MagnetisMus – ein Phänomen naturwissenschaftlich erkunden

Material
Magnetismus – Ein Phänomen
naturwissenschaftlich erkunden
Sonja Alberts
Magnetismus ist ein faszinierendes Phänomen, das durch
Anwendung unterschiedlicher naturwissenschaftlicher
Arbeitsformen so erkundet werden kann, dass Sach- und
Methodenkompetenz gleichzeitig ausgebildet werden.
Praktische Handlungssituationen, Modelle und Gedankenexperimente ermöglichen ein erstes theoretisches Verstehen des Phänomens und stellen gleichzeitig ein vertieftes
Verständnis für Magnetismus im Alltag her. Das Material
bietet hierfür interessante Anregungen.
Grundlagen naturwissenschaftlichen Verstehens
Die Beschäftigung mit dem Phänomen Magnetismus gehört zu
den etablierten Klassikern des naturwissenschaftlichen Sachunterrichts. Magnetspiele, Kunststücke und Zaubertricks mit
Magneten machen den Kindern Spaß und faszinieren sie.
Naturwissenschaftliches Lernen bedeutet, aus der Perspektive der
Naturwissenschaften Phänomene der lebenden und nicht
lebenden Natur zu erschließen. Dabei geht es darum, grundlegende Konzepte des naturwissenschaftlichen Denkens sowie
naturwissenschaftliche Methoden kennen und mit Blick auf
Naturverständnis anwenden zu lernen (vgl. Giest 2009 a). Der
Metaebene, also dem Reflektieren darüber, was wir von einer
Sache wissen, woher wir dies wissen und was wir tun können, um
etwas über die Sache herauszufinden, kommt in einem kompetenzorientierten naturwissenschaftlichen Sachunterricht eine
herausragende Bedeutung zu. Naturwissenschaftliche Arbeitsformen können immer nur an konkreten Sachinhalten geübt werden,
die Prozessebene ist also an die Inhaltsebene gebunden, beide
sind zwei Seiten derselben Medaille (vgl. Giest 2009 b), und
nicht immer können alle Arbeitsformen gleichzeitig geübt
werden. Die Aufgabenvorschläge im Materialteil zeigen, was das
Phänomen Magnetismus an Möglichkeiten hierfür bietet.
2. Mit Energie kann man etwas tun (Konzept der Energie),
z. B. ein Magnetfeld erzeugen.
3. Dinge beeinflussen sich gegenseitig (Konzept der Wechselwirkung), z. B. Magnetfelder und ferromagnetische Stoffe.
Naturwissenschaftliche Arbeitsformen
Sieben naturwissenschaftliche Arbeitsformen können unterschieden werden (vgl. Duit/Gropengießer/Stäudel 2007):
1. Beobachten und Messen
2. Vergleichen und Ordnen
3. Erkunden und Experimentieren
4. Vermuten und Prüfen
5. Diskutieren und Interpretieren
6. Modellieren und Mathematisieren
7. Recherchieren und Kommunizieren
Ihr Einsatz folgt nicht einem festen Schema, sondern hilft bei
der Beantwortung der jeweils besonderen Fragen an das Naturphänomen, z. B. Magnetismus.
Basiskonzepte
Arbeitsform Beobachten, Messen
Eine Beobachtung findet nie zufällig statt, im Gegensatz zur
Entdeckung. Beobachtbar ist nur, was in Vorüberlegungen und
durch Kriterien erfasst wurde. Was macht einen Magneten zum
Magneten? Um diese Frage zu beantworten, können zunächst
alle Dinge, die als Magnet bezeichnet werden, auf ihre Gemeinsamkeiten untersucht werden. Dabei sind Magnete im physikalischen Sinne von metaphorischen Magneten zu unterscheiden –
auch die sprachliche Perspektive verdient Beachtung (vgl.
