Wie von Zauberhand - Schweben durch magnetische Kraft

ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht
RENDSBURG
Wie von Zauberhand Schweben durch magnetische
Kraft
Milan Groth
Joran Pauleit
Simon Wessel
Schule:
Gemeinschaftsschule Hassee
Landstr. 115
24113 Kiel-Hassee
Jugend forscht 2011
•
igs
Hassee
Gemeinschaftsschule
Wie von Zauberhand
Schweben durch magnetische Kraft
Joran David Pauleit, Milan David Groth, Simon Michael Wessel
Gemeinschaftsschule Hassee
Jugend forscht – Schüler experimentieren 2011
Welche Bedingungen müssen hergestellt werden,
um ein Objekt in einen Schwebezustand zu versetzen?
Damit wir diese Fragestellung lösen können, haben wir uns im ersten Schritt Grundlagenwissen zum
Thema Magnetismus angeeignet und erste Experimente dazu durchgeführt.
Im zweiten Schritt haben wir mit Dauermagneten und ihrer abstoßenden magnetischen Kraft gearbeitet.
Schließlich haben wir entschieden, dass wir diamagnetische Stoffe beforschen und konnten unser Ziel
auf diesem Wege erreichen .
Wie von Zauberhand – Schweben durch magnetische Kraft
Inhaltsverzeichnis
1.
Einleitung
2
1.1
Wir stellen uns vor
2
1.2
Warum wir dieses Thema gewählt haben
2
2.
Unser Vorwissen zum Thema Magnetismus
2
2.1
Unterschiedliche Arten von Magneten
2
2.2
Magnetfelder und Feldlinien
3
2.2.1 Magnetfelder in ferromagnetischen Stoffen und Dauermagneten
3
2.2.2 Magnetfelder von Elektromagneten
2.3
Unsere Fragestellung
4
3.
Versuche
4
3.1
Unsere Vorversuche
4
3.1.1
Wir untersuchen die magnetische Kraft
4
3.1.2
Wir untersuchen Magnetfelder und Magnetfeldlinien
5
3.1.3
Versuch zur Darstellung der Feldlinien
5
3.1.4
Experiment 1: Magnetische Wirkung von Elektromagneten (Helmholtzspulen)
6
3.1.5
Experiment 2: Magnetische Wirkung von Elektromagneten (Helmholtzspulen)
7
3.1.6
Experiment 3: Magnetische Wirkung von Elektromagneten (Helmholtzspulen)
7
3.2
Experimente zum Thema "Schweben im Magnetfeld"
7
3.2.1
Experimente mit reinen Magneten: Nutzung der abstoßenden Kraft
7
3.2.2
Versuch 1: Abstützung der schwebenden Magneten
8
3.2.3
Versuch 2: Schwebende "Magnet-Kette"
8
3.2.4
Versuch 3: Schwebender Stabmagnet - Abstützung durch Magnete
8
3.2.5
Versuch 4: Schwebender Stabmagnet - Abstützung durch eine Helmholzspule
9
3.2.6
Versuch 5: Schwebender Stabmagnet - Abstützung durch mehr Magnete
9
3.3.
Experimentieren mit möglichen diamagnetischen Stoffen
11
3.3.1
Versuch 1: mit Stoffen, die eine diamagnetische Eigenschaft besitzen könnten
11
3.3.2
Versuch 2: mit diamagnetischen pyrolytischem Graphit
12
4.
Unsere Ergebnisse
13
4.1
Zusammenfassung der Ergebnisse
13
4.2
Schlussfolgerungen aus den Ergebnissen
13
4.3
Wie könnte man weiterforschen?
14
5.
Danksagung
14
6.
Literaturverzeichnis
15
1
Wie von Zauberhand – Schweben durch magnetische Kraft
1.
Einleitung
Wir haben uns bei „Jugend forscht – Schüler experimentieren“ den Fachbereich -Physikangemeldet, um uns intensiv mit dem Thema Magnetismus beschäftigen zu können.
1.1
Wir stellen uns vor
Wir heißen:
Joran Pauleit (10Jahre) aus Rodenbek,
Milan Groth (11 Jahre) aus Postfeld und
Simon Wessel (11Jahre) aus Neu-Meimersdorf/ Kiel.
Wir gehen in die Klasse 5d der GemS-Hassee.
Unser Klassentutor Herr Jost möchte uns bei unseren
Arbeiten unterstützen.
1.2
Warum wir das Thema Magnetismus gewählt haben
Wir drei haben uns schon immer sehr für Magnetismus interessiert. Besonders haben wir uns
dafür interessiert ,ob wir etwas durch Magnetismus zum Schweben bringen können. Insofern
war es kein Problem, ein gemeinsames Thema zu finden.
Bei unseren ersten Treffen hatten wir uns folgendes ausgedacht:
„Wir wollen versuchen, einen Stoff durch Magnetismus zum Schweben zu bringen“.
Am liebsten hätten wir auch sofort drauf los geforscht, doch mussten wir uns zunächst auf einen
Ablauf für unsere Arbeiten einigen. Hierzu hatte unser Lehrer Herr Jost die Idee, dass wir als
ersten Schritt Grundlagen zum Thema Magnetismus recherchieren könnten. Danach sollten
dann die eigentlichen Experimente beginnen.
