Kompass – Orientierung am Magnetfeld der Erde
Erfahre, wie ein Kompass mit dem Magnetfeld der Erde zusammenhängt und wie er uns beim Navigieren hilft. Von Magneten und Polgesetzen bis hin zu Feldlinien und geografischen Polen: Alles, was du über Kompass und Magnetismus wissen musst. Interessiert? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text!
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Grundlagen zum Thema Kompass – Orientierung am Magnetfeld der Erde
Der Kompass und das Magnetfeld der Erde
Hast du beim Wandern schon einmal einen Kompass in der Hand gehabt, um damit den richtigen Weg zu finden? Dann weißt du bestimmt, dass das Navigieren mit einem Kompass gar nicht mal so einfach ist. Der folgende Text hilft dir sicherlich dabei, die Funktionsweise eines Kompasses besser zu verstehen.
Der Kompass – Aufbau und Funktion
Dass ein Kompass etwas mit Magneten zu tun hat, weißt du bestimmt. Daher wollen wir zuerst ein paar Regeln über Magnete wiederholen. Die sogenannten Polgesetze lauten:
- Gleichnamige Pole stoßen sich ab.
- Ungleichnamige Pole ziehen sich an.
Nordpol und Südpol ziehen sich also an, während sich Nordpol und Nordpol gegenseitig abstoßen.
Ein Kompass ist relativ einfach aufgebaut. Sein Hauptbestandteil ist ein flacher Zeiger aus magnetischem Material. Dieser Zeiger wird auch als Kompassnadel bezeichnet. Der Zeiger richtet sich in Richtung Norden aus. Er ist meist möglichst reibungslos über einer Skala gelagert. Diese kannst du so drehen, dass der Nordpol auf der Skala mit dem Nordpol, den die Kompassnadel anzeigt, übereinstimmt. Nun weißt du auch, wo alle anderen Himmelsrichtungen liegen.
Doch wonach richtet sich die Kompassnadel eigentlich aus? Dafür ist natürlich das Magnetfeld der Erde, oder auch das Erdmagnetfeld, von Nutzen. Schauen wir uns dieses also genauer an.
Das Erdmagnetfeld
Das Magnetfeld der Erde entsteht zum Großteil durch Prozesse im flüssigen Erdkern. Es lässt sich durch einen Stabmagneten beschreiben, der gegenüber der Erdachse leicht verkippt ist.
Das Erdmagnetfeld wird in der Physik mithilfe von sogenannten Feldlinien verdeutlicht. Sie geben an, wie sich ein kleiner Stabmagnet ausrichten würde, wenn er sich entlang einer solchen Linie bewegen würde. Und genau das macht eine Kompassnadel – sie richtet sich entlang der Feldlinien des Erdmagnetfeldes aus. Dabei ist jedoch Vorsicht bei den Definitionen geboten:
- Der geografische Nordpol fällt annähernd mit dem magnetischen Südpol zusammen.
- Der geografische Südpol fällt annähernd mit dem magnetischen Nordpol zusammen.
Der Nordpol der Kompassnadel wird also vom geografischen Nordpol angezogen – denn das ist der magnetische Südpol.
Übrigens nutzen nicht nur wir Menschen das Magnetfeld der Erde zur Orientierung. Auch für einige Tiere hat das Erdmagnetfeld eine große Bedeutung: Zum Beispiel haben Zugvögel einen Magnetsinn, mit dem sie sich auf ihren langen Flugstrecken orientieren können.
Unregelmäßigkeiten des Erdmagnetfeldes
Vielleicht ist dir in der Definition aufgefallen, dass die magnetischen Pole nur annähernd mit den geografischen Polen zusammenfallen. Diese leichte Abweichung wird auch als Missweisung bezeichnet und hat schon zu vielen Problemen in der Navigation geführt. Durch Unregelmäßigkeiten im Magnetfeld kann die Missweisung an manchen Orten größer sein als an anderen.
Außerdem verändert sich das Erdmagnetfeld: Es schwankt in seiner Intensität und die magnetischen Pole wandern. Es kann sogar zu einer Umpolung des Erdmagnetfeldes kommen. Das ist allerdings sehr selten: Die letzte Umpolung fand vor knapp 800.000 Jahren statt.
Zusammenfassung zum Kompass
Wir haben uns angesehen, wie ein Kompass funktioniert und wo das Magnetfeld der Erde herkommt. Außerdem haben wir einen Blick darauf geworfen, wie ein Kompass aufgebaut ist und welche Rolle der Magnetismus dabei genau spielt.