Kahlert 2002). Zum Messen wird eine Basiseinheit benötigt, die
dann in einem definierten Verfahren gezählt wird. Damit lassen
sich Beobachtungen quantifizieren und somit besser vergleichen. Mit einer selbst gewählten Einheit (z. B. Büroklammer,
Nagel) lässt sich etwas über die Kraft eines Magneten aussagen,
wenn das Messverfahren immer gleich ist (z. B. Büroklammern
vom Tisch anheben: Anzahl der am Magneten hängenden
Klammern als Maß für die Stärke des Magneten).
Naturwissenschaftliche Basiskonzepte sind eine Möglichkeit,
alle beobachtbaren Phänomene so zu kategorisieren, dass die
allen Naturphänomenen zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeiten ein sich wiederholendes Muster bilden und so das Verstehen naturwissenschaftlicher Inhalte verbessern. Für die
Grundschule bieten drei Basiskonzepte eine sinnvolle Arbeitsgrundlage (vgl. Demuth u. a. 2007):
1. A
uf der Welt geht nichts verloren (Konzept der Erhaltung
von Materie und Energie), z. B. sind die Elementarmagnete
in einem entmagnetisierten Eisenstück nicht verschwunden, sondern nur in Unordnung geraten.
Arbeitsform Vergleichen, Ordnen und Diskutieren,
Interpretieren
Dinge kann man vergleichen, wenn man sie durch bestimmte
Kriterien zueinander in Beziehung setzt. Diese Kriterien
können auch Grundlage des Ordnens sein. Beobachtungen und
Vergleiche sind noch keine Erkenntnis, diese entsteht erst
durch eine Deutung des Gesehenen. Oft sind mehrere Interpretationen möglich, deshalb ist die Diskussion über die beste
sehr wichtig. Sind Dinge, die auf den ersten Blick nicht so
aussehen, doch Magnete? Diese Frage kann bei Bau und
Untersuchung eines Elektromagneten erörtert werden.
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Material
Arbeitsform Modellieren, Mathematisieren
Ein Modell ist keine genaue Abbildung des Originals, sondern es
macht in analoger Form bestimmte Eigenschaften des Originals
deutlich. Dies geschieht immer zu einem bestimmten Zweck und
ist immer eine Reduktion der komplexen Wirklichkeit. Lassen
sich Zusammenhänge proportional beschreiben (z. B. je größer
x, desto schwächer y) beginnt das Mathematisieren. Ferromagnetismus entsteht durch bestimmte Elektronen in der Atomhülle. Sie rotieren um sich selbst mit einem so genannten Spin.
Durch diese Drehung entsteht ein magnetisches Moment, die
Teilchen werden zu Mini-Magneten, die sich beim Kontakt mit
einem starken Magneten alle gleich ausrichten. Dieses Elementarmagneten-Modell erklärt u. a. (vgl. Hees 2008):
XX Die Magnetisierung ferromagnetischer Stoffe.
XX Das Zustandekommen der Polarisierung.
XX Das charakteristische Verhalten beim Zerbrechen von
Magneten.
XX Die Remanenz, d. h. das Phänomen, dass die Magnetisierung
ferromagnetischer Stoffe andauert, auch wenn die Magnetquelle entfernt wurde.
XX Den Verlust des Magnetismus bei starker Erschütterung oder
Erhitzen oberhalb der sog. Curietemperatur (Eisen 770 °C)
durch zu viel Wärmebewegung der Teilchen.
Das Modell der Elementarmagneten erlaubt Vorhersagen, z. B.
das magnetisch kodierte Daten durch Kontakt mit starken
Magneten zerstört werden, da diese eine Gleichrichtung aller
magnetischen Domänen bewirken.
Arbeitsform Erkunden, Experimentieren
Eine Modellvorstellung macht Vorhersagen möglich, die zunächst
hypothetischen Charakter haben. Das Experiment dient dazu, die
Hypothese zu verifizieren oder zu falsifizieren. Wichtig ist, dass
die Versuchsanordnung so gewählt wird, dass genau die Faktoren
variiert werden, die zur Klärung der Vermutung beitragen, und
dass das Experiment bei Wiederholung gleiche Ergebnisse bringt.
