Ein Magnetpendel

Technikschule Darmstadt
Junge Elektroniker
Ein Magnetpendel
Ein Pendel lebt von der Schwerkraft. Stößt man es an, dann pendelt es solange, bis
die Reibungskräfte der Aufhängung und die Widerstandskräfte der Luft die Energie
aufgebraucht haben. Unsere potenzielle Energie, die wir durch das Anheben des
Pendels einmal in das System hineingebracht haben, wird zunächst in
Bewegungsenergie und schließlich durch die Reibung in Wärmeenergie umgesetzt.
Wollen wir, dass das Pendel sich ständig weiterbewegt, dann müssen wir die
Verluste durch eine zusätzlich zugeführte Energie ersetzen. Als Elektroniker fällt uns
dazu ein, die elektrische Energie zu verwenden.
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Ein Elektromagnet übt bekanntlich Kräfte auf einen magnetisierbaren Gegenstand
aus. Verwenden wir als Pendelgewicht einen Dauermagneten, dann können wir auf
diesen im richtigen Augenblick eine noch stärkere Kraft ausüben. Dazu erzeugen wir
ein magnetisches Feld mit Hilfe einer Spule. Die wickeln wir selber mit sehr dünnem
Draht auf einen Papierzylinder. Die Spule wird so unter das Pendel gelegt, dass ein
elektrisches Magnetfeld erzeugt wird, welches den Dauermagneten anzieht. Das
muss in dem Augenblick geschehen, wenn das Pendel z.B. gerade nach links
ansteigen will. Zu diesem Zeitpunkt müssen wir einen Stromimpuls durch die Spule
schicken. Wir berühren den Pluspol der Batterie kurz mit dem Draht. Augenblicklich
baut sich ein Magnetfeld auf und zieht den Magnet an. Das Pendel kommt stärker in
Schwung und auf diese Weise schlägt es wieder voll nach links aus. Wir haben auf
elektromagnetischem Wege die Verluste des Pendels ausgeglichen. Schicken wir
den Stromimpuls im richtigen Takt durch die Spule, dann wird das Pendel immer
höher ausschlagen. In einem Wettbewerb mit deinen Freunden könnt ihr eure
Geschicklichkeit zeigen. Wer den höchsten Ausschlag macht, hat gewonnen.
Hinweise zum Bau des Pendels
Die Spule darf keinen Eisenkern enthalten, denn sonst würde der starke
Dauermagnet darüber verharren und die Pendelbewegung wäre unmöglich. Wir
wickeln also eine Luftspule. Dazu nehmen wir eine alte Stabbatterie vom Typ AAA .
Wir legen einige Lagen Papier um diese zylindrische Batterie und kleben die letze
Lage zusammen. Auf diesen Wickelkörper bringen wir nun zweihundert Windungen
CuL-Draht(0,25 mm) auf. Mit dem dünnen Kupferlackdraht müssen wir sehr
vorsichtig umgehen, damit er nicht reißt. Wir brauchen davon ca. 9m. Die Wicklung
verkleben wir am Schluss mit einem Stück Isolierband. Die Anschlussdrähte löten wir
auf zwei Reißzwecken. An diese Reißzwecken löten wir auch die Zuführungsdrähte
zur Batterie. Nach dem Wickeln der Spule entfernen wir selbstverständlich die
Batterie, die wir nur als Hilfsmittel brauchten. Bitte diese nicht in der Spule stecken
lassen, weil die meisten Stabzellen einen Blechmantel aus Stahl haben.
Da wir einen recht großen Strom durch die Spule treiben müssen, sollten wir eine
Babyzelle verwenden. Sie hat 1,5 V und kurzzeitig wird sie mit ca. 200 mA belastet.