2.
Unser Vorwissen zum Thema Magnetismus
Milan hat sich einerseits für den Magnetismus und andererseits für das Fliegen interessiert.
Erste Experimente zu Hause machte er mit einem Levitron und begeisterte sich auf diesem Weg
für die Idee etwas mit magnetischer Kraft zum Schweben bringen zu können. Simon hatte sich
bereits in der 4. Klasse der Grundschule mit Magnetismus beschäftigt und sein Vater kennt sich
beruflich gut mit Kompassen aus und auch Joran hatte sich auch bereits in der Grundschule für
den Magnetismus begeistert.
Durch unsere Recherchen zu Magnetismus fanden wir zudem folgendes heraus:
2.1
Unterschiedliche Arten von Magneten
Magnete sind Körper, die andere Körper aus Eisen, Nickel bzw. Cobalt anziehen oder abstoßen.
In der Natur vorkommende magnetische Erze bestehen aus Eisenoxid (Fe3 O4), sie heißen
Magneteisenstein bzw. Magnetit. Sie haben jedoch nur geringe magnetische Kräfte.
Dauermagnete oder Permanentmagnete haben unterschiedliche Formen (Stab-, Hufeisenoder Ringmagnete) und bestehen aus Eisen, Nickel, Aluminium mit Zusätzen aus Cobalt,
Mangan, Kupfer oder auch keramischen Werkstoffen. Man bezeichnet sie als magnetisch hart,
da sie ihre magnetische Kraft nicht verlieren. Dauermagnete mit stärkerer Kraftwirkung werden
heute meist aus Legierungen hergestellt. Eine Legierung ist ein Gemenge aus verschiedenen
Metallen. Aus den Metallen Neodym, Eisen und Bor werden die stärksten Dauermagnete
hergestellt (Neodym-Magnete) (vgl. Meyer, S.209).
Körper, die von Magneten stark angezogen werden, sind selbst magnetisierbar (vgl. ebd.).
Ferromagnetische Stoffe, wie Eisen, Nickel und Cobalt, gibt es in unmagnetisiertem bzw.
magnetisiertem Zustand (oben genannte Dauermagnete). In unmagnetisiertem Zustand nennt
man diese magnetisch weiche Metalle oder auch Weichmagnete.
2
Wie von Zauberhand – Schweben durch magnetische Kraft
Paramagnetische Stoffe wie die Metalle Kupfer und Aluminium oder bestimmte Flüssigkeiten
und Gase weisen eine geringe magnetische Kraft auf. Sie werden von Magneten sehr schwach
angezogen.
Diamagnetische Stoffe sind zum Beispiel Stickstoff, Wasser, Wismut und Graphit. Als
Diamagnetismus bezeichnet man die Tatsache, dass die genannten Stoffe von einem
Magnetfeld abgestoßen werden und zwar sowohl vom Südpol als auch vom Nordpol.
Sogenanntes pyrolytisches Graphit hat die höchste diamagnetische Eigenschaft. Man kann das
Grafit durch hohe Temperaturen so behandeln, dass der Aufbau verändert wird.
Elektromagnete bestehen im Allgemeinen aus einer oder zwei stromdurchflossenen Spulen mit
einem Kern aus einem weichmagnetischen Werkstoff, im einfachsten Fall aus Weicheisen (vgl.
Lührs, S. 14).
2.2
Magnetfelder und Feldlinien
Weitere Recherchen brachten die folgenden Informationen.
Das Magnetfeld ist der Wirkungsbereich eines Magneten. Die Stärke eines Magnetfeldes kann
durch zwei verschiedene physikalische Größen ausgedrückt werden:
à durch die magnetische Feldstärke H (die Einheit ist Ampere pro Meter: A/m)
à durch die magnetische Flussdichte B (die Einheit ist Tesla: T)1
(vgl. Tesla, S. 397)
2.2.1 Magnetfelder in ferromagnetischen Stoffen und Dauermagneten
Wenn man Eisen zum Glühen bringt und schmiedet, erhält man Stahl.
Während Eisen vorübergehend magnetisierbar ist, gelingt es, Stahl
dauerhaft zu magnetisieren: Wenn man einen Stahlnagel an einem
Magnetpol entlang streift, dann abhebt und den Vorgang in der gleichen
Richtung mehrfach wiederholt (etwa 20-mal), wird der Nagel selbst zum
Magneten. Wird der Nagel erhitzt, geraten die Kleinstmagneten in
Unordnung und der Magnetismus verschwindet. Bei Weicheisen bleibt
nach der Magnetisierung oft eine Spur von Magnetismus zurück (einige
AbB. 1: Unmagnetisiertes und
magnetisiertes Eisen im Modell
Sekunden oder Minuten). Dies nennt man Restmagnetismus.
Bei der Herstellung von Dauermagneten wird das unmagnetisierte Material in eine Spule gelegt,
durch die ein Stromstoß geschickt wird. Ein kurzzeitig hohes Magnetfeld (von 5 Tesla)
magnetisiert das Material dauerhaft (vgl. Lührs, S. 14)
2.2.2 Magnetfelder von Elektromagneten
Ein Strom I (grauer Pfeil) fließt durch
einen Leiter und erzeugt ein Magnetfeld
(mit der Flussdichte B).