Eine Hypothese ist z. B., dass ein großer Magnet, direkt zwischen
Nord- und Südpol geteilt, nur noch aus Nord- bzw. Südpol
besteht. Auch das Erkunden des unterschiedlichen Verhaltens von
einer magnetisierten und nicht magnetisierten Nadel im Erdmagnetfeld führt nur theoriegeleitet zu Erkenntnis und zählt daher
zum Experimentieren.
Wird das Sachwissen über Magnetismus durch unterschiedliche
naturwissenschaftliche Methoden erschlossen, sind Sach- und
Methodenkompetenz sinnvoll miteinander verbunden. So ist es
möglich, dass in eigenregulierten, selbst bestimmten Lernprozessen bedeutungshaltiges und flexibel nutzbares Wissen
entsteht (vgl. Giest 2009 a). So kommt es zum Aufbau von
naturwissenschaftlichem Wissen und Können, welches Kinder
in die Lage versetzt, Aussagensysteme über Naturvorgänge zu
entwickeln, mit denen diese gedeutet und erklärt werden
können (vgl. Giest 2009 a).
Zu den einzelnen Arbeitsblättern
Die Arbeitsblätter sind für die Jahrgangsstufen 3 und 4 konzipiert. Sie berücksichtigen unterschiedliche Leistungsniveaus
(im Folgenden N1, N2, N3) und ermöglichen eine Differen2❚2011 Sachunterricht | www.grundschulunterricht.de
zierung. N1: Aufgaben, die durch einfaches
Beobachten oder Argumentieren gelöst
werden können. N2: Diese Aufgaben
erfordern komplexere Schlussfolgerungen. N3: Hier geht es darum, Gedanken und Argumente aus
unterschiedlichen Wissensdomänen zur
Problemlösung heranzuziehen und selbstständig Informationen einzuholen. Die Dialoge der Tiere sollen motivieren, zum
Nachdenken anregen und durch den Bezug zu Nordpol und
Südpol den Gedanken der Polarität von Magneten und Erdmagnetfeld festigen helfen.
M1 Wie man einen Magneten erkennt – Einstieg für alle
Leistungsniveaus: Hier wird das Beobachten und Ordnen von
Eigenschaften geübt. Der Begriff „Magnet“ wird sprachlich
analysiert und es wird zur Spekulation über die Bedeutung der
Tiere im Zusammenhang mit dem Thema aufgefordert. Aufgabe
a) und b) N1, c) N2, d) N3
M2 Hier fließt Strom! – alle Leistungsniveaus: Es muss mit
den Erkenntnissen aus M1 argumentiert werden, ob eine
Konstruktion, die Eigenschaften wie ein Magnet hat, tatsächlich ein Magnet ist.
M3 Magnete sind echt stark – oder? – alle Leistungsniveaus: Ziel ist die selbstständige Entwicklung und Anwendung
eines Messverfahrens.
M4 Der Riesenmagnet – alle Leistungsniveaus: Eine erste
Modellvorstellung der Struktur von Magneten wird entwickelt.
M5 Nordpol und Südpol – alle Leistungsniveaus: Die Modellvorstellung von Magnet-Strukturen wird weiter entwickelt.
M6 Du kannst Magnetismus erklären – mit einem Modell
– Leistungsniveaus N2 und N3: Das Elementarmagneten­
modell wird zur Erklärung des Phänomens Magnetismus
angewendet.
M7 und M8 Magnetismus überall – alle Leistungsniveaus:
Ein nicht magnetisches Stück Eisen wird magnetisiert und ein
Kompass gebaut. Aufgabe b) N2, Aufgabe c) N3
M9 Vorsicht Magnete! – Leistungsniveau N2 und N3: Das
Magnetenmodell wird zur Analyse eines Problems genutzt.
M10/M11 Die Lösungen: Die Lösungsblätter dienen der
Selbstkontrolle und helfen, Denkfehler zu vermeiden.