Eine Stabzelle vom Typ AA könnte man auch einsetzen. Sie wird aber schon bald
leer sein. Wir brauchen den relativ hohen Strom, um ein kräftiges Magnetfeld zu
erzeugen. Das geht ohne Eisenkern in der Spule leider nur mit viel Strom oder vielen
Windungen. Der Fachmann spricht von Amperewindungen(AW). Wir benötigen
zwischen 40 und 200 AW.
Um nur einen wirklich kurzen Stromimpuls zu erzeugen, tippen wir mit dem freien
Anschlussdraht im richtigen Takt auf den Pluspol der Batterie. Die Anschlussdrähte
sollten etwas länger sein, weil der starke Dauermagnet eine „eisenfreie“ Zone
braucht, damit er nicht vielleicht durch Krokodilklemmen oder Armbanduhren
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abgelenkt wird. Mindestens 1 m Länge der Drähte sollte man vorsehen. Natürlich
dürfen auch andere magnetisierbare Gegenstände nicht in unmittelbarer Nähe sein.
Wie wirkt die Spule auf den Magneten ein?
Der Stabmagnet hat einen Nord- und einen Südpol. Die gedachten magnetischen
Feldlinien verlaufen längs zur Achse des zylindrischen Metallstabes. Wir müssen das
Feld der Spule nun so ausrichten, dass der Stabmagnet dahinein gezogen wird. Die
folgende Skizze zeigt, wie sich die Feldlinien der Spule mit denen des Magneten
decken wollen. Der Nordpol des Stabes wird vom Südpol der Spule bzw. dieses
Elektromagneten angezogen. Der Stabmagnet möchte seine Pole mit denen der
Magnetspule zusammenbringen.
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Selbstverständlich müssen wir den Stromfluss durch die Spule sofort wieder
unterbrechen, wenn sich der Stabmagnet direkt über der Spule befindet. Andernfalls
will er das Feld nicht verlassen. Die magnetische Kopplung wäre so stark, dass das
Pendel angehalten wird. Die Kunst, den Strom im richtigen Takt zu schalten,
beherrscht man nur, wenn man das Schwingen des Pendels genau beobachtet und
dabei schnell agiert. Wer den Zeitpunkt verpasst oder den Strom zu lange fließen
lässt, wird keine großen Schwingungsamplituden erzielen.
Es ist wichtig, dass wir die Längsachse der Spule genau mittig unter die Bahn des
Pendels legen. Am besten wirkt sie, wenn wir die Spule etwas hinter den Tiefpunkt
des Pendels befestigen, also links vom Zentrum. Der senkrechte Abstand zwischen
Spule und Stabmagnet sollte nicht größer als ein Millimeter sein.
Selbstverständlich müssen wir auch die Polarität der Batterie beachten. Der Strom
muss so fließen, dass eine anziehende Kraft auf den Stabmagneten wirkt. Wird der
Magnet abgestoßen, vertauschen wir die Batterieanschlüsse.
Zur Physik des Pendels
Die Schwingungsdauer eines Pendels hängt nicht von der angehängten Masse - der
Volksmund sagt Gewicht - ab. Allein die Länge des Pendels bestimmt die
Periodendauer. Ihr könnt versuchsweise einmal etwas Lötzinn am unteren Ende
anbringen. Das Pendel darf sehr viel sehr schwerer werden, dennoch bleibt die
Pendelfrequenz gleich.
L = Länge des Pendels; g = Erdbeschleunigung; T = Periodendauer
Diese Gesetzmäßigkeit hat etwas mit der bekannten Tatsache zu tun, dass im
luftleeren Raum alle Dinge gleich schnell fallen. Dazu gibt es den berühmten Versuch
mit einer Gänsefeder und einer Stahlkugel in einer evakuierten Glasröhre. Beide
Gegenstände fallen nebeneinander und kommen am unteren Ende der Röhre
gleichzeitig an, wenn man sie schnell senkrecht nach unten dreht. Surft mal im Web
und macht euch bei Wikipedia schlau.
DF8ZR; 24.12.2009
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