Die Feldlinien verlaufen kreisförmig um
den Leiter herum.
Man kann sich dies mit der RechteFaust-Regel merken: der Daumen zeigt
in Richtung von I, die übrigen Finger
deuten ringförmige Magnetfeldlinien an
(vgl. wikipedia)
Abb. 2: eigene Zeichnung
1
Abb. 3: eigene Zeichnung
Nach Nikolas Tesla: er hat auch den Wechselstromgenerator erfunden
3
Wie von Zauberhand – Schweben durch magnetische Kraft
Das Magnetfeld eines Elektromagneten als Zeichnung und daneben
ein Beispiel für einen Elektromagneten.
Die beiden Drähte rechts im Bild
müssen an eine Stromquelle
angeschlossen werden, damit sich das
Magnetfeld aufbaut.
Abb.4
Abb.5
Wenn man zwei Magneten gegenüberstellt,
überlagern sich die Magnetfelder. Ungleichnamig
gegenüberstehende Magneten (Südpol-Nordpol)
ziehen sich gegenseitig an, die Feldlinien neigen
dabei dazu, sich zu verkürzen. Bei gleichnamig
gegenüberstehenden Polen (Nordpol-Nordpol
oder Südpol-Südpol) stoßen sich die Magneten
ab. In der Regel wird dabei der Südpol eines
kleineren Magneten sich so drehen, dass er vom
Nordpol des größeren angezogen wird.
Der Abstand zwischen benachbarten Feldlinien ist
ein Anhaltspunkt für die Stärke des Magnetfeldes: je dichter die Feldlinien, desto stärker das
Feld. Feldlinien kann man mit Eisenfeilspänen
Abb. 6
sichtbar machen (vgl.Lührs, S. 28).
2.3
Unsere Fragestellung
Nach Beendigung unserer ersten Recherchen haben wir uns noch einmal zusammengesetzt
und die erste Fragestellung für unsere weitere Forschungsarbeiten verändert und genauer
formuliert:
Welche Bedingungen müssen wir schaffen, um ein Objekt in einen Schwebezustand zu
versetzen?
3.
Versuche
Nach dem „trockenes“ Grundwissen gesammelt wurde, wenden wir uns eifrig den praktischen
Versuchen zu.
3.1
Unsere Vorversuche
Diese dienen dazu, das theoretische Wissen nachvollziehbar zu machen.
3.1.1 Wir untersuchen die magnetische Kraft
Zuerst wollen wir herausfinden, ab welchem Abstand ein Neodym-Plattenmagnet (9,6 cm breit,
9,6 cm lang, 1.5 cm hoch) von einem kleineren Neodym-Magneten (Streichholzschachtelgröße)
angezogen wird.
Ergebnis: Bei einem Abstand von ca. 5 cm
wird der große vom kleinen Magneten
angezogen.
4
Wie von Zauberhand – Schweben durch magnetische Kraft
Selbst durch Körper, hier die Hand, geht die
magnetische Kraft durch.
Außerdem stellen wir fest, dass die magnetische Kraft nicht schwächer wird, je mehr kleine
Magneten wir in einer Reihe aneinander setzen – es wird jeweils der Nordpol an den Südpol des
nächsten Magneten geheftet. Ob die magnetische Kraft sogar mit der Anzahl der Magneten
ebenfalls zunimmt, lässt sich an dieser Stelle nicht feststellen.
3.1.2 Wir untersuchen Magnetfelder und Magnetfeldlinien
Der große Neodym-Plattenmagnet wird mit einem weißen Blatt bedeckt und darauf wird eine
Glasplatte gelegt. Wir streuen Eisenspäne auf den Bereich, unter dem sich der Magnet befindet,
welche sich sofort am Rand anordnen. Außerdem richten sich die Eisenspäne entsprechend der
Feldlinien des Magneten aus und führen vom Magneten weg.
Ergebnis: Starke Anziehungskraft im
Randbereich der Magnetplatte
Besonders deutlich lässt sich dieses
Phänomen erkennen, wenn man
feinere Feilspäne verwendet.
3.1.3
Versuch zur Darstellung der Feldlinien
Auch mit den kleineren Magneten
testen wir die Darstellung der
Feldlinien, die Feilspäne ordnen
sich jedoch nur im „inneren“
Bereich des Magneten an.
Mit dieser Zeichnung sollen
daher die nicht sichtbaren
Feldlinien veranschaulicht
werden.
Abb. 7
Wir nutzen Eisenspäne, um die Feldlinien sichtbar zu machen
Eine interessante Beobachtung machen wir, als wir die Glasplatte anheben, denn die Späne
stellt sich wie „Stacheln“ auf. Dies weckt unsere Neugierde und wir experimentieren etwas
herum.
1.
2.