Literatur
uuDuit, R./Gropengießer, H./Stäudel, L. (Hrsg.): Naturwissenschaftliches
Arbeiten. Seelze-Velber 22007
uuGiest, H.: Zur Didaktik des Sachunterrichts. Potsdam (2009 a)
uuGiest, H.: Bildungsstandards und Kompetenzen im Sachunterricht. In:
Grundschulunterricht Sachunterricht 56 (2009 b) 4, 4–7
uuHees, B.: Das Elementarmagnetenmodell im Physikunterricht am
Gymnasium. Duisburg 2008
uuKahlert, J.: Der Sachunterricht und seine Didaktik. Bad Heilbrunn
2005
Autorin
Sonja Alberts, Universität Potsdam, Profilbereich Bildungswissenschaften,
Karl-Liebknecht-Straße 24–25, 14476 Potsdam
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M1 W
ie man einen Magneten erkennt
Hier siehst du viele unterschiedliche Magnete, z. B. Stabmagnet, Hufeisenmagnet, so genannte Kühlschrankmagnete, Tafelmagnete, Magnete aus Schrankschlössern und Spielen, natürlicher Magnetstein, ...
Echt?
Und woher
weißt du das?
Das sind alles
Magnete!
Ich bin
ein Besuchermagnet
im Zoo!
Finde heraus:
a) Woran erkennt man einen Magneten?
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b) Was haben alle Magnete gemeinsam?
 ________________________________________________________________________________
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c) Was haben der Eisbär im Zoo und ein Magnet gemeinsam, was nicht?
 ________________________________________________________________________________
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d) Warum sind wohl Pinguin und Eisbär auf dem Blatt abgebildet?
TIPP: Informiere dich, wo diese Tiere leben. Wenn du M4 und M7 gelöst hast, weißt du ganz sicher,
warum!
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M2 H
ier fließt Strom!
Baue diese Konstruktion nach.
Du brauchst:
XX eine Flach- oder Blockbatterie (mindestens 4,5 Volt)
XX einen großen Eisennagel
XX Kupferdraht
XX zwei Krokodilklemmen oder zwei kupferne Büroklammern
XX magnetische Gegenstände
a) Beobachte: Was passiert mit Büroklammer, Nagel, Kompass und anderen Gegenständen,
wenn sie in die Nähe der Konstruktion kommen?
b) Überlege: Ist das auch ein Magnet?
Ja!
Nein!
c) Wie kannst du beweisen, wer Recht hat?
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d) Was passiert mit Kompass, Büroklammer, Nadel, wenn kein Strom fließt?
 ________________________________________________________________________________
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Material
M3 M
agnete sind echt stark – oder?
Manchmal sind große Magnete schwach und kleine Magnete stark, oder zwei gleichgroße Magnete sind
unterschiedlich stark.
Überlege und probiere aus:
a) Wie kann man die Stärke von Magneten vergleichen?
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b) Wie kann man die Stärke eines Magneten messen?
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M4 D
er Riesenmagnet
Nimm mehrere kleine Stabmagnete, z. B. aus einem Magnetspiel.
Versuche, ohne Kleber oder Klebefilm möglichst viele kleine Magnete zu einem großen, langen Magneten
zusammenzubauen.
a) Welche Möglichkeiten gibt es?
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b) Ist es egal, welche Seiten der Magnete zusammenkommen?
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c) Hilf dem Eisbären
und vervollständige
den Merksatz.
Jeder Magnet hat einen
___________ und einen ______pol.
________ Pole ziehen sich an,
gleiche Pole ____________
_______________.
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Material
M5 N
ordpol und Südpol
Ich will
einen Magneten
nur mit Südpol!
Ich mag
nur den Nordpol!
a) Überlege: Kann man einen Magneten so verändern, dass er nur einen Pol hat?
Was passiert,
wenn man einen Stabmagneten
in der Mitte zwischen Nordpol und Südpol teilt?
Ihr könnt es ausprobieren,
indem ihr einen großen Stabmagneten
mit einer Metallsäge durchsägt.
Denke z. B. an den langen Stabmagnet, den du aus kleinen Magneten zusammengesetzt hast.
NORDPOL
SÜDPOL
b) Wenn du den in zwei gleiche Teile teilst, erhältst du ______ Magnete, die je einen Nordpol und einen
Südpol haben.
