HAMBURG NORD. Elektromagneten-Verstärkung Wie bauen wir aus Nagel und Draht einen möglichst kräftigen Elektromagneten?

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht HAMBURG NORD Elektromagneten-Verstärkung Wie bauen wir aus Nagel und Draht einen möglichst kräftigen Elektromagneten? Tobias Arp Leonard Gerndt Schule: Schule Strenge Strenge Hamburg Jugend forscht 2010

2 Elektromagneten-Verstärkung Wie bauen wir aus Nagel und Draht einen möglichst kräftigen Elektromagneten? Tobias Arp und Leonard Gerndt Schule Strenge, Klasse 4b Schüler experimentieren, Hamburg 2010 Projekt Nr

3 Inhaltsverzeichnis Unsere Forscherfrage Wir bauen eine Konstruktion für die Versuche Probleme bei den ersten Tests Versuche: 1. Mehr Drahtwicklungen 2. Ordentliche und unordentliche Drahtwicklung 3. Stärkerer Strom und dickerer Draht 4. Dickerer Nagel 5. Nagel aus anderem Material Zusammenfassung Wo kommen Elektromagneten im Alltag vor? Literatur und Hilfe 1

4 Unsere Forscherfrage Im 3. Schuljahr haben wir in der Experimente-AG aus Nagel und Draht einen Elektromagneten gebaut. Das hat Spaß gemacht. Aber leider war der Magnet recht schwach. So kamen wir auf die Idee auszuprobieren, wie man den Nagel- Magneten verstärken kann. Hilft ein dickerer Nagel? Mehr Strom? Ein längerer Draht? Oder zum Beispiel eine andere Drahtwicklung? Das wollten wir herausfinden. Wir bauen eine Konstruktion für die Versuche Zuerst mussten wir uns eine Konstruktion überlegen, mit der man die Kraft verschiedener Elektromagneten vergleichen kann. In der Schule hatten wir Kupferdraht um einen Eisennagel gewickelt und dann die Enden des Drahts an eine Batterie angeschlossen. Als der Strom durch die Drahtspule floss, wurde der Nagel zum Magneten. Wir haben ihn mit der Hand über Büroklammern oder Nägel gehalten und gesehen, dass sie angezogen werden. Es war schwierig, genau zu messen, wie viele Büroklammern der Magnet hochheben kann, weil die Büroklammern sich leicht verhaken und weil man die Hand jedesmal etwas anders hält. Deshalb kamen wir auf die Idee, den Elektromagneten an unseren elektrischen Playmobil-Kran zu hängen, der sich ganz gleichmäßig bewegt. Außerdem haben wir statt Büroklammern Stahlkugeln (6,97 mm Durchmesser) genommen. Sie sind eigentlich für Kugellager gedacht. Einer unserer Väter ist Physiker und hat uns die Kugeln mitgebracht. Er hat uns auch geholfen, die übrigen Sachen für die Experimente zu besorgen und wir haben ihn bei unseren Experimenten zwischendurch manchmal um Rat gefragt. Um unsere Konstruktion zu testen, haben wir einen ersten Elektromagneten gebaut. Dafür brauchten wir einen Nagel (10 cm lang, 4 mm Durchmesser), Kupferdraht (0,24 mm Durchmesser) und ein Netzgerät, an dem wir eine Stromstärke von ungefähr 3 Ampere eingestellt haben. Wir haben um den Nagel 100 Windungen Draht gewickelt. Die Drahtenden sollten an das Netzgerät angeschlossen werden. Dazu haben wir am Krangestell entlang zwei Kabel verlegt. Am einen Ende werden die Kabel immer mit dem Netzgerät 2

5 verbunden. Die anderen Enden hängen vorne am Ausleger des Krans herunter. So kann man schnell verschiedene Magneten anschließen. Wir haben unseren Testmagneten an den Haken des Krans gehängt und mit den Kabeln verbunden. Dann wurde der Magnet langsam in die Schüssel mit den Stahlkugeln abgesenkt und wieder hochgezogen. Dabei blieben mehrere Stahlkugeln an dem Elektromagneten hängen. Zuletzt haben wir den Strom abgeschaltet, damit die Kugeln wieder abfallen und wir sie wiegen können. Unser Versuchsaufbau Probleme bei den ersten Tests Der Versuch wurde mehrere Male durchgeführt, aber komischerweise war die Menge der Kugel nicht jedes Mal gleich. Plötzlich ist uns aufgefallen, dass wir den Strom manchmal von Anfang an eingeschaltet hatten und manchmal erst, als der Magnet schon in der Schüssel mit den Kugeln war. Wir haben festgestellt, dass viel mehr Kugel hängen bleiben, wenn man den Elektromagnet erst anschaltet, sobald er die Kugel berührt. Deshalb haben wir beschlossen, es bei den nächsten Versuchen immer gleich zu machen und den Magnet erst anzuschalten, wenn er die Kugeln berührt. 3