Anhand dieser Bilder kann man Folgendes sehr gut sehen:
5
Wie von Zauberhand – Schweben durch magnetische Kraft
1. Die Späne wandern, wenn wir die Glasplatte über das Magnetfeld führen.
2. Die Späne stellen sich auf, wenn wir die Glasplatte um 7 cm anheben.
Wir haben die Vermutung, dass durch das Magnetfeld die Späne selbst magnetisiert werden, da
sie ferromagnetisch sind. Hebt man also die Platte an, so haftet die Späne magnetisch
aneinander und heften sich jeweils mit ihrem Nordpol an den Südpol eines weiteren Eisenspans
in einer Reihe aneinander, so dass „Stacheln“ entstehen. Legt man die Glasplatte zurück auf
den Magneten, werden die Späne stark angezogen und legen sich flach auf die Platte.
Als letzten Schritt wollen wir mit Kompassnadeln die Ausrichtung der Pole nachweisen.
Hier lässt sich gut erkennen, dass drehbare Magnetnadeln
die Richtung der Feldlinien anzeigen können.
3.1.4 Experiment 1: Magnetische Wirkung von Elektromagneten (Helmholtzspulen)
Eine Helmholtzspule (Durchmesser ca. 20cm) wird flach auf den Tisch gelegt und mit zwei
Kabeln an Wechselstrom angeschlossen. Eine Glasplatte wird auf die Spule gelegt, damit die
Eisenspäne nicht direkt von der Spule angezogen werden. Simon sucht grobe Eisenspäne aus,
die dann als kleiner Haufen in die Mitte der Spule gestreut wird.
Nun wird der Strom in der Spule eingeschaltet und die Stromstärke allmählich erhöht. Zunächst
ist bei den Eisenspänen ein leichtes Vibrieren zu bemerken, was sich schnell in eine Bewegung
heraus zu den Rändern der Spule entwickelt. Diese „Wanderung“ der Späne setzt sich aus der
Mitte solange fort, bis sich alle Teilchen dorthin bewegt haben. Dabei richten und türmen sich
diese auf und formen spitze, stiftartige Formen.
6
Wie von Zauberhand – Schweben durch magnetische Kraft
Wieso stellen sich die Eisenteilchen in dieser Form auf? Wir diskutierten, welche Form
möglicherweise das unsichtbare Magnetfeld der Spule haben könnte. Eine Annahme war, dass
das Magnetfeld wie eine Glocke von einer Seite der Spule bis zur anderen reicht. Um dies
herauszufinden, wurde ein zweites Experiment durchgeführt.
3.1.5
Experiment 2: Magnetische Wirkung von Elektromagneten (Helmholtzspulen)
Während die Magnetspule unter Strom gesetzt ist, heben zwei von uns die Glasplatte über der
Spule an und beobachten gemeinsam, wie sich die Eisenteilchen verhalten. Dabei bemerken
wir, dass die Eisenspäne sich umso mehr gegen die Glasplatte neigen, je höher die Platte
angehoben wird. Dabei sinkt die magnetische Kraft auf die Eisenspäne in der Mitte der Spule
deutlicher als in der Nähe der Magnetspule. Wir haben also festgestellt, dass das magnetische
Feld in der Mitte der Spule abnimmt und damit keine „Glockenform“ bildet.
Um sichtbar zu machen, wie die Wirkung des Magnetfeldes an den verschiedenen Seiten der
Spule ist, haben wir kleine Kompasse neben die Spule gelegt.
3.1.6
Experiment 3: Magnetische Wirkung von Elektromagneten (Helmholtzspulen)
Um herauszufinden, wie man Dinge mit Magnetismus zum Schweben bekommt, haben wir ein
drittes Experiment durchgeführt: Herr Jost schaltet jetzt eine zweite Helmholtzspule von gleicher
Größe dazu. Wie beim Versuchaufbau des Experiments Nr. 1 werden Eisenspäne auf die
Glasplatte gestreut. Nun wird aber die zweite Spule per Hand über die Glasplatte gehalten. Je
nach Stromstärke beginnen die Eisenspäne sich zu bewegen, erneut in Richtung des
Spulenkerns.
0,5 A
1,0 A
1,5 A
2,0 A
Wenig Bewegung
Etwas stärkere Bewegung
Deutliche Bewegung zur Spule hin
Gleichbleibend hohe Bewegungsgeschwindigkeit
Diese Bewegung der Eisenspäne wird sofort gestoppt, als die obere Spule umgedreht wird. Die
Eisenteilchen legen sich schnell flach auf die Glasplatte. Wir folgern daraus, dass die
Magnetfelder der beiden Spulen jetzt nicht mehr miteinander, sondern gegeneinander wirken.
3.2
Experimente zum Thema "Schweben im Magnetfeld"
Etwas zum Schweben zu bringen ist unser Ziel. Daher experimentieren wir weiter.
3.2.1 Experimente mit reinen Magneten: Nutzung der abstoßenden Kraft
Indem wir vieles ausprobiert haben, fanden wir heraus, dass die abstoßende Kraft von
Permanentmagneten recht groß ist und zum Schweben genutzt werden könnte.
In den folgenden Experimenten wollen wir eine Möglichkeit herausfinden, Magnete in einem
Magnetfeld zum Schweben zu bringen.
7
Wie von Zauberhand – Schweben durch magnetische Kraft
3.2.2 Versuch 1: Abstützung der schwebenden Magneten
Mit den Händen gehalten, spürt man das Abstoßen der Magneten sehr
gut – allerdings machen die Magneten merkwürdige Bewegungen,
wenn man sie loslassen würde: Sie bringen sich automatisch in eine
Position, in der sie sich wieder anziehen.
