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Was ist Magnetismus? Erdmagnetfeld - Referat
1. Was ist Magnetismus?
Einfache Erklärung und Grundlagen
1.1 Was versteht man unter Magnetismus?
Unter Magnetismus versteht man ein physikalisches Phänomen, das sich als Kraftwirkung zwischen magnetischen Körpern aus Eisen, Kobalt oder Nickel und bewegten elektrischen Ladungen äußert. Gegensätzliche Pole ziehen sich an, gleiche Pole stoßen sich ab. Am stärksten ist die Kraftwirkung an den Magnetpolen am Ende des Magneten.
1.2 Wie funktioniert der Magnetismus?
Magnetische Stoffe bestehen aus vielen kleinen Bestandteilen, den sogenannten Atomen um deren Kern noch kleinere Teilchen kreisen, die Elektronen. Durch diese Bewegung wird ein magnetisches Feld erzeugt. Im Prinzip besteht der Magnet also aus vielen kleinen Magneten, die sich durch die gegenseitig wirkenden Kräfte in die gleiche Richtung auswirken. Jeder Magnet hat also zwei unterschiedlich wirkende Pole, und kann damit einen Gegenstand magnetisieren. Je geringer der Abstand, desto größer die Wirkung.
1.3 Was verursacht Magnetismus?
Magnetismus entsteht durch die Bewegung von Ladungen.
Durch den Einfluss von Strom strömen Elektronen durch einen elektrischen Leiter, der Strom erzeugt ein Magnetfeld.
1.4 Wie ein Magnet aufgebaut ist?
Zerlegt man einen Magneten wird sein innerer Aufbau aus Elementarmagneten deutlich. Jeder ferromagnetische Stoff besteht aus vielen kleinen magnetischen Teilchen, diese kann man sich als Mini-Magnete vorstellen und werden als Elementarmagnete bezeichnet. Sie lassen sich von einem externen Magnetfeld magnetisieren und werden, wenn man sie in Kontakt mit einem Magneten bringt, selber zu einem Magneten.
1.5 Wie kommt Magnetismus zustande?
Aufgrund der bewegten Elektronen besitzen Atome magnetische Momente. Bringt man Materie in ein Magnetfeld richten sich diese atomaren Dipole im Magnetfeld aus. Sie verhalten sich sozusagen wie kleine Stabmagnete und es entsteht eine Magnetisierung der Materie. Die magnetische Feldstärke eines äußeren Feldes wird dadurch verändert.
Die „Stärke“ des atomaren Dipols bezeichnet man als magnetisches Moment des Atoms. Hierbei unterscheidet man zwischen magnetischen Spinmomenten und magnetischen Bahnmomenten. Beide magnetischen Momente wirken wechselwirkend miteinander und sind aufgrund der Spin-Bahn-Wechselwirkung miteinander gekoppelt.
1.6 Wie funktioniert ein Magnet?
Unter einem Magnet versteht man einen Körper, der bestimmte andere Körper anzieht oder abstößt. Er hat immer einen Nordpol und einen Südpol. Gegensätzliche Pole ziehen sich an, gleiche Pole stoßen sich ab. Es gibt sie einfach so in der Natur.
1.7 Welche Materialien, zieht ein Magnet an?
Magnete ziehen ferromagnetische Stoffe wie Nickel, Eisen und Kobalt an und werden in wechselseitiger Wirkung von ihnen angezogen. Das Maß der Anziehungskraft eines Magneten hängt von seiner Form und Größe ab.
1.8 Welche Arten von Magneten gibt es?
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen permanenten und temporären Magneten. Permanente Magnete oder Dauermagnete werden einmal magnetisiert und dann hält die Ausrichtung der Moleküle langfristig. Temporäre Magnete werden magnetisiert, indem sie von einem anderen Magneten dazu ausgerichtet werden.
Permanentmagneten findet man häufig als Stab- und Hufeisenmagneten, Ring-, Block und Kugelmagneten sowie als Kompassnadel.
2. Das Erdmagnetfeld: Ursprung, Veränderung, Folgen
2.1 Das Erdmagnetfeld – ein Dynamo
Das Magnetfeld ist der Bereich um die Erde in dem magnetische Kräfte wirken. Da sie unsichtbar sind, beschreibt man sie mit ovalen Linien.
