HAMBURG ELBE. Magnetismus - Ein Fahrzeug zum Schweben bringen. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht HAMBURG ELBE Magnetismus - Ein Fahrzeug zum Schweben bringen Sinan Bolkan Luca Salmina Schule: Grundschule Am Friedhof Jugend forscht 2011

2 Schüler experimentieren 2010/2011 Projekt Nr Magnetismus - Ein Fahrzeug zum Schweben bringen von Luca Salmina & Sinan Bolkan beide 10 Jahre alt Grundschule Am Friedhof Klasse 4b

3 Kurzfassung Können wir mit Hilfe von Magnetismus ein Modell zum Schweben bringen? Zunächst versuchten wir, einen offenen Würfel aus Holz zu bauen, der gleichmäßig mit Magnetstiften versehen war. Zusätzlich bauten wir ein Modellauto aus Styropor. In dieses bauten wir ebenfalls Magnete ein. Als wir das Modell im Würfel zum Schweben bringen wollten, stellten wir fest, dass es sich immer wieder drehte und nicht schweben wollte. Dann haben wir in eine Bahnkonstruktion aus mehreren u-förmig angeordneten Lego Duplo Steinen von unten und an den Seiten Magnetstifte gleichmäßig eingesetzt. In der Mitte dieser Bahn haben wir ein Rechteck aus Lego Duplo Steinen eingesetzt, das ebenfalls mit Magneten bestückt war und unser Fahrzeug darstellen sollte. Die Magnete der Bahn und des Rechteckes waren so gleichpolig gegeneinander ausgerichtet, dass sie sich abstießen und das Rechteck in der Bahnkonstruktion in Schwebe hielten. Am Ende konnten wir ein Fahrzeug in einer Bahn schweben lassen!

4 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung: 1.1 Wie sind wir auf unser Thema gekommen? Seite Allgemeine Fragen zum Magnetismus Seite Experimenteller Teil 2.1 Verwendete Materialien Seite Versuch 1 Wir bauen ein Modell aus Styropor und Holz Seite Versuche 2-4 Versuche mit dem Experimentierkasten Magnete Seite Versuche 5 7 Wir bauen ein Modell aus Lego Duplo Steinen Seite Ergebnisse und Rückblick Seite Quellennachweis Seite 14

5 1. Einleitung: 1.1. Wie sind wir auf unser Thema gekommen? Anfangs wollte Luca ein Thema mit Autos aussuchen, Sinan aber wollte Vulkane erforschen. Beide kamen wir dann auf eine neue Idee, nämlich ein Auto zum Schweben zu bringen. Wir dachten dabei an den Film Zurück in die Zukunft, wo Autos nicht mit Benzin auf der Straße fahren, sondern darüber schweben. So etwas wollten wir gerne nachbauen. Wir überlegten uns, ob dies mit Hilfe von Solarenergie möglich wäre. Wir sind dann aber darauf gekommen, dass die Solarplatten viel zu groß sein müssten, um ein Spielzeugauto anzutreiben oder zum Schweben zu bringen. Luca hatte so etwas schon einmal mit seinem Solarbaukasten ausprobieret. In dem Baukasten gibt es eine kleine Solarplatte, die mit Drähten an einen Ventilator angeschlossen werden kann. Den brachte er an ein Auto an und bestrahlte die Solarplatte mit Licht. Der Ventilator drehte sich zu schwach, so dass sich das Auto gar nicht fortbewegte. Die Energie der Solarplatte reichte nicht aus. Wir wussten nun, dass wir eine andere, stärkere Kraft brauchen, damit ein Fahrzeug schweben kann. Beide hatten wir nun die Idee, dies mit der Kraft von Magneten zu probieren. Da wir beide einen Magnetbaukasten von Geomag hatten, wussten wir wie stark die Kraft von Magneten sein kann. Denn sobald man Magnete in die Nähe von Metall legt (z.b. Kühlschränke, Schraubenzieher o. Ä.) werden sie sofort durch das Metall angezogen. Sinan hatte auch einmal versucht, zwei gleichpolige Magnete zusammen zu stecken. Das ging aber nicht und er hatte das Gefühl als ob seine Hand durch eine Kraft weggedrückt würde. Seite 1