Transkript Kompass – Orientierung am Magnetfeld der Erde
„Grudú“ ist auf dem Weg zu den mächtigen Wasservulkanen im Eisernen Meer. Um sie zu erreichen, muss er einhundert Kilometer Richtung Norden fahren. Zum Glück hat er seinen Kompass dabei, der ihm den Weg weist. Aber hä? Was ist das denn? Der Kompass spielt ja völlig verrückt! So findet Grudú die mächtigen Wasservulkane nie! Um eine Lösung für sein Problem zu finden, muss er verstehen, wie ein „Kompass“ funktioniert, und wie man sich damit am „Magnetfeld der Erde“ orientieren kann. Ein Kompass besteht üblicherweise aus einem „Gehäuse“, auf dem eine drehbare „Skala“ angebracht ist. Sie ist meist mit den Buchstaben „N, O, S und W“ beschriftet, die für die Himmelsrichtungen „Nord, Ost, Süd und West“ stehen. In der Mitte der Skala befindet sich ein feines Lager, auf dem die „Kompassnadel“ befestigt ist. Zum Schutz wird das Gehäuse mit einem „Sichtglas“ abgedeckt. Bei der „Kompassnadel“ handelt es sich um einen kleinen, dünnen Magnet – deswegen wird sie auch „Magnetnadel“ genannt. Genau wie für andere Magnete gelten für sie die „Polgesetze“: Ungleichnamige Pole ziehen sich an, und gleichnamige Pole stoßen sich ab. Allerdings kann sich die Kompassnadel nicht frei bewegen, sondern nur drehen. Wenn wir also einen Magnet in ihre Nähe bringen, dreht sie immer die Spitze mit dem entsprechend Ungleichnamigen Pol in dessen Richtung. Wir können so einerseits die „Ausrichtung“ eines anderen Magneten bestimmen, und andererseits „navigieren“, indem wir das „Magnetfeld der Erde“ nutzen. Denn die Kompassnadel richtet sich immer nach diesem aus – zumindest so lange kein stärkerer Magnet in der Nähe ist. Aber wieso hat die Erde überhaupt ein Magnetfeld? Um das herauszufinden, müssen wir einen Blick ins Innere der Erde werfen. Der „innere Erdkern“ bildet das Zentrum und besteht hauptsächlich aus dicht gepacktem, festem Eisen. Er ist umschlossen von einer Schicht aus heißem, flüssigem und elektrisch leitfähigem Eisen, die „äußerer Erdkern“ genannt wird. Ihm folgt der dicke „Erdmantel“, der vor allem aus unterschiedlichen Verbindungen von „Sauerstoff, Silizium und Magnesium“ besteht. Ganz außen ist die „Erdkruste“, auf der WIR herumspazieren. Das flüssige Eisen des „äußeren Kerns“ steigt aufgrund seiner Temperatur bis in den „Erdmantel“ auf, wo es abkühlt und wieder absinkt. So bilden sich gigantische Ströme aus flüssigem Eisen. In Verbindung mit der Rotation der Erde wirken sie wie ein Dynamo – deshalb spricht man auch vom „Geodynamo“. Der Geodynamo erzeugt ein Magnetfeld, das in seiner Gestalt dem eines „Stabmagneten“ ähnelt. Das ist das „Erdmagnetfeld“ – und Dank diesem können wir einen Kompass zur Navigation nutzen. Eine Kompassnadel richtet sich im Erdmagnetfeld nämlich so aus, dass ihr Nordpol zum „Nordpol der Erde“ zeigt. Aber, hey! Wieso denn zum Nordpol? Das liegt daran, dass der geographische Nordpol der magnetische Südpol der Erde ist. Dabei gibt es aber ein Problem: „Geographischer Nordpol“ und „magnetischer Südpol“ liegen gar nicht direkt aufeinander, sondern versetzt! Wenn wir dem Kompass gen Norden folgen, werden wir den „geographischen Nordpol“ also nie erreichen! Dieses Phänomen nennt man „Missweisung“. Und damit nicht genug! Die magnetischen Pole ändern ihre Position auch noch mit der Zeit – aktuell wandern sie etwa vierzig Kilometer im Jahr! Als der Norweger Roald Amundsen im Jahr Neunzehnhundertelf als erster Mensch den geographischen Südpol erreichte, lag der magnetische Pol also noch ganz woanders als heute. Zum Glück nutzte er keinen Kompass zur Navigation! In den meisten Fällen, wie zum Beispiel