6 Der Magnet zieht Stahlkugeln hoch Anfangs hatten wir den Nagel waagerecht an den Kran gehängt. Dann haben wir ausprobiert, den Nagel senkrecht zu hängen, mit dem Nagelkopf nach unten. So blieben die Kugeln besser hängen. Obwohl wir nun mehrere Verbesserungen durchgeführt hatten, schwankte die Zahl der Kugeln bei den nächsten Versuchen immer noch. Wir haben alle Messergebnisse aufgeschrieben und festgestellt, dass es aber nie viel mehr oder viel weniger Kugeln waren, sondern dass die Zahl der Kugeln zwischen einem Höchst- und einem Tiefstwert schwankt. Deshalb haben wir uns vorgenommen, die Kraft jedes Magneten immer zehn Mal zu messen und dann auszurechnen, wie viele Kugeln er durchschnittlich hochheben kann. Dazu haben wir einfach die zehn Messergebnisse addiert und die Summe durch zehn geteilt. Das Ergebnis nennt man den Mittelwert. Bevor wir jetzt endlich mit unseren Experimenten zur Verstärkung des Elektromagneten beginnen konnten, haben wir noch eine Tabelle am Computer angelegt. Sie sollte unser Forschertagebuch sein. 4

7 Versuche 1. Versuche mit mehr Drahtwicklungen Eisennagel: Länge Durchmesser 100,78 mm 3,79 mm 100,78 mm 3,79 mm Kupferdraht Durchmesser: 0,24 mm 0,24 mm Drahtwindungen Stromstärke 3 Ampere 3 Ampere durchschnittliches Gewicht der angezogenen Stahlkugeln (Durchmesser 6,97 mm) bei 10 Versuchen 6,8 Gramm 12,2 Gramm Ergebnis: Mit doppelt so vielen Drahtwicklungen wurde der Magnet viel stärker. Seine Kraft hat sich fast verdoppelt. 2. Versuche mit ordentlicher und unordentlicher Drahtwicklung Eisennagel: Länge Durchmesser 100,78 mm 3,79 mm 100,78 mm 3,79 mm Kupferdraht Durchmesser: 0,24 mm 0,24 mm Drahtwindungen 80 ordentlich 80 unordentlich Stromstärke 3 Ampere 3 Ampere durchschnittliches Gewicht der angezogenen Stahlkugeln (Durchmesser 6,97 mm) bei 10 Versuchen 12,2 Gramm 12,1 Gramm Ergebnis: Die Kraft des Magneten verändert sich nicht, wenn man den Draht unordentlich wickelt. Wir haben denselben Versuch aber auch einmal mit nur 40 Wicklungen gemacht und dabei etwas Interessantes beobachtet: 5

8 Seltsamerweise war der Magnet mit 40 unordentlichen Wicklungen viel schwächer als mit 40 ordentlichen. Wir haben überlegt, woran das liegen könnte. Uns ist aufgefallen, dass bei der unordentlichen Wicklung die meisten Drahtschlaufen viel weiter oben saßen, als bei der ordentlichen. Dann haben wir das Draht-Knäuel nach unten geschoben und noch einmal gemessen. Nun waren der Magnet mit der unordentlichen und der mit der ordentlichen Wicklung gleich stark. Um den Elektromagneten möglichst stark zu machen, muss die Drahtspule also möglichst dicht an dem Nagelende sitzen, das man in die Kugeln eintaucht. 3. Versuche mit stärkerem Strom und dickerem Draht Eisennagel: Länge Durchmesser 59,17 mm 4,31 mm 59,86 mm 4,27 mm 59,17 mm 4,31 mm Kupferdraht Durchmesser 0,45 mm 0,25 mm 0,45 mm Drahtwindungen Stromstärke 1,1 Ampere 1,2 Ampere 5,3 Ampere durchschnittliches Gewicht der angezogenen Stahlkugeln 16 Gramm 18 Gramm es qualmt! 44 Gramm es qualmt etwas Ergebnis Dickerer Draht allein macht einen Elektromagneten nicht stärker. Mehr Strom dagegen hat eine große Wirkung. Bei stärkerem Strom muss man allerdings auch einen dickeren Draht nehmen, weil der Draht sonst zu heiß wird. Bei 5 Ampere hat sich die Kraft des Magneten sehr verstärkt. Für diese Stromstärke war aber sogar unser dicker Draht zu dünn und so hat es wieder etwas gequalmt. 6