6 1.2 Allgemeine Fragen zum Magnetismus Wir haben in Büchern und im Internet gelesen und recherchiert, um uns mehr Informationen über das Thema Magnetismus zu verschaffen und zu verstehen welche Möglichkeiten wir damit haben. Mit den folgenden Fragen haben wir uns beschäftigt. Sie haben uns geholfen unsere Experimente und Versuche aufzubauen, sie besser zu verstehen und daraus zu lernen. - Was ist Magnetismus und wo kommt er eigentlich her? - Wie funktioniert Magnetismus? - Wie wurde Magnetismus entdeckt? - Was sind Magnetfelder? - Wo wird Magnetismus eingesetzt? - Woraus besteht ein Magnet? - Wie funktionieren elektrische Magneten? - Gibt es bereits Fahrzeuge, die mit Hilfe von Magnetismus fahren? Seite 2

7 Was ist Magnetismus und wo kommt er eigentlich her? Magnetismus ist eine unsichtbare Kraft und gilt als eine Grundkraft des Universums. Magnete kommen in der Natur vor. Ein Magnet ist meist ein Körper (Metall) der andere Körper anzieht oder abstößt. Wie funktioniert Magnetismus? Magnete haben immer einen Nord- und einen Südpol. Gegensätzliche Pole ziehen sich an, gleiche Pole stoßen sich ab. Die Magnetkraft ist an den Polen am stärksten. Wie und Wer hat Magnetismus entdeckt? Magnetismus wurde 624 vor Christus erstmals erwähnt. Es wurde von Steinen berichtet, die sich anzogen oder abstießen, je nachdem wie man sie hielt. Was sind Magnetfelder? Magnetfelder sind unsichtbare Kraftfelder, die den Magneten umgeben. In diesen Feldern kann der Magnet seine Kraft ausüben. Je nachdem, wie nah man an den Magneten herangeht, umso stärker oder schwächer wird die Kraft. Auf der Zeichnung auf Seite 2 kann man sehen, wie die Kraftlinien um den Magneten herum ungefähr aussehen könnten. An den Polen ist die Kraft am stärksten und hier verlaufen die Linien am engsten. Wo wird Magnetismus eingesetzt? Magnetismus wird im alltäglichen Leben benutzt, wie zum Beispiel an Magnet-Notizwänden, Türklingeln, Toastern, Dynamos oder Computern und auch in der Wissenschaft. In einigen Ländern wie zum Beispiel in Deutschland, Japan und China werden mit Hilfe von Magnetismus Bahnen angetrieben. Seite 3

8 Woraus besteht ein Magnet? Ein Magnet besteht aus einem Metall oder Keramikstück. Er ist von einem magnetischen unsichtbaren Kraftfeld umgeben. Jeder Magnet hat zwei Pole, einen Nordpol und einen Südpol. Ungleiche Pole ziehen sich an, gleiche stoßen sich ab. Wie funktionieren elektrische Magneten? Ein Elektromagnet besteht aus einer Spule aus unpoliertem Draht. Dieser Draht wird wie eine Spirale um eine Eisenstange gewickelt. Der Draht wird mit einer Stromquelle verbunden. Das kann z. B eine Batterie sein. Wenn der Strom fließt wird der Kern (die Eisenstange) zu einem starken Magneten. Geht der Strom aus, verliert der Magnet seine Kraft. Weiches Eisen ist dafür am besten geeignet. Gibt es bereits Fahrzeuge, die mit Hilfe von Magnetismus fahren? Es gibt bereits Fahrzeuge, die unter Zuhilfenahme von Elektromagneten fahren. Statt mit Rädern schweben sie über Schienen, die durch Elektromagnete ein Magnetfeld erzeugen. Man nennt sie Magnetschwebebahnen. Seite 4