Also stellten wir fest, dass man diese „ausweichende“ Bewegung der
Magneten verhindern muss, wenn man einen stabilen Schwebezustand
erreichen will.
Die Idee ist daher, die Magneten mit Hilfe einer durchsichtigen Röhre
(in der die vorhandenen runden Stabmagneten passen) zu „führen“.
Eine durchscheinende / durchsichtige Röhre wäre ideal, damit man das
Experiment auch beobachten kann.
Herr Jost hat zuerst seinen grünen Kugelschreiber geopfert. Wenn man
den Kugelschreiber auseinander schraubt, erhält man eine grüne leicht
durchscheinende Röhre in der die runden Stabmagneten hineinpassen.
Ergebnis:
Wenn jetzt zwei dieser Stabmagneten so in dieser „Röhre“ platziert werden, dass sich
gleichnamige Pole gegenüber stehen, kann man beobachten wenn man diese „Röhre“
senkrecht hält, dass der obere Magnet über dem andern schwebt.
Der gleiche Versuch wurde ebenfalls mit im Labor vorhandenen Glasröhrchen gemacht.
Dies fanden wir schon sehr beeindruckend – allerdings geben wir uns mit diesem „geführten“
bzw. von außen gestützten Schwebezustand noch nicht zufrieden.
Ein freischwebender Zustand soll das Ziel sein.
3.2.3
Versuch 2: Schwebende "Magnet-Kette"
Nachdem es beim letzten Mal gelungen ist, einen Magneten in
einem engen Reagenzglas zum Schweben zu bringen, soll heute
ein Magnet mit möglichst wenig äußerer Führung schweben.
Es wird eine Plastikflasche benutzt, die auf einem starken
Dauermagneten steht. Zuerst werden mehrere kleine runde
Stabmagneten magnetisch aneinander geheftet und in die
Flasche gesteckt.
Ergebnis:
Diese „Magnetenkette“ schwebt tatsächlich einige Zentimeter über dem Flaschenboden, berührt
aber mit beiden Enden die Flaschenwand. Durch Magneten, die von außen an die Flasche
gehalten bzw. mit Tesafilm geklebt werden, soll diese Berührung verhindert werden. Dabei
erweist sich jedoch, dass die „Magnetenkette“ auseinander fällt, weil einzelne Teile der Kette
von den Außenmagneten angezogen werden.
3.2.4 Versuch 3: Schwebender Stabmagnet - Abstützung durch Magnete
Zunächst wird daher die Magnetenkette aus dem zweiten Experiment
von Simon mit Tesafilm umwickelt, um das Ausbrechen einzelner
Stabmagneten zu verhindern. Eine noch bessere Lösung ist ein
großer Stabmagnet, der in der Flasche schwebt, diese aber ebenfalls
noch berührt.
Wir kleben mit Tesafilm Magneten an die Flasche, um durch Abstoßung den
Stabmagneten daran zu hindern, die Flasche zu berühren.
8
Wie von Zauberhand – Schweben durch magnetische Kraft
Ergebnis:
Es wird deutlich, dass man eine Art Ring erzeugen müsste, da der Stabmagnet immer wieder
ausweicht. Da es schwierig ist, die Magneten an der Flasche zu befestigen, weil die
Tesafilmstreifen nicht gut genug halten und die Magneten sich gegenseitig anziehen, wird
dieser Versuch abgebrochen.
3.2.5 Versuch 4: Schwebender Stabmagnet – Abstützung durch eine Helmholzspule
Auf Joran´s Vorschlag hin wird als nächstes versucht, eine
Helmholtz-Spule als Art Ringmagnet zu verwenden.
Ergebnis:
Der Stabmagnet reagiert jedoch bei verschiedenen Stromstärken
nicht in der erwarteten Weise auf die Spule: statt dem Magnetfeld
auszuweichen, beginnt er zu vibrieren. Das Magnetfeld scheint zu
schwach zu sein, um eine ähnliche Wirkung zu haben wie die
Dauermagneten.
3.2.6 Versuch 5: Schwebender Stabmagnet – Abstützung
durch mehr Magnete
Das Experiment mit der Flasche wollen wir noch etwas genauer ausführen: Die Magnete sollen
noch besser an der Flasche befestigt werden, z.B. mit stärkerem Klebeband und möglichst
lückenlos in einem Ring.
Folgendes Material wurde für den Versuch genutzt:
Stabmagnet
Kunststoffflasche
Diverse gleiche kleine Magneten
Kräftiges Klebeband
Großer Blockmagnet
Kompass
Erster Schritt:
Bis auf den Stabmagneten besitzen die anderen Magneten keine
Markierung, wo sie ihren magnetische Nord- und Südpol haben.
Wir haben deshalb als ersten Schritt den magnetischen Nordpol der
schwarzen Magnete mit Hilfe eines Kompasses ausgemessen und mit
Aufklebern bezeichnet.
Als nächstes stand die Überlegung, wie die Magneten
positioniert werden müssen – in welche Richtung müssen
die magnetischen Pole der Magneten zeigen?