Um das Magnetfeld der Erde zu erklären muss man beim Erdkern beginnen, der einen Durchmesser von etwa 1250 Kilometern hat und zu 90 % aus Eisen sowie Nickel und Silizium besteht. Sein innerer Kern wird von einem flüssigem Eisen-Kern umschlossen, der elektrisch leitfähig ist. Um diesen herum bildet sich der etwa 2900 Kilometer starke Erdmantel, ein zähflüssiges Gebilde aus Silikaten und Oxiden, der wiederum von der Erdkruste umschlossen wird.
Das Erdmagnetfeld entsteht im flüssigen und im Wesentlichen aus Eisen bestehenden äußeren Kern der Erde in etwa 3000 Kilometer Tiefe. Indem die Wärme vom Erdkern in den Gesteinsmantel fließt setzt sich das flüssige elektrisch leitende Eisen in Bewegung. Heißes Magma steigt bis zum Erdmantel auf, gibt seine Wärme ab, kühlt aus und sinkt wieder ab, gleichzeitig rotiert der Erdkern. Durch diese überlagernden Bewegungen entsteht ein Dynamo-Effekt.
Schichten der Erde von außen nach innen: Erdkruste (hellrot), Erdmantel (orange), der äussere (hellgelb) aus flüssigem Eisen und der innere Erdkern (gelb) aus festem Eisen.
2.2 Der Geo-Dynamo
Der Dynamo-Effekt dient der Erzeugung von Magnetfeldern: „Bewegt man einen elektrischen Leiter in einem Magnetfeld, so fließt ein elektrischer Strom. Umgekehrt gilt: Wo elektrischer Strom fließt, entsteht ein Magnetfeld“.
Angewendet auf das Erdmagnetfeld bedeutet das: Im Inneren des Planeten bewegt sich flüssiges, elektrisch leitfähiges Metall in komplexen Strömungsmustern. Dadurch entstehen elektrische Ströme und somit auch Magnetfelder, die wiederum die Strömung der Flüssigkeit beeinflussen.
Anzunehmen ist, dass der Sonnenwind ein schwaches magnetisches Feld in der Umgebung des Planeten erzeugte. Durch die Bewegung des flüssigen Eisens im Erdkern wurde ein elektrischer Strom induziert. Ähnlich wie bei einem technischen Dynamo verstärkten sich Strom und Magnetfeld gegenseitig, bis der „Dynamo der Erde“ entstand. Allerdings ist der Erdkern eine große elektrisch leitende Kugel und kein Dynamo mit komplizierter Anordnung von Spulen und Schleifkontakten. Wie kann das Ganze also funktionieren?
Am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau befasste sich Ulrich Christensen rund acht Jahren mit der Erforschung des Geodynamos. Als einer der weltweit ersten Forscher gelang es ihm den Geodynamismos per Computer zu modellieren.
Man konnte belegen, dass die Leistung des Geodynamos mit etwa 200.000 bis 500.000 Megawatt der von einigen Hundert Großkraftwerken entspricht, was zur Erkenntnis führt, dass der Dynamo insbesondere durch die langsame Abgabe der im Kern gespeicherten Wärme betrieben wird.
COMPUTERSIMULATION ERDMAGNETFELD
Generell erzeugt der Geodynamo etwa 95 Prozent des Magnetfeldes. Den Rest liefern magnetisierte Gesteine, Quellen außerhalb der Erde und Ozeanströmungen, die ihren Beitrag durch die Bewegung von leitfähigem Salzwasser leisten.
2.3 Wo hat das Erdmagnetfeld seinen Ursprung?
Im 16. Jahrhundert entdeckte der englische Arzt und Naturphilosoph William Gilbert, dass die Ursache für die Ausrichtung der Kompassnadel von der Erde ausgeht. Drei Jahrhunderte später gelang es Carl Friedrich Gauss eine umfassende Theorie aufzustellen, welche belegt, dass das Magnetfeld aus dem Innern der Erde stammt ¬– angetrieben von einem riesigen Kraftwerk im Erdkern, wie man heute weiß.
