Bringt man zwei Magnete nahe zusammen, zieht etwas Unsichtbares sie aneinander oder drückt sie auseinander. Kinder bemerken das sofort, Erwachsene auch. Wie funktionieren Magnete also, und warum fühlt sich ein magnetisches Spielzeug so anders an als eines, das einfach einrastet? Hier steht Magnetismus für Kinder und Erwachsene, in einfachen Worten, mit Quellen.
Die Kurzfassung
- Ein Magnet erzeugt ein unsichtbares Magnetfeld. Er hat einen Nord- und einen Südpol: Ungleiche Pole ziehen sich an, gleiche Pole stoßen sich ab.
- In Eisen, Nickel und Kobalt richten sich die winzigen magnetischen Effekte der Elektronen in kleinen Bereichen aus, die Domänen heißen. Richtet man die Domänen aus, wird das Stück zu einem Permanentmagneten.
- Das Ziehen und Drücken, das Sie bei magnetischem Spielzeug spüren, ist diese Physik, nichts Geheimnisvolleres.
Die kurze Antwort
Ein Magnet ist, in den Worten von Wikipedia, „ein Material oder Objekt, das ein Magnetfeld erzeugt“. Das Feld ist unsichtbar, aber es sorgt dafür, dass ein Magnet an Eisen zieht oder andere Magnete anzieht und abstößt. Die NASA formuliert es einfach: Ein Magnet hat zwei Enden, Nordpol (N) und Südpol (S) genannt, und der Bereich, in dem man seinen Zug und Druck spüren kann, wird locker als Magnetfeld bezeichnet.
Welche Pole ziehen sich an, welche stoßen sich ab?
Die Bildungsseite des NASA Goddard nennt die Regel in einem Satz: Das N-Ende stößt das N-Ende eines anderen Magneten ab, S stößt S ab, und N und S ziehen sich an. Beide Pole können außerdem Eisengegenstände wie Stecknadeln und Büroklammern anziehen.
| Was Sie tun | Was passiert |
|---|---|
| Einen Nordpol an einen Südpol halten | Sie ziehen sich an. |
| Einen Nordpol an einen Nordpol halten (oder Süd an Süd) | Sie stoßen sich ab. |
| Einen der beiden Pole an eine Stecknadel oder Büroklammer halten | Der Eisengegenstand wird angezogen. |
Die Kinderseite der NASA zur Mars Global Surveyor sagt, Magnetfelder seien, „kurz gesagt“, die Einflussbereiche eines Magneten. Sie beschreibt auch einen klassischen Trick: Streut man Eisenfeilspäne über einen Stabmagneten, bilden sie Kreise, die die Feldlinien des Magnetfelds zeigen.
Warum sind nur manche Dinge magnetisch?
Wikipedia nennt die Elemente Eisen, Nickel und Kobalt sowie ihre Legierungen als Materialien, die sich magnetisieren lassen. Der Grund liegt in den Atomen. Derselbe Artikel sagt, viele Materialien hätten ungepaarte Elektronenspins, und wenn sich diese Spins spontan ausrichten, ist das Material ferromagnetisch.
HyperPhysics der Georgia State University beschreibt es für ferromagnetische Materialien so: Die ungepaarten Elektronenspins richten sich parallel zueinander in einem Bereich aus, der Domäne heißt. Innerhalb einer Domäne ist das Feld stark, aber die vielen Domänen sind zueinander zufällig ausgerichtet.
Was ist eine magnetische Domäne?
Wikipedia definiert eine magnetische Domäne als „einen Bereich innerhalb eines magnetischen Materials, in dem die Magnetisierung in eine einheitliche Richtung zeigt“. Benachbarte Domänen können in verschiedene Richtungen zeigen, daher heben sich ihre Felder in einem gewöhnlichen Stück Eisen außerhalb des Materials weitgehend auf.
Das Magnetisieren ändert das. Laut demselben Artikel lässt ein äußeres Magnetfeld die Domänen, die mit dem Feld zeigen, auf Kosten der anderen wachsen. Wird das Feld entfernt, bleiben die ausgerichteten Domänen bestehen, und das Stück bleibt magnetisch. So wird ein Stück ferromagnetisches Material zu einem Permanentmagneten. Der Artikel ergänzt, dass Erhitzen oder Hämmern eines Magneten die Domänenwände lösen und ihn entmagnetisieren kann.
Permanentmagnete und Elektromagnete
Wikipedia unterscheidet zwei Arten. Ein Permanentmagnet besteht aus einem Material, das magnetisiert ist und sein eigenes dauerhaftes Magnetfeld erzeugt. Ein Elektromagnet ist eine Drahtspule, die wie ein Magnet wirkt, solange ein elektrischer Strom hindurchfließt, und aufhört, sobald der Strom aufhört. Bausteine, die ohne Stromanschluss aneinander haften, beruhen auf der ersten Art.