beim Wandern in den Bergen, können wir die Missweisung und die „Polwanderung“ allerdings vernachlässigen. Und solltest du keinen Kompass zur Hand haben, kannst du mit ganz einfachen Mitteln einen bauen! Dazu brauchst du nur ein Stückchen „Styropor“ oder Kork, eine dünne „Nähnadel“, einen „Magneten“ und eine „Schüssel voll Wasser“. Zunächst reibst du die Nadelspitze eine Weile über den Nordpol des Magneten, um sie zu „magnetisieren“. Dann wird die Nadel durch das Styropor oder Kork gesteckt. Alternativ kannst du sie auch mit etwas Klebeband auf einem Stückchen Pappe befestigen. Dann lässt du die Nadel im Wasser so schwimmen, dass sie nicht an die Kanten stößt. Nach kurzer Zeit wird sie sich ausrichten! Falls du deiner Nadel nicht traust, kannst du die Ausrichtung auch überprüfen, wenn du eine Karte hast und weißt, in welcher Richtung Norden sein muss. Bevor wir nun herausfinden, warum „Grudús“ Kompass verrückt spielt, fassen wir das Wichtigste noch einmal zusammen: Ein Kompass besteht im Wesentlichen aus einer drehbar gelagerten „Magnetnadel“ und einer „Skala“. Die Kompassnadel richtet sich im „Magnetfeld der Erde“ aus. Der Nordpol der Kompassnadel zeigt zum „magnetischen Südpol“ der Erde. Der magnetische Südpol liegt in der Nähe des „geographischen Nordpols“. Die Abweichung wird „Missweisung“ genannt. Außerdem wandern die magnetischen Pole der Erde mit der Zeit. Und was ist nun mit Grudús Kompass? „Hey!“ „So kann man nicht arbeiten.“
Kompass – Orientierung am Magnetfeld der Erde Übung
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Erkläre die wichtigsten Aspekte des Kompasses.
TippsLösungEin Kompass besteht im Wesentlichen aus einer drehbar gelagerten Magnetnadel und einer Skala. Die Kompassnadel richtet sich im Magnetfeld der Erde aus. Der Nordpol der Kompassnadel zeigt zum magnetischen Südpol der Erde. Der magnetische Südpol liegt in der Nähe des geografischen Nordpols. Die Abweichung wird Missweisung genannt. Außerdem wandern die magnetischen Pole der Erde mit der Zeit.
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Beschreibe, wie ein Kompass aufgebaut ist.
TippsEin Kompass besteht üblicherweise aus einem Gehäuse, auf dem eine drehbare Skala angebracht ist.
Die Skala ist meist mit den Buchstaben N, O, S und W beschriftet, die für die Himmelsrichtungen Nord, Ost, Süd und West stehen.
In der Mitte der Skala befindet sich ein feines Lager, auf dem die Kompassnadel befestigt ist. Bei der Kompassnadel handelt es sich um einen kleinen, dünnen Magneten. Deswegen wird sie auch Magnetnadel genannt.
Zum Schutz wird das Gehäuse mit einem Sichtglas abgedeckt.
LösungEin Kompass besteht üblicherweise aus einem Gehäuse, auf dem eine drehbare Skala angebracht ist. Sie ist meist mit den Buchstaben N, O, S und W beschriftet, die für die Himmelsrichtungen Nord, Ost, Süd und West stehen. In der Mitte der Skala befindet sich ein feines Lager, auf dem die Kompassnadel befestigt ist. Zum Schutz wird das Gehäuse mit einem Sichtglas abgedeckt. Bei der Kompassnadel handelt es sich um einen kleinen, dünnen Magneten. Deswegen wird sie auch Magnetnadel genannt.
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Beschreibe, in welche Richtung Lisa und Max gehen müssen.
TippsWenn das Laufen in eine der vier Himmelsrichtungen nicht ausreicht, dann probiere es mit einer Kombination von zwei Himmelsrichtungen!
LösungDamit Lisa und Max den Aussichtspunkt erreichen, müssen sie sich in Richtung Nordost begeben. Sie bewegen sich auf der Karte also zwischen Richtung Norden und Osten.
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Beschreibe das Innere der Erde.