Nach den Erkenntnissen eines Forscherteams um den Geologen und Physiker John A. Tarduno von der University of Rochester ging man ursprünglich davon aus, dass das Magnetfeld der Erde vor ca. 4,2 Milliarden Jahren entstanden ist. Inzwischen weiß man, dass dieses Magnetfeld nicht auf die gleiche Weise entstanden sein kann, wie unser heutiges Schutzschild. Denn der für seine Entstehung verantwortliche Geodynamo (äußerer Erdkern: flüssig und eisenhaltig, innerer Erdkern: fest und extrem heiß) basiert auf einer Zusammensetzung, die es erst seit 565 Millionen Jahren geben kann, woraus sich folgern lässt, dass der innere Erdkern nicht älter als eine halbe Milliarde Jahre sein kann.
Die Forschung geht heute davon aus, dass das Erdmagnetfeld
etwa einige hundert Millionen Jahre nach dem großen Einschlag entstanden sein muss, das den Mond geformt hat.
2.4 Die Entstehung des Erdmagnetfelds
Hier tappt die Wissenschaft bezüglich der Details noch im Dunklen. Man nimmt am, dass ein chemischer Niederschlag aus Magnesiumoxid im inneren Erdkern bestand, der sich bei der extremen Hitzeeinwirkung verflüssigt haben könnte. Als das Magnesiumoxid wieder abkühlte, könnte das Magnetfeld der Erde entstanden sein, bis schließlich im Erdinnern das Magnesiumoxid aufgebraucht war. Da sich bis dahin aber der Erdkern gebildet hatte, konnte der Geodynamo, dass Schutzschild weiterhin aufrecht erhalten.
2.5 Die Bedeutung des Magnetfelds
Das Magnetfeld der Erde dient zur Navigation von Mensch und Tier und fungiert gleichzeitig als Schutzschild gegen die hochenergetischen Teilchen, die als Sonnenwind auf die Erde treffen. Diese Teilchen werden entlang der Magnetfeldlinien um die Erde herum gelenkt und verschwinden so wieder im All. Da sie an den magnetischen Polen leichter zur Erde gelangen werden sie dort als Polarlichter sichtbar. Tiere wie zum Beispiel Zugvögel, Bienen, Haie oder Meeresschildkröten besitzen einen angeborenen Magnetsinn. Sie nehmen die magnetischen Felder wahr und nutzen sie zur Orientierung. Auch wir Menschen nutzen sie in Form des Kompasses.
2.6 Wie ändert sich das Magnetfeld der Erde
Einfach betrachtet kann man sich das Magnetfeld wie einen Stabmagneten mit einem Nord-und Südpol vorstellen. Die Crux: diese magnetischen Pole stimmen nicht mit den geographischen überein und sie ändern sich ständig, da der Erdkern aus einem glühenden und flüssigem Eisengasgemisch besteht, welches immer in Bewegung ist. Die Achse des magnetischen differiert derzeit 10 % gegenüber der Erdrotationsachse. Den physikalischen Südpol findet man vor wo die Magnetfeldlinien senkrecht in die Erde treffen, die Stelle an der die Linien wieder hinausführen definiert den Nordpol des Magnetfeldes.
Magnetfelder Süd- und Nordpol
Das Erdmagnetfeld variiert ständig. Allein in den letzten 150 Jahren hat es sich um zehn Prozent verringert. Rein rechnerisch wäre es damit in 1600 Jahren verschwunden. Glücklicherweise ist eine völlige Auflösung laut Forschung unwahrscheinlich. Doch es ändert nicht nur seine Feldstärke, auch die Pole werden verschoben. In den vergangen 40 Millionen Jahren sollen diese Verschiebung bis zu 70-mal stattgefunden haben, die letzte vor 780 000 Jahren. Seit 2ooo schiebt sich der nördliche Pol teilweise mit bis zu 65 Kilometern im Jahr in Richtung Nordwesten.
Der magnetische Nordpol wird dann zum Südpol und umgekehrt.
2.7 Die Folgen der Veränderung des Magnetfelds
Eine drastische Veränderung des Magnetfelds hätte Konsequenzen für das Navigieren vieler Tierarten und würde sich auf das sogenannte Weltmagnetmodell (WMM), mit dem Wissenschaftler das Erdmagnetfeld so präzise wie möglich darstellen, auswirken. Von diesem Modell hängt die Navigation via Magnetkompass, die korrekte Funktion von Telefonnetzen sowie GPS ab. Dies würde also die komplette Navigation von Flugzeugen, Rettungsdiensten, das Militär, die Raumfahrt, Reedereien, Forst- und Landwirtschaft.
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