Wir haben uns darauf geeinigt, den magnetischen
Nordpol des Blockmagneten Richtung Flascheninnerem
zeigen zu lassen, d.h. der Nordpol des Stabmagneten
zeigt ebenfalls nach unten.
Daraus wurde folgendes gefolgert:
à der obere Teil des Stabmagneten, das den magnetischen Südpol darstellt, soll durch die
äußeren Magneten so abgestoßen werden, dass der Stabmagnet nicht an das Äußere der
Flasche stößt.
9
Wie von Zauberhand – Schweben durch magnetische Kraft
à Die kleineren Magneten sollen also außen um die Kunststoffflasche so angeordnet werden,
dass der Südpol der kleinen Magneten nach innen zeigt und den Südpol des Stabmagneten
abstößt.
Zunächst haben wir vier Magneten, alle
jeweils um 90° versetzt, um die Flasche
herum angeordnet und mit starkem
Klebeband fixiert:
Ergebnis:
Der Stabmagnet schwebte zwar immer
noch über dem Blockmagneten, allerdings
ist der obere Teil, der „Südpol“, weiterhin zum Rand ausgewichen. Dieser ist bei jedem neuen
Versuch, den Stabmagnet neu zu positionieren, immer dort an den Rand ausgewichen, wo ein
Zwischenraum zwischen den Randmagneten geblieben ist.
Zweiter Schritt:
Positionieren von mehr Magneten um die Flasche herum.
Bis jetzt waren es vier Magnete, jeweils 90° versetzt.
Jetzt wollen wir acht Magneten nehmen und
diese mit dem Klebeband befestigen. Dieses
gestaltet sich schon direkt bei dem Anbringen der
Magneten als sehr schwierig, da sich die
Magneten selbst unter sich abstoßen. Es werden
alle Hände benötigt, die Magneten mit dem
Klebeband zu befestigen.
Ergebnis:
Die Magneten außen herum können von dem Klebeband nicht
wirklich in ihrer gewünschten Position gehalten werden. Sie
stoßen sich gegenseitig ab und wollen selbstständig in eine
andere Position ausweichen, so dass am Ende keine genaue
Positionierung der Magneten möglich ist.
Es ist ebenfalls nicht möglich, die Flasche selbst ohne äußere Hilfe auf dem Blockmagneten zu
stellen. Die „Flasche“ wird permanent abgestoßen
Wir mussten alle unsere Hände zu Hilfe nehmen,
um die Flasche auf dem Blockmagneten zu halten. Hält man die
Flasche nur mit einer Hand an der Öffnung, dann wird sie stark
abgestoßen. Der Stabmagnet selbst hat sich wieder wie im ersten
Versuch eine Lücke gesucht, in der er zur Außenseite ausweicht
und den oberen Flaschenrand berührt.
Schlussfolgerungen:
Mit dem zur Verfügung stehenden Material ist der Zustand des freien Schwebens von Magneten
in Magnetfeldern von Permanentmagneten nicht zu erreichen.
Das gleichmäßige Abstoßen des oberen Punktes des Stabmagneten durch die äußeren an der
Flasche angebrachten Magneten scheint nicht wirklich zu funktionieren.
Der physikalische Grundsatz, dass sich Anziehung von Magneten durch das Streben nach
„Verkürzung“ der Magnetfeldlinien zwischen ihnen erklären lässt, scheint hier die Erklärung zu
sein: Der Südpol des Magneten findet noch eine kürzere Magnetfeldlinie zu einem Nordpol der
Magneten außen herum, der er am Ende nachgibt und sich dann an dieser Linie entlang nach
außen bewegt.
10
Wie von Zauberhand – Schweben durch magnetische Kraft
3.3.
Experimentieren mit möglichen Diamagnetischen Stoffen
Auf Grundlage unserer ersten Recherchen hatten wir auch Folgendes erfahren:
Es gibt Stoffe mit einer völlig anderen „magnetische Eigenschaft“, diese Stoffe werden von
Magnetfeldern abgestoßen. Diese Eigenschaft nennt man: Diamagnetismus
In dem folgenden Experiment wollen wir versuchen, Stoffe mit diamagnetischer Eigenschaft in
einem Magnetfeld zum Schweben zu bringen.
3.3.1 Versuch 1: mit Stoffen, die eine diamagnetische Eigenschaft besitzen könnten
Folgendes Material haben wir zur Verfügung
à Diverse vorhandene Permanentmagneten:
à Mögliche Diamagnetische Stoffe:
ƒ Leichte Stoffe, die mit Graphit-Farbe aus der
Sprühdose eingesprüht wurden:
ƒ Eine dünne leichte Folie
ƒ Watte
ƒ Bleistiftmine.
In diesem Versuch haben wir untersucht, wie sich unsere diamagnetischen Stoffe in den
Magnetfeldern der Dauermagneten verhalten.
Ergebnis:
Es schien nur die normale Erdanziehungskraft zu wirken, wenn man diese Stoffe von oben auf
den Dauermagneten legt. Es wurde sogar ein gegenteiliger Effekt beobachtet:
Die leichteste Form des vorhandenen Graphites wurde erzeugt durch „Verkleinern“ der
Bleistiftmine: Aus der Bleistiftmine wurde mit Schmirgelpapier „Graphit“Staub hergestellt. Dann wurde der Permanentmagnet in Richtung des
„Grapit“-Staubes, der jetzt auf dem Tisch verteilt lag, geschoben.