N
S
N
S
c) Und wenn du diesen weiter zerteilst, erhältst du 4 Magnete, dann 8, dann 16, dann 32, dann ____, dann
_____, dann _____ dann 512, dann _____, dann 2048 Magnete usw., bis es irgendwann auch mit der
besten Magnet-Zerteil-Maschine nicht mehr kleiner geht.
Aus jedem geteilten
Magneten werden ______ Magnete,
von denen jeder einen Nordpol und einen Südpol hat.
Die allerkleinsten Magnete
heißen Elementarmagnete.
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Material
M6 D
u kannst Magnetismus erklären – mit einem Modell
a) Vervollständige den Satz: Ein Magnet besteht aus vielen winzig kleinen _________________________,
die alle in der gleichen Richtung liegen und so Nordpol und Südpol des Magneten entstehen lassen.
Hier eine Modellzeichnung:
Nordpol
Südpol
Ein Magnet kann seine Magnetkraft verlieren, z. B. durch große Hitze oder wenn der Magnet
auf den Boden fällt.
b) Was könnte dann mit den Elementarmagneten passiert sein? Zeichne ein Modell, das deine
Idee deutlich macht!
c) Denk nach: Wie könnte ein Modell von einem nicht magnetischen Stückchen Eisen aussehen?
Das Modell soll erklären, warum das Eisen nicht magnetisch ist. Zeichne dein Modell.
d) Was muss passieren, damit das nicht magnetische Stückchen Eisen magnetisch wird? Überlege,
was du tun kannst, damit das Stückchen Eisen (z. B. ein Nagel, eine Büroklammer) magnetisch wird.
Warum glaubst du, dass deine Idee funktioniert?
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Material
M7 M
agnetismus überall (1)
Materialien, die von Magneten angezogen werden, nennt man magnetisch.
Dazu gehören Eisen, Nickel und Kobalt.
Solche Materialien,
z. B. Stücke von Eisendraht,
Nägel oder Stopfnadeln,
können selbst
zu Magneten werden!
Wie denn?
Kompass selbstgebaut
Du brauchst:
XX zwei
Stopfnadeln oder Stücke von Eisendraht
Magneten
XX zwei kleine Schüsseln mit Wasser
XX zwei Korkscheiben oder Stückchen vom Milchkarton
XX einen
Uns so wird es gemacht:
XX Lass
eine Korkscheibe in der ersten Wasserschüssel
schwimmen und lege die erste Nadel vorsichtig
auf die Korkscheibe.
XX Wiederhole den Versuch mit der zweiten Nadel:
Streiche 20 bis 30 Mal mit dem Magneten über die
Stopfnadel (immer in eine Richtung) und lege sie auf
die Korkscheibe in der zweiten Schüssel.
Überlege: Was ist bei der magnetisierten Nadel anders?
Um den Unterschied besser zu sehen, kannst du einen
Magneten in die Nähe der Nadeln halten, ohne sie zu berühren.
XX Lege
einen richtigen Kompass daneben und vergleiche
die Lage deiner Nadeln mit der der Kompassnadel.
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Material
M8 M
agnetismus überall (2)
Frei bewegliche Magnete richten sich am Magnetfeld der Erde aus. Auf der Korkscheibe schwimmend wird
die magnetisierte Stopfnadel so zum Kompass.
a) Finde heraus, wo Norden liegt.
In welcher
Richtung liegt
der Nordpol?
b) Zeichne ein Modell der Elementarmagnete in der magnetisierten und der nicht magnetisierten Nadel.
m
isiert
agnet
nicht
m
e Nad
isiert
agnet
el
e Nad
el
c) Suche nach Informationen zum Magnetfeld der Erde. Ist die Erde ein Magnet?
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____________________________________________________________________________________
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Material
M9 V
orsicht, Magnete!
Wenn die Elementarmagnete nach bestimmten Mustern angeordnet sind, kann man damit Nachrichten
speichern und sie mit einem Lesegerät für magnetisch gespeicherte Informationen sichtbar machen.
