Handbuch zum Ferrofluidic Adventure Science Kit
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ANLEITUNGSBUCH © 1999, 2006, 2009 Ferrotec (USA) Corporation Alle Rechte vorbehalten Ferrofluidic® Adventure Science Kit Einführung Materialliste 1,5 cm3 Pipetten 3 cm3 Spritze Betrachtungsglas Blaue Knopfmagnete Ringmagnet EFH1 Ferrofluid Aluminiumschalen Anleitungsbuch Latex Schutzhandschuhe Buchstabe "A" je 2 Stück je 1 Stück je 1 Stück je 2 Stück je 1 Stück 50 ml je 5 Stück je 1 Stück je 1 Stück je 1 Stück Sicherheit: Zur Beachtung ! FERROFLUID KANN BEI UNSACHGEMÄSSEM GEBRAUCH ERHEBLICHE VERSCHMUTZUNGEN VERURSACHEN. LESEN SIE DIE FOLGENDEN AUSFÜHRUNGEN ÜBER SICHERHEIT VOR DER BENUTZUNG DIESES KITS. Das Ferrofluidic® Adventure Science Kit ist für Schüler der Mittelstufe gedacht, mit Anleitung durch das Lehrpersonal. Das Ferrofluid ist relativ harmlos, trotzdem wird der Gebrauch von Schutzhandschuhen und Schutzbrille beim Umgang mit Ferrofluid und Magneten dringend angeraten. EIN MAGNET AM RANDE EINER MIT FERROFLUID GEFÜLLTEN SCHALE WIRD DAS FERROFLUID AUS DER SCHALE BEWEGEN. Das EFH1 Ferrofluid ist eine Flüssigkeit basierend auf Kohlenwasserstoffen. Sie ist vergleichbar mit Motorenöl, das ebenso wenig wie dieses verschluckt werden sollte. Es hinterlässt perma nente Flecken auf jeder Textilie und vielen Oberflächen mit denen es in Berührung kommt. Bei jedem Umgang damit wird also das Tragen von Schutzhandschuhen, entsprechender Schutzklei dung und Schutzbrille dringend empfohlen, um Kleidung, Haut und Augen (Hornhautfärbung!) zu schützen. Das Betrachtungsglas ist ein Glasbehälter und sollte mit entsprechender Vorsicht gehandhabt werden. Die klare Flüssigkeit im Betrachtungsglas ist FEUERGEFÄHRLICH. Das Ferrofluid in dem Betrachtungsglas ist nicht vom Typ EFH1. Vermeiden Sie es, das Betrachtungsglas dem direkten Sonnenlicht oder extremen Temperaturen auszusetzen. Sicherheitsdatenblätter (Material Safety Data Sheets (MSDS)) für beide Typen EFH1 und die Flüssigkeit im Betrachtungsglas sind im Lieferumfang enthalten. Im Falle eines Augenkontaktes spülen Sie das Auge mit reichlich Wasser, und konsultieren Sie einen Augenarzt. Seite 1 / 17 Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Ferrofluidic® Adventure Science Kit Handhabungsweise: Lesen Sie diese wichtigen Hinweise sorgfältig durch, bevor Sie mit Ferrofluid hantieren! Ferrofluid verhält sich anders als Flüssigkeiten, die Sie bisher gehandhabt haben. Befolgen Sie unbedingt diese einfachen Regeln. 1) Um die Verdunstung des EFH1 Ferrofluids zu minimieren, bewahren Sie das Ferrofluid in einem geschlossenen Behälter auf. Nach den Experimenten können Sie das Ferrofluid wieder in die Flasche zurück füllen und diese dann dicht verschliessen. 2) Benutzen Sie die beiliegende 1,5 cm3-Pipette um die jeweilige Menge Ferrofluid für ein Experiment zu entnehmen. Lassen Sie das Magnetfeld das Ferrofluid aus der Pipette ziehen, so vermeiden Sie Verspritzen. 3) Benutzen Sie die mitgelieferte Spritze, um das Ferrofluid von Magneten sowie aus den Scha len zu entfernen und es in den Behälter zurück zu füllen. Wischen Sie verbleibende Reste an Magneten und Schalen mit Papiertüchern ab und entsorgen Sie diese. ANMERKUNG: gehen Sie beim Umfüllen sorgfältig mit der Spritze und der Pipette um, damit Spritzer vermieden werden. Achten Sie darauf, dass Sie das Ferrofluid langsam aus der Spritze oder der Pipette dosieren. 4) Seien Sie vorsichtig mit Magneten und Magnetfeldern in der Nähe von Ferrofluid. Ferrofluid kann aus der Schale gezogen werden. 5) Führen Sie die Versuche immer über entsprechend gesicherten Arbeitsflächen durch (z.B. Papier Tücher, dichte Unterlage, flache Schale....) 