Warum magnetisches Spielzeug so befriedigend ist
Wir konnten keine Studie finden, die misst, warum magnetisches Spielzeug befriedigend ist, daher beschreiben wir hier nur, was die Physik spürbar macht. Wikipedia merkt an, dass die Stärke des Feldes eines Magneten mit der dritten Potenz des Abstands von seinem Mittelpunkt abfällt. Im Alltag heißt das: Ein Magnet wirkt aus nächster Nähe stark und schon etwas weiter entfernt schwach. Der Zug ist also vor allem zu spüren, wenn zwei Teile sich nahe kommen.
Die Polregel erledigt den Rest. Zwei Teile, die richtig aufeinandertreffen, ziehen sich an ihren Platz. Dreht man einen Magneten um, sind die Pole, die sich trafen, nun gleich und stoßen sich ab. Man braucht keine Noppe, keine Buchse und kein Klicken, nur die richtige Seite in der richtigen Richtung.
Wikipedia nennt außerdem Kinderspielzeug unter den alltäglichen Verwendungen von Magneten und zeigt einen Baukasten aus magnetischen Stäben und Metallkugeln.
Magnetismus für Kinder: worauf Sie beim Spielen achten können
- Welche Seiten ziehen sich an, und welche stoßen sich ab?
- Wird das Ziehen oder Drücken schwächer, wenn sich die Teile voneinander entfernen?
- Zieht ein Magnet an jedem Material im Raum, oder nur an manchen?
Das sind dieselben Fragen, die die obigen Quellen beantworten, und ein Kind kann sie in einer Minute testen. Ein ehrlicher Hinweis: Wikipedia warnt, dass verschluckte Magnete gefährlich sein können, besonders wenn zwei oder mehr verschluckt werden. Lesen Sie bei jedem magnetischen Spielzeug zuerst die Hinweise zu Alter und Kleinteilen.
Was wir wählen würden
Zum Bauen sind unsere Pixel Magnetic Blocks 2-cm-Würfel, die an jeder Seite magnetisch sind. Die Seite sagt: Zwei Blöcke berühren sich, sie schnappen zusammen. Die Magnete sind im ABS-Gehäuse eingekapselt, und die Sets gibt es mit 100, 200 oder 400 Würfeln mit Minifiguren und einem Anleitungsheft. Die Seite weist auf Kleinteile hin, nicht für Kinder unter 3 Jahren.
Zum Fahren ist die RC Magnetic Snake eine ferngesteuerte Schlange: Sie steuern sie mit der Fernbedienung, verstreuen die magnetischen Blöcke und sehen zu, wie der Schwanz mit jedem Biss wächst. Sie macht beim Fahren Geräusche, hat einen wiederaufladbaren eingebauten Akku mit USB-Kabel, und die Fernbedienung braucht 2 AA-Batterien. Die Seite gibt das Alter mit 6 und älter an, nennt eine Prüfung nach ASTM F963-23 und CPSIA und sagt, die Magnete seien in den Blöcken versiegelt und hätten den ASTM-F963-Magnettest bestanden. Eine Single Snake kommt mit 7 magnetischen Blöcken, ein Battle Set hat 2 Schlangen und 14 Blöcke.
Quellen
- Magnet, Wikipedia: die Definition, das Feld, Eisen, Nickel und Kobalt, Permanentmagnete und Elektromagnete, Feldstärke nimmt mit dem Abstand ab, Spielzeug unter den häufigen Verwendungen und die Warnung vor verschluckten Magneten.
- Magnetic domain, Wikipedia: die Definition einer Domäne, warum unmagnetisiertes Material kaum ein äußeres Feld hat, wie Magnetisieren Domänen ausrichtet und Entmagnetisieren durch Erhitzen oder Hämmern.
- Ferromagnetism, Wikipedia: die häufigen ferromagnetischen Elemente und die Ausrichtung der magnetischen Momente benachbarter Atome.
- Ferromagnetism, HyperPhysics, Georgia State University: ungepaarte Elektronenspins, die sich in einer Domäne ausrichten, und zufällig ausgerichtete Domänen.
- Magnetic Fields, Bildungsseiten des NASA Goddard: Nord- und Südpol, die Regel zum Abstoßen und Anziehen und Magnete, die Stecknadeln und Büroklammern anziehen.
- Mars Global Surveyor Magnetic Field Investigation, kids’ page, NASA: Magnetfelder als Einflussbereiche eines Magneten und Eisenfeilspäne, die das Feld zeigen.