TippsLösungDer innere Erdkern bildet das Zentrum und besteht hauptsächlich aus dicht gepacktem, festem Eisen. Er ist umschlossen von einer Schicht aus heißem, flüssigem und elektrisch leitfähigem Eisen, die äußerer Erdkern genannt wird. Ihm folgt der dicke Erdmantel, der sich vor allem aus unterschiedlichen Verbindungen von Sauerstoff, Silizium und Magnesium zusammensetzt. Ganz außen ist die Erdkruste, auf der wir herumspazieren. Das flüssige Eisen des äußeren Kerns steigt aufgrund seiner Temperatur bis in den Erdmantel auf, wo es abkühlt und wieder absinkt. So bilden sich gigantische Ströme aus flüssigem Eisen. In Verbindung mit der Rotation der Erde wirken sie wie ein Dynamo. Deshalb spricht man auch vom Geodynamo. Der Geodynamo erzeugt ein Magnetfeld, das in seiner Gestalt dem eines Stabmagneten ähnelt. Das ist das Erdmagnetfeld.
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Definiere die Polgesetze.
TippsDas erste Polgesetz besagt, dass Nord- und Südpol eines Magneten sich anziehen.
Das zweite Polgesetz besagt, dass gleichnamige Pole sich gegenseitig abstoßen.
Wenn du die Nordseite eines Magneten in die Nähe der Nordseite eines anderen Magneten bringst oder die Südseite eines Magneten in die Nähe der Südseite eines anderen Magneten, dann werden sie sich voneinander weg bewegen.
LösungSprechen wir über Magnete, haben sie immer zwei Pole: einen Nordpol (N) und einen Südpol (S). Diese Pole sind charakteristische Eigenschaften von Magneten und beeinflussen ihr Verhalten im Magnetfeld.
Die Polgesetze sind grundlegende Prinzipien in der Physik, die das Verhalten von magnetischen Polen beschreiben. Dieses Phänomen beruht auf den magnetischen Kräften, die zwischen den Polen wirken.
Der erste Polgesetz besagt, dass Nord- und Südpol eines Magneten sich anziehen. Das bedeutet: Wenn du die Nordseite eines Magneten in die Nähe der Südseite eines anderen Magneten bringst, dann werden sie sich gegenseitig anziehen. Diese Anziehungskraft zwischen ungleichnamigen Polen ist der Grund, warum Magnete „zusammenkleben“ können.
Das zweite Polgesetz besagt, dass gleichnamige Pole einander abstoßen. Wenn du die Nordseite eines Magneten in die Nähe der Nordseite eines anderen Magneten bringst oder die Südseite eines Magneten in die Nähe der Südseite eines anderen Magneten, dann werden sie sich voneinander weg bewegen. Diese Abstoßung zwischen gleichnamigen Polen sorgt dafür, dass sich Magnete gegenseitig abstoßen und nicht „zusammenkleben“ können.
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Beschreibe, in welche Richtung Emma sich bewegen muss.
TippsDie Missweisung ist die Abweichung zwischen der Ausrichtung der Kompassnadel und der geografischen Nordrichtung.
In diesem Fall weist der Kompass also $22$ Grad nach Osten statt genau nach Norden.
Um die wahre Himmelsrichtung zu erhalten, muss Emma die Missweisung berücksichtigen und die Kompassanzeige korrigieren. Weil der Kompass $22$ Grad nach Osten zeigt, muss sie die Kompassnadel um $22$ Grad gegen den Uhrzeigersinn drehen, um die wahre Nordrichtung zu erhalten.
LösungAuf der Karte sieht Emma, dass das Forschungslager genau nach Westen liegt. Die geografische Nordrichtung wird durch den wahren Nordpol der Erde bestimmt. Wenn man sich in Richtung Westen begibt, bewegt man sich parallel zum Äquator und entfernt sich von den geografischen Polen (Nordpol und Südpol).
Als Emma den Kompass benutzt, bemerkt sie eine Missweisung von etwa $22$ Grad nach Osten. Die Missweisung ist die Abweichung zwischen der Ausrichtung der Kompassnadel und der geografischen Nordrichtung. In diesem Fall weist der Kompass also $22$ Grad nach Osten statt genau nach Norden.
Um die wahre Himmelsrichtung zu erhalten, muss Emma die Missweisung berücksichtigen und die Kompassanzeige korrigieren. Weil der Kompass $22$ Grad nach Osten zeigt, muss sie die Kompassnadel um $22$ Grad gegen den Uhrzeigersinn drehen, um die wahre Nordrichtung zu erhalten.
Nach der Korrektur zeigt der Kompass nun nach Nordwesten. Das bedeutet, dass das Forschungslager tatsächlich in Richtung Nordwest liegt, wenn Emma sich am Kompass orientiert.
Um das Forschungslager zu erreichen, muss Emma in Richtung Nordwest gehen, da das Forschungslager genau in dieser Richtung liegt, wie auf der Karte angegeben.
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