Solche magnetisch gespeicherten Daten befinden sich z. B. auf EC-Karten, mit denen man am Geld­
automaten Geld abheben kann.
Und
warum nicht?
Niemals einen
Magneten an eine
Magnetstreifen-Karte halten!
a) Überlege: Was kann passieren, wenn Elementarmagneten, die Daten speichern, mit einem anderen
Magneten in Kontakt kommen?
 ________________________________________________________________________________
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b) Benutze das Modell von den Elementarmegneten aus M6 und zeichne deine Idee als Modell.
c) Wo könnten magnetische Speicherkarten mit anderen Magneten in Kontakt kommen?
Was könnte man dagegen tun?
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Material
M10 D
ie Lösungen (1)
M1
a) Er zieht Dinge aus Metall an, und zwar Dinge aus Eisen,
Nickel und Kobalt. Eisen, Nickel und Kobalt sind magnetische Stoffe.
b) Sie ziehen sich an oder stoßen sich ab und ziehen Dinge aus Eisen,
Nickel oder Kobalt an.
c) Beide ziehen an (aber der Eisbär Besucher und der Magnet Dinge aus
Eisen, Nickel oder Kobalt).
d) Der Eisbär lebt am Nordpol, der Pinguin am Südpol. Nordpol und Südpol haben auch
etwas mit Magnetismus zu tun.
M2
a) Wenn die Gegenstände (z. B. Nadel, Kompass, Büroklammer) in die Nähe
des mit Draht umwickelten Nagels kommen und der Stromkreis
geschlossen ist, werden diese Gegenstände angezogen.
b) Vermutung: Alles, was sich wie ein Magnet verhält, ist ein Magnet.
c) Die Konstruktion hat Eigenschaften wie ein Magnet, also handelt es sich
um einen Magneten.
d) Dann werden sie nicht angezogen. Strom ist also Voraussetzung dafür, dass der Elektromagnet
funktioniert.
M3
a) Man vergleicht, wie viele (gleiche) Gegenstände sie anziehen.
b) Man zählt diese Gegenstände.
M4
a) Es lassen sich nur Süd- und Nordpol aneinandersetzen.
b) Nein, gleiche Pole stoßen sich ab.
c) Jeder Magnet hat einen Nordpol und einen Südpol.
Ungleiche Pole ziehen sich an, gleiche Pole stoßen sich ab.
M5
a) Man könnte z. B. versuchen, einen Pol zu entfernen.
b) zwei
c) 32, 64, 128, 256, 512, 1024
d) Aus jedem geteilten Magneten werden zwei Magnete,
von denen jeder einen Nordpol und einen Südpol hat.
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Material
M11 D
ie Lösungen (2)
M6
a) Ein Magnet besteht aus vielen winzig kleinen Elementarmagneten, die alle in der gleichen Richtung
liegen und so Nordpol und Südpol des Magneten entstehen lassen.
b)
c)
d) Die Elementarmagneten müssen wie in der Modellzeichnung von a) angeordnet sein. Man muss die
ungeordneten Elementarmagnete ordnen. Das könnte z. B. durch einen anderen Magneten geschehen.
M7/M8
a) Die Kompassnadel zeigt immer nach Norden. Du kannst also einen Kompass benutzen,
um herauszufinden, wo Norden ist.
b) Die magnetisierte Nadel richtet sich so aus wie eine Kompassnadel und wird von einem
Magneten angezogen.
m
isie
agnet
nicht
m
rte Na
isie
agnet
del
rte Na
del
c) Im Inneren der Erde bewegen sich Ströme von flüssigem Eisen, in denen die Elementarmagnete wie in
einem Magneten ausgerichtet sind. Deshalb ist die Erde tatsächlich ein riesiger Magnet.
M9
a) Die Anordnung der Elementarmagnete wird verändert, dadurch können Informationen verloren gehen.
b)
c) Sie könnten z. B. Magnetverschlüsse von Taschen oder Schränken berühren, dadurch können
Informationen verloren gehen. Die Speicherkarten sollten deshalb geschützt werden, z. B. durch
eine dicke Hülle aus Plastik oder Leder.
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