6) Sollte ein Magnet mit Ferrofluid eingehüllt sein, versuchen Sie dieses nicht mit einem anderen Magneten zu entfernen. Die Magneten ziehen sich an und werden beim zusammenschnellen das Ferrofluid heftig verspritzen! Entsorgung und Reinigung: Halten Sie die Umwelt sauber Das Ferrofluid EFH1 kann wie normales Motorenöl entsorgt werden. Die klare Flüssigkeit und das Ferrofluid im Betrachtungsglas können mit Papiertüchern aufgesaugt und in den Restmüll entsorgt werden. Bitte beachten Sie eventuell lokal unterschiedliche Bestimmungen Ihres Müllentsorgers. Nach Hautkontakt mit Ferrofluid waschen Sie die Stelle mit einer Seife, einer üblichen Industrie-Handwaschpaste oder einem Handreiniger. Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Seite 2 / 17 Ferrofluidic® Adventure Science Kit Einführung: Die Welt des Magnetismus Magnetismus ist der Menschheit seit Beginn der Geschichtsschreibung bekannt. Der Magnet hat seinen Namen vermutlich von den Griechen aus Magnesia, die im Altertum ein magnetisches Material gewonnen haben, das heute als Magnetit bekannt ist. Auch wenn der Magnetismus schon Tausende von Jahren bekannt war, hat es bis zum neunzehnten Jahrhundert gedauert bis man die wissenschaftliche Bedeutung ergründete. Heute ist der Magnetismus ein zentraler Grundstein eines grossen Teils der Fortschritte heutiger Zivilisation und wir sind in vielen Dingen des täglichen Lebens vom Magnetismus und magneti schen Prinzipien abhängig. Telefone, Fernseher, Lautsprecher, Transformatoren, Elektromotoren, Elektroaktuatoren, Computer, Kreditkarten und die Erzeugung von Elektrizität sind nur einige Beispiele unserer Abhängigkeit vom Magnetismus. Seit der Entdeckung des Magnetismus vor Tausenden von Jahren, sind ausschliesslich feste magnetische Materialien bekannt. Vor ungefähr 40 Jahren wurde ein neues magnetisches Material namens Ferrofluid entwickelt. Ferrofluid ist ein magnetisches Kolloid und ist das einzige magnetische Material in flüssiger Form. Ferrofluide sind flüssig und können mittels magnetischer Felder beeinflusst werden. Das erste Patent für ein Ferrofluid wurde der NASA 1965 erteilt. In der frühen Entwicklung des Raumfahrtprogramms untersuchte die NASA die Möglichkeit Ferrofluid als flüssigen Raketentreib stoff unter Schwerelosigkeit mittels Magnetfelder zu transportieren. Heute finden Ferrofluide in vielen Anwendungen wie Lautsprecher, CD–ROM, Computer, Halbleiterfertigung oder Materialtrennung Verwendung. Ausserdem besteht ein grosses Potential in biomedizinischen Anwendungen. Sie werden fasziniert sein von der Entdeckung des Magnetismus mit diesem magnetischen Material. Seite 3 / 17 Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Ferrofluidic® Adventure Science Kit Versuch 1: Magnetisches Feld eines Permanentmagneten Ziel Demonstration des unsichtbaren Feldes eines Permanentmagneten. Das magnetische Feld um einen Permanentmagneten kann mit dem Modell magnetischer Kraftlinien beschrieben werden. Die Linien bilden geschlossene Schleifen aus, beginnend vom Nordpol des Magneten bis zum Südpol des Magneten. Innerhalb des Magneten schliessen sich die Linien. Die Regionen in denen die Linien dicht gedrängt auftreten repräsentieren einen Bereich stärke ren magnetischen Feldes, als dort wo die Linien weiter auseinander sind. ANMERKUNG: Vermeiden Sie das Betrachtungsglas zu schütteln. Schütteln führt zu einer Bil dung von einzelnen Ferrofluidtropfen die sich dann absetzen. Auch wenn es in diesem Zustand immer noch magnetisch ist kann eine Schaumbildung eine nachhaltige Beeinträchtigung der Stachelbildung bewirken. Das Ferrofluid wird schliesslich wieder in den Normalzu stand zurückkehren. Lagern Sie das Betrachtungsglas nicht auf einem Magneten, dies könn te zu einer irreversiblen Benetzung der Glasoberfläche führen. Auch dann bleibt das Fer rofluid magnetisch. ÖFFNEN SIE DAS BETRACHTUNGSGLAS IN KEINEM FALL. In dem Betrachtungsglas ist ein Ferrofluid enthalten, das speziell auf diese Anwendung und den Kon takt zu einer Flüssigkeit abgestimmt ist. Das Öffnen des Betrachtungsglases führt zur nachhaltigen Zerstörung des Ferrofluids. Andere Ferrofluide, auch EFH1 sind nicht beständig bei Kontakt mit anderen Flüssigkeiten. Was Sie benötigen Sie benötigen