Ergebnis:
Der Graphit-Staub wurde überhaupt
nicht abgestoßen, sondern sichtbar
leicht angezogen.
Permanentmagnet
Graphit-Staub wird vom
Dauermagneten angezogen
Schlussfolgerung:
In der Bleistiftmine wirken offensichtlich aus Sicht des Magnetismus mehr „magnetische“ Stoffe
als diamagnetisches Graphit. Diese Bleistiftmine ist somit nicht als diamagnetischer Stoff für das
Experiment einsetzbar.
Schwebezustände ließen sich so nicht erreichen. Die zu Verfügung stehenden diamagnetischen
Stoffe sind entweder nicht ausreichend diamagnetisch, zu schwer oder der Dauermagnet zu
schwach.
3.3.2
Versuch 2: mit diamagnetischen pyrolytischem
Graphit
Folgendes Material haben wir zur Verfügung:
à Starke Magneten in Würfelform, ca 1 cm³
à Diamagnetische phyrolytische Graphitscheibe, ca. 2 x 2 cm
à Tintenpatrone als Größenvergleich
11
Wie von Zauberhand – Schweben durch magnetische Kraft
Kompass:
Großer Blockmagnet:
Erster Schritt:
Die diamagnetische Scheibe wurde auf den großen Blockmagneten gelegt.
Ergebnis:
Die Scheibe liegt platt auf dem Magneten, sie schwebt nicht.
An den Rändern des Magneten scheint es einen Abstoßungseffekt zu geben, dieser ist aber
nicht stabil.
Zweiter Schritt:
Neun Magneten wurden als Fläche zusammengelegt im Format 3 x 3
Würfel, so daß sie sich gegenseitig anziehen. Der Ansatz ist:
Diamagnetische Stoffe werden sowohl vom Nord- als auch vom Südpol
abgestoßen.
Ergebnis:
Die Scheibe liegt ebenfalls platt auf der Fläche aus den neun Würfeln die Scheibe schwebt nicht!
Wir haben jetzt hin- und herüberlegt und auch an der Tafel versucht, bildlich die
Zusammenhänge zu erklären:
Aus den Untersuchungen von Magnetfeldern um einen Magneten herum wussten wir, dass die
Magnetfeldlinien am stärksten und am dichtesten sind, je näher sie am Rand eines Pols sind.
Wenn die Magneten jetzt so angeordnet sind, dass z.B. alle Nordpole nach oben zeigen,
entspricht ein Magnetfeld dieser Anordnung quasi dem des großen Blockmagneten. Dieser
Versuch ist bereits gemacht und hat nicht zum Ziel geführt.
Die Frage ist jetzt, wie bekommt man die meisten „stärksten“
Magnetfeldlinien auf eine Fläche, so dass diese dann die
diamagnetische Scheibe abstoßen können?
Die zündende Idee wurde an der Tafel entwickelt:
die Würfelmagneten so anzuordnen, dass Nord- und Südpole jeweils
wechselnd nach oben zeigen.
Dazu war es natürlich wieder notwendig,
die Polarität mit dem Kompass der Würfelmagneten zu
bestimmen.
Die Nord- und Südpole wurden wieder entsprechend gekennzeichnet:
Grün für den Nordpol und rot für den Südpol des Würfels.
jlkjlk
Ergebnis:
Mit dieser Versuchsanordnung ist es tatsächlich gelungen, dass
diamagnetische Graphitplättchen in einen stabilen Schwebezustand zu
bringen.
Deutlich kann man am Schatten
des Plättchens den Abstand
zwischen den Würfelmagneten
und dem Plättchen erkennen
12
Wie von Zauberhand – Schweben durch magnetische Kraft
Das Interessante hier ist, dass das
Graphitplättchen immer einen
stabilen Zustand an bestimmten
Stellen des Aufbaus einnimmt. Die
Ränder des Plättchens kreuzen
dabei ungefähr die Mitte einer
Kante eines Magnetwürfels.
In einem 3 x 3 Würfel Aufbau hat es eine stabile Lage. Wird es aus dieser Lage herausgeschoben, gleitet es an der äußeren Kante nach außen weg und fällt von der Fläche herunter.
Schlussfolgerung:
Es ist möglich, Gegenstände, die stark diamagnetisch sind, in einem konstanten, von
Permamentmagneten erzeugten Magnetfeld, zum Schweben zu bringen.
Das verwendete Pyrolytische Graphit ist der Stoff mit der zur Zeit bekannten höchsten
diamagnetischen Eigenschaft.
Auch Wasser ist diamagnetisch. Lebewesen sind folglich aufgrund ihres hohen Wasseranteils
im Körper ebenfalls diamagnetisch. Beim Suchen im Internet kann man auf You Tube Videos
finden, in denen ein Frosch in einem sehr starken elektrisch erzeugten Magnetfeld schwebt.
4.
Unsere Ergebnisse
Unsere Arbeitsergebnisse lassen sich folgendermaßen zusammenfassen.