9 Qualmender Magnet 4. Versuche mit dickerem Nagel Eisennagel: Länge 102,14 mm 102,14 mm 102,14 mm Durchmesser 3,88 mm 2x 3,88 mm 3 x 3,88 mm Kupferdraht Durchmesser: 0,448 mm 0,448 mm 0,448 mm Drahtwindungen Stromstärke 2,8 Ampere 2,9 Ampere 3 Ampere durchschnittliches Gewicht der angezogenen Stahlkugeln (Durchmesser 6,97 mm) bei 10 Versuchen 8,3 Gramm 7,1 Gramm 5,7 Gramm 7

10 Beschreibung und Ergebnis: Weil wir keinen dicken Nagel hatten, der aus genau dem gleichen Material ist wie unsere dünnen Nägel, haben wir statt einem dicken Nagel einfach mehrere dünne genommen und aufeinander gelegt. Elektromagnet mit zwei Nägeln Wir hatten gehört, dass der Eisenkern einen Elektromagneten erst richtig stark macht. Jeder Draht, durch den elektrischer Strom fließt, wird ein Magnet. Unsere Kupferdrahtspulen sind also schon ohne Nagel leicht magnetisch. Aber wenn sich ein Eisennagel in der Spule befindet, wird der Nagel magnetisiert und verstärkt das Magnetfeld. Deshalb hatten wir vermutet, dass ein Elektromagnet mit doppelt so dickem Nagel viel kräftiger wird. Aber das war nicht so. Mit dickerem Eisenkern wurde die Leistung sogar etwas schwächer. Vielleicht lag das daran, dass der Draht bei mehreren Nägeln nicht rundum ganz dicht an dem Eisenkern anliegt. Man könnte den Versuch noch einmal mit einem einzigen dicken Nagel wiederholen. Aber uns scheint, dass die Größe des Eisenkerns nicht so wichtig für die Stärke des Magneten ist. 8

11 5. Versuche mit Nägeln aus verschiedenem Material Nagel Material Eisen Stahl Alu-Stab Länge, Durchmesser 69,7 mm, 3,8 mm 68,8 mm, 4,24 mm 112,2 mm 6,0 mm Kupferdraht Durchmesser: 0,75 mm 0,75 mm 0,75 mm Drahtwindungen ca. 500 Stromstärke 2,2 Ampere 2,2 Ampere 2,2 Ampere durchschnittliches Gewicht der angezogenen Stahlkugeln 7,0 Gramm 6,9 Gramm 0 Gramm Ergebnis: Ob man einen Eisen- oder Stahlnagel nimmt, ist für die Stärke des Magneten nicht wichtig. Allerdings bleibt ein Stahlnagel auch nach dem Abschalten des Stroms magnetisch. Der Stahl wird zum Dauermagneten. Mit einem Aluminium-Stab in der Mitte kann der Magnet trotz dicker Drahtspule keine Kugeln anziehen. Man muss für den Kern eines Elektromagneten ein magnetisierbares Material nehmen. Das Magnetfeld der Spule allein ist zu schwach. Zusammenfassung Durch unsere Versuche haben wir mehrere Wege entdeckt, einen Elektromagneten aus Nagel und Draht zu verstärken: Viel kräftiger wird der Magnet, wenn man eine höhere Stromstärke einstellt. Dabei braucht man auch dickeren Draht, damit die Spule nicht zu heiß wird. Warum nützt mehr Strom? Jeder Draht, durch den elektrischer Strom fließt, wird zu einem (schwachen) Magneten. Je mehr Strom fließt, desto stärker wird das Magnetfeld. Auch mehr Drahtwindungen machen den Magneten viel stärker. Doppelt so viele Windungen haben die Kraft fast verdoppelt. Warum nützen mehr Windungen? Wir vermuten, dass durch mehr Drahtwindungen auch eine größere Menge Strom fließt. So ähnlich wie durch 9