das Betrachtungsglas und beide blauen Knopfmagneten aus dem Ferrofluidic Adventure Science Kit. Vorgehen Zeigen Sie Ihren Schülern die Abbildung 1. Permanentmagnete haben einen Nord und einen Südpol (N,S). Die magnetischen Kraftlinien, die von dem nicht sichtbaren magnetischen Feld generiert werden, erstrecken sich vom Nordpol zum Südpol des Magneten. Abbildung 1 1) Halten Sie das Betrachtungsglas und die Knopfmagneten wie in Abbildung 3 und 4 gezeigt. Abbildung 2 Abbildung 3 Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Seite 4 / 17 Ferrofluidic® Adventure Science Kit Zeigen Sie Ihren Schülern die Stachelbildung die das Magnetfeld hervorruft. Beziehen Sie sich auf Abbildung 1. Erklären Sie, dass die Stachelbildung tatsächlich eine Folge davon ist, dass das Ferrofluid versucht den magnetischen Kraftlinien zu folgen, die sich vom Nord- zum Südpol erstrecken. Die Stacheln entstehen wenn die Kraftlinien senkrecht zu der Ferrofluidoberfläche stehen. Den grössten Effekt kann man beobachten bei Anordnung gemäss Abbildung 1. Bei Anordnung der Magnete oberhalb des Glases (Abbildung 3) werden die gleichen Stacheln ausgebildet. Beachten Sie, dass das Ferrofluid nicht der Schwerkraft folgt, bis die Magnete entfernt werden. 2) Zeigen Sie Ihren Schülern die Illustration in Abbildung 5. Drehen Sie die Magneten so, dass die magnetischen Kraftlinien parallel zur Ferrofluidoberfläche verlaufen (Abbildung 5). Dabei verschwinden die Stacheln. Abbildung 5 Abbildung 4 Was passiert hier? Abbildung 6 Abbildung 7 Es ist charakteristisch für magnetische Feldlinien, dass sie sich nicht kreuzen und nicht scharf abknicken (Abbildung 7). Sie bilden stetige Bögen von Pol zu Pol (Abbildung 5) und dehnen sich so auf ihrem Weg zum gegenüberliegenden Pol weit aus. Wenn das magnetische Feld senkrecht zum Betrachtungsglas ist werden viele Stacheln gebildet, da das Ferrofluid den magnetischen Kraftlinien folgt (Abbildung 6). Beachten Sie die andere Form der Stacheln wenn die magnetischen Kraftlinien parallel verlaufen (Abbildung 4). Das Ferrofluid folgt immer noch den magnetischen Kraftlinien, zeigt aber ein anderes Muster. Benutzen Sie unterschiedlich geformte Magnete mit dem Betrach tungsglas und machen Sie so die Richtung und Stärke des Magnetfeldes sichtbar. Seite 5 / 17 Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Ferrofluidic® Adventure Science Kit Versuch 2: BeeinFlussen der magnetischen Kraftlinien Ziel Demonstrieren Sie die Permeabilität magnetischer und nichtmagnetischer Stoffe. Zeigen Sie wie die magnetischen Kraftlinien mit permeablem Material beeinflusst werden können. Was Sie benötigen Sie benötigen das Betrachtungsglas und einen Knopfmagneten aus dem Ferrofluidic Adventure Science Kit, ein etwas dickeres Stück rostfreien Stahl (z.B. einen Teelöffel etc.), und einen hölzernen Bleistift. Vorgehen Halten Sie den Edelstahllöffel oben auf den blauen Knopfmagneten und versuchen Sie die Stacheln in dem Betrachtungsglas zu erzeugen (Abbildung 8). Sind immer noch Stacheln zu sehen, so nehmen Sie einen weiteren Löffel zu Hilfe. Die Stacheln sind jetzt nicht mehr vorhanden oder zumindest sehr klein. Abbildung 8 Dann halten Sie den Bleistift zwischen den Magneten und das Glas und wiederholen den Ver such, wie in Abbildung 9. Abbildung 9 Die Stacheln sind wieder da, als ob nichts dazwischen wäre. Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Seite 6 / 17 Ferrofluidic® Adventure Science Kit Was passiert hier? Nehmen Sie die Abbildungen 10, 11, und 12 zu Hilfe. Der Grund warum die Stacheln verschwinden wenn der Löffel zwischen den Magneten und das Ferrofluid gebracht wird ist, dass der Löffel ein magnetisches Material ist und eine höhere Permeabilität hat als die umgebende Luft. Magnetische Kraftlinien verhalten sich ähnlich wie Elektrizität: Sie suchen sich immer den Weg des geringsten Widerstandes. Hochpermeable Materialien bieten einen geringe- Abbildung 10 magnetische Materialien Abbildung 12 