Damit würde auch die Kompassnadel gerne senkrecht stehen - sie kann es nur nicht, da sie sich in diese Richtung nicht bewegen kann.

  Dies wiederum führt dazu, dass sich die Kompassnadel im Kreis dreht. Die Energie dazu erhält sie aus dem magnetischen Feld, es handelt sich also nicht um ein Perpetuum Mobile.

  Du kannst die Situation simulieren, indem du einen Kompass über einen aufrechten Stabmagneten hältst, der den Erdkern darstellen soll.