12 einen längeren Gartenschlauch auch mehr Wasser läuft. Je größer die Strommenge ist, die um den Nagel fließt, desto stärker wird er magnetisiert. Wenn man den Magneten erst einschaltet, sobald er die Stahlkugeln berührt, zieht er mehr Kugeln an, als wenn man ihn schon vorher einschaltet. Warum das so ist, wissen wir nicht. Der Magnet wird auch stärker, wenn man die Drahtspule möglichst weit an das Ende des Nagels schiebt, an dem die Kugeln hängen bleiben sollen. Warum ist das so? Wir vermuten, dass auch dies an der Strommenge liegt: Wenn die Drahtwindungen möglichst dicht um das Nagelende gewickelt werden, das die Stahlkugeln anziehen soll, dann fließt mehr Strom um diese Stelle und macht sie besonders magnetisch. Wie dick der Eisenkern ist und ob man einen Eisen- oder Stahlnagel nimmt, schien keinen so großen Unterscheid zu machen. Bei unserem allerletzen Versuch haben wir allerdings noch etwas Interessantes beobachtet: Nachdem wir unsere Ergebnisse zusammengefasst hatten, wollten wir zum Schluss noch einen extrastarken Magneten bauen. Den Strom konnten wir nicht weiter verstärken, weil wir kein größeres Netzgerät hatten. Stattdessen haben wir eine ganz dicke Spule gewickelt. Stahlschraube Länge Durchmesser 58 mm 12 mm, Schraubenkopf: 19 mm Kupferdraht Durchmesser: 0,75 mm Drahtwindungen 1000 Stromstärke durchschnittliches Gewicht der angezogenen Stahlkugeln (10 Versuche) 1,5 Ampere 185 Gramm 10

13 Ergebnis: Mit unserer extradicken Spule konnte das Netzgerät nur eine Stromstärke von 1.5 Ampere erzeugen. Trotzdem war dieser Elektromagnet der stärkste von allen: Er zog 185 Gramm Kugeln an! Der Magnet mit 1000 Windungen war also ungefähr 26-mal stärker als ein Magnet mit 100 Windungen (Versuch 5). Dass er so viel stärker ist, könnte daran liegen, dass die Stahlschraube dicker war als der Nagel mit den 100 Windungen. Das heißt: Bei einer großen Strommenge, die ein starkes Magnetfeld erzeugt, scheint ein dickerer Eisenkern doch nützlich zu sein. Unser stärkster Magnet 11

14 Wo kommen Elektromagneten im Alltag vor? Hebemagnet. Mit Elektromagneten lassen sich tonnenschwere Lasten heben. Sie werden zum Beispiel auf Schrottplätzen, in Müllsortierungsanlagen und auf Werften eingesetzt. Alsterschiffe. Um dieses Schiff festzumachen, braucht der Kapitän keine Taue. Er schaltet einfach die Elektromagneten an der Bordwand ein. Diese halten sich dann an den Stahlplatten der Anleger fest. Die Erde. Viele Forscher vermuten, dass im Inneren der Erde eine Art Elektromagnet steckt. Der Erdkern besteht zum Teil aus flüssigem Metall, in dem gewaltige elektrische Ströme fließen. Diese erzeugen das Erdmagnetfeld. 12

15 Toaster. Die Taste eines Toasters bleibt nur heruntergedrückt, wenn das Gerät an die Steckdose angeschlossen ist. Es ist nämlich ein Elektromagnet, der die Taste festhält. Magnetschwebebahn. Unter den Waggons und in den Schienen befinden sich Elektromagneten, die sich gegenseitig abstoßen. So schwebt der Zug über den Schienen. 13

16 Literatur Magnetismus, in: Geolino Heft 11/2007. R. Kötze, Was ist Was. Elektrizität. Nürnberg Tesloffs Schülerlexikon: Physik, Nürnberg Hilfe Einer unserer Väter ist Physiker und hat uns bei der Beschaffung der Materialien geholfen. Wir haben ihm zwischendurch immer wieder gezeigt, was wir herausgefunden haben und welche Experimente wir planen. Manchmal hat er uns Tipps gegeben, worauf wir achten müssen. Quellen der Fotos auf S Hebemagnet: wagner-magnete.de Alsterschiff: hamburg-web.de Erde: Nasa, in Wiki Commons Toaster: Internetshop subsidesports.com/uk Magnetschwebebahn: transrapid.de 14

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