9 2. Experimenteller Teil 2.1. Verwendete Materialien Holz, Styropor, Knete, Experimentierkasten Kosmos Magnete, Magnetstifte aus Geomag Magnetbaukasten, Lego Duplo Steine 2.2. Versuch 1 Wir bauen ein Modell aus Holz und Styropor Wir haben überlegt, dass wir ein relativ großes geschlossenes Kraftfeld aus Magneten erzeugen müssen, in dem wir einen anderen kleineren Magneten so einbringen können, dass er in Schwebe gehalten wird. Dazu haben wir aus Holz vier gleich große Platten ausgesägt und diese Platten zu einem Würfel zusammengeklebt, der nach vorne und hinten offen war. Zuvor hatten wir in die untere und obere Holzplatte Löcher in gleichmäßigem Abstand über die ganze Fläche gebohrt. In die Löcher haben wir Magnetstifte versenkt und sie gleichpolig und möglichst gleichmäßig ausgerichtet. Anschließend haben wir ein Automodell aus Styropor gebaut, in das wir ebenfalls Magnetstifte versenkten, die gleichpolig ausgerichtet waren. Seite 5

10 Dann setzten wir das Automodell in den Würfel und dachten, es würde schweben. Aber es wollte und wollte nicht schweben, sondern drehte sich und wurde immer wieder in der einen oder anderen Richtung durch das Magnetfeld des Holzwürfels angezogen. Als Verbesserung versuchten wir nun das Modellauto zu verkleinern und setzten weitere Magnetstifte in die Seiten des Holzwürfels. Leider drehte sich das Modellauto immer noch und wurde an irgendeine Seite des Würfels herangezogen. Seite 6

11 2.3 Versuch 2-4 Versuche mit dem Experimentierkasten Magnete In unseren ersten Versuchen haben wir gesehen, dass unser Modellauto in dem Kraftfeld des Holzwürfels nicht stabil blieb, sondern weggedrückt wurde und sich drehte. Wir haben daher überlegt, ob das Modell vielleicht schwerer sein müsste, um zu schweben. Indem wir es schwerer machten, wollten wir versuchen, der Magnetkraft entgegen zu wirken und es damit im Gleichgewicht zu halten. Also haben wir aus Knete ein rechteckiges Modell gebaut und dort senkrecht Magnetstifte hineingesteckt, die gleichpolig ausgerichtet wurden. Dieses Knetauto haben wir über einen großen Stabmagneten aus dem Magnetbaukasten gehalten und beobachtet was passiert. Das Problem war, dass das Knetauto zwar durch die Magnetkraft des Stabmagneten hoch gedrückt wurde aber immer von dem Magnetfeld zu den Seiten herunter rutschte oder sich drehte. Seite 7

12 Um unser Modell Knetauto zu verbessern, haben wir es etwas verbreitert und an den Seiten noch schräg Magnete angebracht, um zu verhindern, dass es umkippt bzw. sich dreht. Trotzdem blieb das Knetauto nicht über dem Stabmagneten schweben sondern rutschte auch bei diesem Versuch immer an den Seiten ab. Seite 8

13 Als nächstes haben wir überlegt, wie wir das Knetauto noch besser von den Seiten stützen können. Wir verwendeten schmale Holzstäbe und brachten diese an den Seiten des Knetautos als Art Leitungsschienen an, damit das Auto nicht weg rutschen oder rollen konnte (siehe Zeichnung unten). Wir konnten unser Knetauto damit ganz kurz in Schwebe halten, aber sobald es kippte, klemmte es an den Schienen fest (Reibung). Dennoch lernten wir, dass mit einer Führung das Auto nicht ganz so schnell kippt, wie in den vorigen Versuchen Seite 9

14 2.4 Versuche 5-7 Wir bauen ein Modell aus Lego Duplo Steinen Mit Hilfe von Lego Duplo Steinen haben wir eine eckige U-Form gebaut, die auf dem Kopf steht. Von unten steckten wir einen Stiftmagnet quer in die u-form ein, von oben setzten wir unser Knetauto drauf. In ein anderes Rechteck aus Lego Duplo Steinen setzten wir nun ebenfalls Stiftmagnete quer ein und versuchten die u-förmige Konstruktion mit dem Knetauto darüber in Schwebe zu halten (siehe Zeichnung unten). Auch diesmal konnten wir unsere Konstruktion immer nur ganz kurz in Schwebe halten, da das Rechteck aus Duplo Steinen immer von dem Magnetfeld der u-form weggedrückt wurde und an die Seitenwände kippte. Wir mussten also noch eine Möglichkeit finden, das Rechteck aus Duplo Steinen in irgendeiner Weise stabil zu halten bzw. von den Seitenwänden weg zu halten. Seite 10