nichtmagnetische Materialien Abbildung 11 magnetische (2) und nichtmagnetische (2) Materialien ren Widerstand für magnetische Kraftlinien (Abbildung 10). Luft ist wenig magnetisch und hat eine Permeabilität von 1 (Abbildung 11). Der rostfreie Stahl des Löffels hat eine ungefähr 500-fach höhere Permeabilität verglichen mit Luft und bietet daher einen bevorzugten Weg für die magnetischen Kraftlinien. Eisen hat eine noch höhere Permeabilität von ungefähr 8000, also einen noch geringeren magnetischen Widerstand (Abbildung 12). Beachten Sie, dass sich die Feldlinien in hochpermeablen Materialien sehr dicht drängen. Versuchen Sie verschiedene Materialien, die die zweifache Dicke des Magneten haben wie Kunststoffe, Aluminium, Pappe, Schrauben, Muttern oder irgendetwas anderes, zwischen den Magneten und das Betrachtungsglas zu halten. Kleine oder gar keine Stacheln weisen auf hohe Permeabilität hin. Unverändert lange Stacheln deuten auf unmagnetische Materialien mit niedriger Permeabilität hin. Anwendungsbeispiel: Wussten Sie, dass Audiolautsprecher auf konzentrierten magnetischen Kraftlinien beruhen und damit Schall erzeugen und, dass über 50 Millionen Lautsprecher pro Jahr mit Ferrofluid gefüllt werden? Abbildung 13 zeigt diese Anwendung. Abbildung 13 Seite 7 / 17 Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Ferrofluidic® Adventure Science Kit Versuch 3: Magnetisches Feld eines Elektromagneten Ziel Zeigen Sie das magnetische Feld eines Elektromagneten. Was Sie benötigen Sie benötigen eine der Aluminiumschalen und 1 ml oder mehr von dem Ferrofluid EFH1 aus dem Ferrofluidic Adventure Science Kit. Sie benötigen ausserdem eine Spule (mit Kern) und eine einstellbare Spannungsversorgung. Vorgehen Um mit einem Elektromagneten ein Magnetfeld zu erzeugen müssen Sie diesen an eine Stromversorgung anschliessen. Eine Zugspule wie sie in vielen elektrischen Geräten verwendet wird ist ein praktisches Beispiel für einen Elektromagneten. Stellen Sie eine Schale mit Ferrofluid auf den Zugmagneten (siehe Anmerkung zur Beschaffung) (Abbildung 14). Stellen Sie sicher, dass der Zuganker sich vollständig in der Spule befindet. Dieser magnetisch permeable Zuganker leitet das magnetische Feld, das von dem Strom durch die Spule erzeugt wird, weit aus der Spule hinaus, so dass es Einfluss auf das Ferrofluid nehmen kann. Je grösser die Stromstärke durch die Spule ist, desto grösser ist das Magnetfeld. Abbildung 14 Anmerkung: Die Menge an benötigtem Ferrofluid EFH1 für dieses Experiment hängt von der jeweils verwendeten Spule ab. Beginnen Sie mit einer kleinen Menge Ferrofluid (1 ml) und fügen Sie wenn nötig mehr hinzu um den Effekt zu optimieren. Steigern Sie allmählich die Stromstärke. Mit steigendem Magnetfeld reagiert das Ferrofluid mit einer zunehmenden Anzahl von Stacheln (Abbildung 16 und 15). Nach dem Experiment füllen Sie das Ferrofluid in die Flasche zurück und reinigen Sie die Schale zur Wiederverwen dung. Abbildung 16 Abbildung 15 ACHTUNG: ÜBERSCHREITEN SIE NICHT DEN MAXIMAL ZULÄSSIGEN STROM DER SPULE! ACHTEN SIE SORGFÄLTIG DARAUF, DASS DIE SPULE NICHT ÜBERHITZT! Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Seite 8 / 17 Ferrofluidic® Adventure Science Kit Was passiert hier? Wir wissen, dass Permanentmagnete eine Quelle unsichtbarer magnetischer Felder sind. Ein Elektromagnet kann ebenso zur Erzeugung eines magnetischen Feldes benutzt werden. Ein StromFluss durch einen Leiter erzeugt ein Magnetfeld um diesen. Das Feld ist unsichtbar, jedoch können dessen Wirkungen beobachtet werden, insbesondere dann, wenn der Leiter zu einer Spule gewickelt ist (Abbildung 17). Abbildung 17 Eine Anordnung mit mehr als einer Windung wird immer Spule genannt. Eine ideale Spule hat eine grosse Länge im Verhältnis zum Durchmesser. Die Spule konzentriert die magnetischen Kraftlinien im Inneren und führt zu entgegengesetzten Polen an den Enden. Die magnetische Wirkung wächst mit der Anzahl der Windungen und mit der