Wie von Zauberhand - Schweben durch magnetische Kraft
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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: Leichte Stoffe, die mit Graphit-Farbe aus der Sprühdose eingesprüht wurden: Eine dünne leichte Folie Watte 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. 13 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. 14 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: Abb. 1: Meyer, S. 209 Abb. 2: eigene Zeichnung adaptiert von Meyer, S. 215 Abb. 3: eigene Zeichnung adaptiert von Meyer, S. 211 Abb. 4: Lührs, S. 28 Abb. 5: http://www.bis0uhr.de/projekte/schwebekugel/index.html, 22.11.2010 Abb.6:http://hbrehm.de/hompage_physik/Physik9_G9/arbeitsblaetter/ueberlagerung_ Magnetfeld.gif, 25.11.2010 Abb.7: Meyer, S. 210 Diverse Bilder zu einzelnen Versuchen. Alle Foto´s sind von unseren Eltern gemacht worden. 15