4.1
Zusammenfassung der Ergebnisse
Æ Dauermagneten können über anderen Dauermagneten schweben, wenn ihre zueinander
gerichteten, magnetischen Pole auf einer Seite gleich sind. Sie stoßen sich dann gegenseitig
ab. Jedoch ist dies kein freies Schweben, da der schwebende Magnet in der Position gehalten
werden muss.
Æ auch der Versuch den schwebenden Dauermagneten mittels einer Helmholzspule zu
stabilisieren ging schief, da das Magnetfeld der Spule zu schwach war.
Æ Es ist möglich, einen leichten, flachen und diamagnetischen Gegenstand in einen
Schwebezustand zu bringen, wenn man mehrere Dauermagneten hinter - und nebeneinander
so koppelt, dass auf der Oberfläche sich die Nord- und Südpole abwechseln.
Æ größere diamagnetische Gegenstände kann man nur dann zum Schweben bringen, wenn
man in der Lage ist, mehrere sehr starke Magnetfelder hinter- und nebeneinander zu erzeugen.
4.2
Schlussfolgerungen aus den Ergebnissen
Wir haben festgestellt, dass es sehr aufwendig ist selbst kleine Dinge in einen Schwebezustand
zu versetzen. Um größere Gegenstände zum Schweben zu bekommen, müssen diese selbst
diamagnetisch sein oder mit diamagnetischen Stoffen verbunden werden. Darüber hinaus
bräuchte man sehr starke Dauermagneten, die entsprechende Magnetfelder erzeugen.
4.3
Wie war unsere Zusammenarbeit
Es war toll, dass wir uns sehr schnell einigen konnten, am diesjährigen „Jugend-forscht“Wettbewerb teilzunehmen, besonders im Hinblick darauf, dass wir uns nach dem Schulwechsel
in die 5. Klasse nur sehr kurz kannten. Auch am Thema haben wir viel Spaß gehabt und fanden
die Hilfe von unserem Lehrer Herrn Jost richtig gut. Manchmal hatten wir auch nicht immer die
selbe Meinung, aber wir haben immer schnell wieder eine Lösung gefunden.
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Wie von Zauberhand – Schweben durch magnetische Kraft
4.4
Wie könnte man weiterforschen?
Wir fanden es sehr spannend, dass es noch viele Möglichkeiten gibt, mit Magneten und zu
experimentieren. Wir haben zum Beispiel im Internet gelesen, dass auch größere Gegenstände
(sogar ein Frosch) mit sehr starken Magnetfeldern zum Schweben gebracht wurde. Allerdings
braucht man dafür sehr aufwendige Apparaturen.
Wir wollen als nächstes unsere Arbeit den anderen Mitschülern zeigen und dürfen dafür in der
Schule einen Schaukasten benutzen.
5.
Danksagung
Wir wollen uns am Ende dieser Arbeit auch bei allen bedanken, die uns so toll bei unseren
Experimenten und der schriftlichen Arbeit unterstützt haben. Herr Jost hat uns gezeigt, wie wir
unsere Versuche am besten durchführen können; die Schule hat für den Kauf von Material
etwas dazu gegeben und unsere Eltern waren an vielen Nachmittagen dabei und haben mit uns
die Ergebnisse der Arbeit bearbeitet. Wir möchten auch Herrn Oliver Piontkowski aus
Kirchbarkau dafür danken, dass er sich unsere schriftliche Arbeit angesehen hat und uns noch
gute Tipps gegeben hat.
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Wie von Zauberhand – Schweben durch magnetische Kraft
6.
Literaturverzeichnis
Lührs, Otto, Was ist was: Magnetismus, Tessloff Verlag 2006, S. 14 - 33
"Magnetische Levitation", Deutsche Physikalische Gesellschaft: Didaktik der Physik.
Augsburg 2003. Erschienen bei Lehmanns 2003; ISBN 3-936427-11-9
Meyer, Lothar, Duden Schülerlexikon, Physik Basiswissen Schule, Paetec Verlag für
Bildungsmedien, 2001, Berlin, S. 211- 215
O´Neill, John, Tesla, Verlag Zweitausendeins, 1998, Frankfurt am Main, S. 397
Freie Enzyclopädie, Wikipedia, http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetismus, 23.10.2010
Versuche zum Diamagnetismus:
http://www.wundersamessammelsurium.info/magnetisches/1diamagnetismus/index.html,
15.12.2010
Bezugsquelle für Pyrolytisches Graphit:
https://www.innomats.de/product_info.php?cPath=24&products_id=43, 7.12.2010
Abbildungen:
ƒ Abb. 1: Meyer, S. 209
ƒ Abb. 2: eigene Zeichnung adaptiert von Meyer, S. 215
ƒ Abb. 3: eigene Zeichnung adaptiert von Meyer, S. 211
ƒ Abb. 4: Lührs, S. 28
ƒ Abb. 5: http://www.bis0uhr.de/projekte/schwebekugel/index.html, 22.11.2010
ƒ Abb.6:http://hbrehm.de/hompage_physik/Physik9_G9/arbeitsblaetter/ueberlagerung_
Magnetfeld.gif, 25.11.2010
ƒ Abb.7: Meyer, S. 210
Diverse Bilder zu einzelnen Versuchen. Alle Foto´s sind von unseren Eltern gemacht worden.
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