Stromstärke durch den Leiter. Da mit werden die magnetischen Kraftlinien im Inneren der Spule dichter (Abbildung 17). Dieser Zusammenhang zwischen Windungszahl, Strom und dem erzeugten Magnetfeld kann mit Ferrofluid anschaulich dargestellt werden. So wie die Stromstärke durch die Spule vergrössert oder verkleinert wird, vergrössert oder verkleinert sich das Magnetfeld und die Stacheln variieren in Grösse und Anzahl. Wiederholen Sie diesen Versuch mit verschiedenen Spulengrössen und beachten Sie die un terschiedliche Stromstärke welche jeweils notwendig ist um die Stacheln zu generieren. Seite 9 / 17 Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Ferrofluidic® Adventure Science Kit Versuch 4: Schwimmende Münze Ziel Dieses Experiment zeigt wie ein Ferrofluid seine "virtuelle Dichte" ändert und dadurch variablen Auftrieb erzeugt. Was Sie benötigen Sie benötigen den Ringmagneten, eine der Aluminiumschalen, eine Pipette und ungefähr 3 ml Ferrofluid EFH1 aus dem Ferrofluidic Adventure Science Kit. Ebenso benötigen Sie eine Münze aus einem nichtmagnetischen Werkstoff. Vorgehen Stellen Sie die Aluminiumschale auf den Ringmagneten und legen Sie eine nichtmagnetische Münze in die Schale (Abbildung 18). Füllen Sie mit der Pipette ca. 3 ml Ferrofluid in die Schale. Die Münze schwimmt nun auf der Oberfläche des Ferrofluids (Abbildung 19). Heben Sie die Schale von dem Ringmagneten ab, so sinkt die Dichte des Ferrofluids auf seinen na türlichen Wert und die Münze versinkt. Abbildung 18 Abbildung 19 Nicht vergessen: Bringen Sie den Magneten nicht zu nahe an das Ferrofluid sonst springt es heraus! Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Seite 10 / 17 Ferrofluidic® Adventure Science Kit Was passiert hier? Wenn Sie eine Münze in Wasser legen sinkt diese. Wenn Sie eine Münze in Ferrofluid EFH1 legen sinkt diese ebenso. Der Grund dafür ist, dass die Dichte des Ferrofluids nur geringfügig über der des Wassers liegt, aber deutlich unter der Dichte der Münze. Deswegen sinkt die Münze. Ferrofluid hat allerdings einen Vorteil gegenüber Wasser: Die virtuelle Dichte des Ferrofluids kann durch Anlegen eines Magnetfeldes erhöht werden wodurch Objekte, die normalerweise sinken würden, auf der Oberfläche schwimmen. Durch Anlegen des Feldes des Ringmagneten wird eine der Schwerkraft entgegenwirkende Kraft innerhalb des Ferrofluids erzeugt. Abbildung 20 eine Münze (1) schwimmt in einer Schale (2) mit Hilfe einem Ringmagenten (3) und Ferrofluid Wiederholen Sie diesen Versuch mit unterschiedlichen nichtmagnetischen Materialien wie Aluminium, Blei, Gesteine, Zink, Messing etc. Versuchen Sie mit den blauen Knopfmagneten oder anderen verfügbaren Magneten oder anderen Polanordnungen das Schwimmen zu variieren. Nach dem Experiment füllen Sie das Ferrofluid in die Flasche zurück und reinigen Sie die Schale zur Wiederverwendung. Anwendungsbeispiel: Das Schwimmende-Münze-Experiment ist ein Beispiel für eine inzwischen industriell etablierte statische und dynamische Trenntechnik. Im Bergbau und Recycling wird die Dichte des Ferrofluids mittels Magnetfelder so angepasst, dass die Dichtetrennung von Mineralien und nichtmagnetischen Metallen möglich ist. Materialien mit hoher Dichte sinken, während Materialien mit niedriger Dichte schwimmen und so von der Oberfläche des Ferrofluids abgeschöpft werden können. Seite 11 / 17 Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Ferrofluidic® Adventure Science Kit Ferrofluid - Die Kunst in der Wissenschaft Künstlerische Darstellung magnetischer Formen Entdecken Sie verborgene Formen und künstlerische Gestaltung mit Ferrofluid indem Sie spezielle Magnetformen benutzen. Welche Zensur haben Ihre Schüler mit den Ferrofluid-Experimenten verdient? Auch wenn Sie die Antwort vielleicht bereits kennen, zeigen Sie die Antwort doch einfach mit Ferrofluid. Stellen Sie die Aluminiumschale auf den Magneten der die Form “A” hat (siehe Fussnote 1, und Abbildung 21). Geben Sie mit der Pipette