15 Dazu haben wir zunächst unsere gesamte Konstruktion umgedreht. In das einzelne Rechteck aus Duplo Steinen steckten wir weitere Magnetstifte in die oberen Seiten und konnten es somit von allen Seiten stabilisieren. In der U-Form brachten wir ebenfalls Magnetstifte an den Seitenwänden an. Die Magnetstifte der U-Form wurden immer gleichpolig zu den Magnetstiften des Rechteckes ausgerichtet (siehe Zeichnung). Oben drauf wurde wieder unser Modell- Knetauto gesetzt. Wir hatten zum ersten Mal erreicht, dass unser Automodell schwebt. Seite 11

16 Zum Schluss haben wir unser Modell noch verbessert und optimiert. Wir wollten erreichen, dass unser schwebendes Automodell eine gewisse Zeit in einer Bahn gehalten wird und es dort quasi fahren kann. Dazu haben wir weitere u-formen aus Duplo Steinen gebaut und damit eine Art Bahn konstruiert. In die Mitte dieser Bahn setzten wir unser Rechteck aus Duplo Steinen. Alle Magnete unten an der Bahnkonstruktion und oben an dem Rechteck waren gleichpolig gegeneinander ausgerichtet. Außerdem haben wir an allen Seitenwänden Magnetstifte angebracht. Auf den rechteckigen schwebenden Duplo Klotz setzten wir schließlich ein Spielzeugauto, so dass es aussieht als wenn ein Auto auf einer Straße schweben würde. Seite 12

17 3. Ergebnisse unserer Versuche Aus unseren Versuchen haben wir gelernt, dass man nicht einfach einen Gegenstand mit Hilfe von Magneten allein zum Schweben bringen kann. Außer, dass die Magnete gleichpolig zueinander ausgerichtet sein müssen, ist es wichtig, dass die Magnete in einer festen Verankerung liegen, damit das erzeugte Magnetfeld stabil und gleichmäßig ist. Der Gegenstand, den man zum Schweben bringen möchte, muss in einer festen Führung gehalten werden. Würde es keine Führung geben, würde der Gegenstand immer in die Richtung des Gegenpoles gelenkt werden. Mit einer festen Führung hat er jedoch nicht die Möglichkeit sich zu drehen, sondern bleibt in der vorgesehenen Bahn. 4. Rückblick Am Anfang hatten wir sehr viel Spaß. Es war spannend die Versuche durchzuführen und unsere Modelle zu erweitern bzw. umzubauen. Aus unseren Versuchen und den Fehlkonstruktionen haben wir viel über Magnetismus gelernt. Da die Projektbesprechungen nicht an unserer Schule stattfanden, mussten wir immer gleich nach Schulschluss am Dienstag eine viertel Stunde zu der anderen Schule gehen. Danach noch Hausaufgaben und eventuell Freunde treffen oder Sport treiben - das war auf Dauer schon anstrengend. Durch verschiedene Termine, war es später auch nicht mehr so oft möglich sich für Schüler-Experimentieren zum Forschen oder Berichte schreiben zu treffen. Oft haben wir uns mit der Hilfe unserer Eltern die Projektarbeit aufgeteilt. Nun haben wir es geschafft und können sagen: Alles in allem hat es uns viel Spaß gemacht! Seite 13

18 5. Quellennachweis - Was ist Was, Band 39 ; Magnetismus, 2006 Tessloff Verlag Nürnberg - Das dicke Mammutbuch der Technik, David Macaulay, Neil Ardley; 2005, Verlag: Dorling Kindersley - Wissen leicht gemacht - Welt der Wissenschaft, 2006 Verlag Parragon - Experimentierkasten, Kosmos - Abenteuer Wissen, Magnete, 2010 Kosmos Verlag Seite 14