eine kleine Menge Ferrofluid in die Nähe der Position des Buchstabens. Ein dünner Strom Ferrofluid formt sich selbständig zu einem Buchstaben “A” (Abbildung 22). Mit wachsender Ferrofluidmenge wird der Buchstabe dunkler. Dies funktioniert mit beliebigen geformten Magneten wie Buchstaben, Nummern, Symbolen oder künstlerischen Formen. Abbildung 22 Abbildung 21 Magnetische Muster mit diversen Kleinteilen Benutzen Sie Schrauben Muttern, Unterlegscheiben! Beobachten Sie wie diese Teile das Magnetfeld ändern. Sie können ein Sortiment Schrauben, Bolzen oder Unterlegscheiben beschaffen (Abbildung 23). Stellen Sie sicher, dass die Teile magnetisch sind. Die Teile sollten im Durchmesser kleiner sein als der Magnet und nicht länger sein als 5 mal die Dicke des Magneten. Benutzen Sie Ferrofluid zusammen mit den blauen Knopfmagneten und diversen Kleinteilen für dieses Experiment. Abbildung 23 Umformen eines Magnetfeldes Beschaffen Sie sich 10-20 Heftklammern im Verbund. Wenn zwei solcher Klammerverbünde mit 90° versetzt in einer Schale mit Ferrofluid angeordnet werden entstehen vier Abschnitte mit Stacheln (Abbildung 24). Die magnetischen Objekte verändern die Form des Magnetfeldes. Die wechselnden Muster des Ferrofluids zeigen die geänderte Feldverteilung. Magnetische Skulpturen mit Ferrofluid Abbildung 24 Stellen Sie eine Aluminiumschale auf einen Stapel der blauen Knopfmagneten und geben Sie langsam Ferrofluid mit der Pipette hinzu. Beobachten Sie, wie mit zunehmender Ferrofluid 1 Bezieht sich auf das in den USA übliche Bewertungssystem, in dem "A" der bestmöglichen Zensur entspricht. Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Seite 12 / 17 Ferrofluidic® Adventure Science Kit menge zuerst einen Ring, dann Stacheln (Abbildung 25) und schliesslich eine Kuppel mit einem Stachel geformt wird (Abbildung 26). Abbildung 25 Abbildung 26 Geben Sie Ferrofluid in eine weitere Schale bis sich Stacheln bilden (Abbildung 29). Stellen Sie vorsichtig eine magnetische Schraube in die Mitte des Ferrofluids. Die Stacheln verschwinden (Abbildung 27). Entnehmen Sie die Schraube mit einer nichtmagnetischen Pinzette und schon sind die Stacheln wieder da. Sowie Sie die Schraube wieder hineinstellen ver schwinden die Stacheln. Geben Sie nun etwas Ferrofluid auf die Spitze der Schraube und die Stacheln zeigen sich als Krone auf der Schraube (Abbildung 28). Abbildung 29 Abbildung 27 Abbildung 28 Warum? Warum bilden sich Stacheln auf der Spitze der Schraube aus und warum verschwinden die Stacheln wenn man die Schraube in die Schale stellt? Weil die Schraube eine deutlich höhere Permeabilität hat als die umgebende Luft. Die magnetischen Kraftlinien sam meln sich auf dem Weg des geringsten Widerstandes durch die Schraube. Deshalb sind die magnetischen Kraftlinien an der Schraubenspitze konzentriert. Seite 13 / 17 Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Ferrofluidic® Adventure Science Kit Weitere interessante magnetische Muster Vielpolmagnete aus Schrittmotoren, Dynamos oder Spezialmagnete aller Art...die Möglichkeiten sind unbegrenzt. Geniessen Sie Wissenschaft und schaffen Sie Kunstwerke mit Fer rofluid. Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Seite 14 / 17 Ferrofluidic® Adventure Science Kit Ferrofluid: Die geheimnisvolle Flüssigkeit Ferrofluide sind stabile kolloidale Suspensionen von magnetischen Nanopartikeln in einer Trägerflüssigkeit. Die magnetischen Partikel haben eine annähernd sphärische Form und einen mittleren Durchmesser von 10-8 m oder 10 nm (Die Spitze einer Nadel ist ungefähr 0,3 mm). Die Partikel sind für das Auge unsichtbar und können nur mit einem Elektronenmikroskop sichtbar gemacht werden. Ein einziger Tropfen Ferrofluid beinhaltet über eine Billiarde (1015) mikroskopisch kleiner Magnete. Diese Magnete, die die kleinsten der Welt sind, zeigen den Grenzbereich des Magnetismus. Wären sie nur wenig kleiner, würde ihr Magnetismus verschwinden. Die magnetischen Partikel sind mit einem Detergens beschichtet welches die Agglomeration verhindert (Abbildung 30). Die Teilchen können sich frei in der Trägerflüssigkeit bewegen und setzen sich weder im Schwerefeld noch im Magnetfeld ab. Ohne äusseres Magnetfeld sind die magnetischen Momente der einzelnen Partikel zufällig ausgerichtet. Nach aussen hin zeigt das Ferrofluid keine Magnetisierung (Abbildung 30). In Anwesenheit eines äusseren Magnetfeldes richten sich die einzelnen Teilchen sofort in Richtung der magnetischen Kraftlinien aus, weshalb das Ferrofluid wie eine homogene Flüssigkeit unmittelbar auf das Feld reagiert (Abbildung 31). Abbildung 30 Abbildung 31 Technisch gesehen ist ein Ferrofluid ein weichmagnetisches Material im Gegensatz zu hartmagnetischen Materialien. Hartmagnetische Materialien sind Permanentmagnete und diese ziehen sich entweder an (unterschiedliche Pole) oder stossen sich ab (gleiche Pole). Ein weichmagnetisches Material wird von jedem Pol eines Magneten angezogen. Ferrofluid bewegt sich auf ein Magnetfeld zu, das von einem Permanentmagneten oder einem Elektromagneten ausgeht. Es sammelt sich an der Stelle, an der das Magnetfeld am grössten ist. Wenn Sie zum Beispiel eine geringe Menge Ferrofluid auf einen der blauen Knopfmagnete geben, verteilt sich das Ferrofluid am Umfang kreisförmig und zeigt so an, wo die magnetischen Kraftlinien auf der Magnetoberfläche am dichtesten sind. Ferrofluid folgt den magnetischen Kraftlinien des Magnets und teilt sich dabei wegen der Oberflächenspannung in Stacheln auf. Dieses Phänomen tritt bei einem kritischen Wert der Magnetisierung des Ferrofluids auf, der vom Feld des Magneten abhängt. Die Stacheln sind typischerweise hexagonal und äquidistant. Wenn Sie einzigartige Formen oder Anordnungen entdecken oder Sie uns Experimente mitteilen wollen, wenden Sie sich an: e-mail: [email protected] Seite 15 / 17 Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Ferrofluidic® Adventure Science Kit Stichworte: Ausdrücke und Begriffe Agglomeration: Prozess bei dem sich kleinste Partikel zu einer Masse anlagern. Anhäufung oder Ansammlung auseinanderstrebender Elemente. Kolloid: Ein System das aus mindestens zwei Phasen besteht. Emulsionen, Gele, Sole und Aerosole sind Beispiele für Kolloide. Eine Phase ist dabei dispers, die andere kontinuierlich. Fer rofluide gehören zur Kategorie der Sole, die aus einer Suspension feiner Feststoffpartikel oder Makromoleküle in einem flüssigen Medium bestehen. Dichte: Definiert als Verhältnis Masse zu Volumen einer Substanz. Die Dichte von Wasser ist 1000 kg/m3 (=1 g/cm3). Die Dichte von Ferrofluid ist im Bereich 1,03 g/cm3. Die Dichte von Kupfer ist 8,96 g/cm3. Elektromagnet: Anordnung von einem Kern aus magnetischem Material umgeben von einer Spule aus isoliertem Draht. Ein Stromfluss durch den Spulendraht erzeugt ein Magnetfeld durch den Kern. Elektronenmikroskop: Instrument das mittels Elektronenstrahl eine stark vergrösserte Abbildung sehr kleiner Objekte ermöglicht. Im Gegensatz dazu erzeugen optische Mikroskope Abbildungen mit Licht. Die Vergrösserung kann Werte von 100000 erreichen, während die Grenzen eines optischen Mikroskops bei einer Vergrösserung von 1000 liegen. Äquidistant: in gleichen Abständen. Hartmagnetisches Material: Material das einen gewissen Restmagnetismus behält wenn das Äussere magnetisierende Feld entfernt wird. Ein anderer Ausdruck für “hartmagnetisches Mate rial" ist "Permanentmagnet." Homogen: gleichförmig. Magnetisches Feld: Unsichtbares Kraftfeld das einen Magneten umgibt und auf magnetische Stoffe anziehende oder abstossende Kräfte bewirkt. Magnetische Kraftlinien / Flusslinien: Unsichtbare gedachte Linien die einen Magneten umgeben und die Richtung und Stärke der Kraftwirkungen andeuten. Jede dieser Linien bildet eine geschlossene Schleife: ausgehend vom Nordpol zum Südpol schliesst sich die Schleife innerhalb des Magneten. Magnetisches Moment: Eigenschaft eines magnetischen Materials. Je höher das magnetische Moment, desto stärker der Magnet. Definiert als das Verhältnis von Drehmoment das ein Magnet im Magnetfeld erfährt zur Stärke des Magnetfeldes in der der Magnet sich befindet. Es ist genauso das Produkt des Abstandes zwischen den Polen eines Magneten und der Stärke der Pole. Magnetisch: Materialeigenschaft die die Fähigkeit zur Magnetisierung beschreibt. Magnetismus: Phänomen das durch die gleichartig ausgerichtete Bewegung elektrischer Ladungsträger (Elektronen) in einem Atom hervorgerufen wird. Makroskopisch zeigt sich dieser Effekt als magnetisches Feld. Ein stromdurchflossener Leiter hat ebenso ein Magnetfeld um sich. Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Seite 16 / 17 Ferrofluidic® Adventure Science Kit Stichworte: Ausdrücke und Begriffe (Fortsetzung) Magnetit: Natürlich vorkommendes Mineral, ein Eisenoxid, Fe 3O4 . Im Altertum waren dies die einzigen natürlichen Magnete und wurden zum Bau von Kompassen benutzt. Es ist stark magnetisch. Magnetisierung: Magnetfeld, hervorgerufen durch magnetische Materialien. Nano: 10-9 ; 1 nm = 10-9 m. Nichtmagnetische Materialien: Material das keine magnetische Kraftwirkung zeigt und auch Magnetfelder nicht verstärkt. Beispiele: Aluminium, Kupfer, Zink, Kunststoffe und Holz. Permanentmagnetische Materialien: siehe hartmagnetisches Material Permeabilität: Relatives Mass für die Fähigkeit einer Substanz magnetischen Fluss zu leiten. Die Permeabilität von Luft ist 1. Polarität: Beschreibt die Eigenschaft zwei entgegengesetzte Pole zu bilden. Billiarde: 1 000 000 000 000 000, = 10 15 magnetischer Widerstand: Der Widerstand den eine Substanz dem magnetischen Fluss entgegensetzt. Weichmagnetisches Material: Magnetisches Material in dem nach Entfernen eines magnetisierenden äusseren Feldes keine Restsmagnetisierung bleibt. Detergens: Substanzen die die Verteilung oder Benetzung einer Flüssigkeit verbessern. Beispiel: Wasser löst selber keine Fette oder Öle. Werden dem Wasser aber Detergenzien zugegeben so gehen auch diese in Lösung. Oberflächenspannung: Eine Kraft die in der Oberfläche einer Flüssigkeit dafür sorgt, dass die Oberfläche eine kleinstmögliche Form einnimmt. Bezugsquellen Magnete, Elektromagnete und andere Teile können von folgenden Lieferanten bezogen werden: Edmund Scientific; 101 East Industrial Drive; Barrington, NJ 08007-1380; (609) 573-6250 Marlin P. Jones & Assoc. Inc.; P.O. Box 12685; Lake Park, FL 33403-0685; (800) 652-6733 Parts Express; 725 Pleasant Valley Drive; Springboro, Ohio 45066-1158; (513) 743-3000 Radio Shack; Check local listing; 1-800-THE-SHACK Seite 17 / 17 Ferrotec Europe GmbH www.ferrofluid.de Garantie Ferrotec (USA) Corporation gewährleistet dem Käufer die Freiheit von Defekten des Teilesatzes in Material und Verarbeitung. Sollte bei Erhalt dieses Teilesatzes trotz unserer sorgfältigen Qualitätssicherung nach ISO 9001 ein solcher Defekt vorliegen, so begrenzt sich die Haftung der Ferrotec GmbH auf den Umtausch des defekten Teils der zu Ferrotec mit der Kaufrechnung zurückgeschickt wird. Diese Garantie ist die einzige und ausschliessliche Garantieerklärung bezüglich dieses Teilesatzes die durch Ferrotec anerkannt wird. Insbesondere für Folgen nicht sachgemässen Gebrauchs lehnt Ferrotec jegliche Gewähr sowie weitergehende Schadensansprüche ab. Die Benutzung des Teilesatzes erfolgt ausschliesslich auf eigene Gefahr, jegliche Schadenshaftung für direkte oder indirekte Schäden durch den Gebrauch lehnt Ferrotec ab. Die Marktverfügbarkeit und die Ver wendbarkeit für bestimmte Zwecke wird durch Ferrotec nicht garantiert. Information zu diesen und anderen Ferrofluid-Produkten finden Sie auch auf unserer Webseite, oder rufen Sie einfach an. Ferrotec Europe GmbH Seerosenstrasse 1 72669 Unterensingen +49 7022 9270 0 http://www.ferrotec-europe.de Ausserhalb Europa wenden Sie sich bitte an Ferrotec (USA) Corporation 33 Constitution Drive Bedford, NH 03110 +1 603 472-6800 http://www.ferrotec.com
