BERLIN MITTE. Einwirken verschiedener Stoffe auf ein magnetisches Feld. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht BERLIN MITTE Einwirken verschiedener Stoffe auf ein magnetisches Feld Alexander Csaba Baumgarten Oscar von Löhneysen Schule: Heinrich-Hertz-Gymnasium Berlin Jugend forscht 2016

2 Einwirken verschiedener Stoffe auf ein magnetisches Feld Schüler experimentieren Alexander Csaba Baumgarten und Oscar von Löhneysen Langfassung 1

3 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Wie sind wir auf diese Idee gekommen? Was erwarten wir? Wie stellen wir es an? Magnetismus und seine Folgen Was ist Magnetismus? Magnetarten, die wir benutzen Arbeitsschritte zum Ergebnis Vorbereitungen und benötigte Materialien Vorgehensweisen und Arbeitsplan Aufbau und Vorbereitungen Untersuchungen am Magnet-Feld Untersuchen am Magnet-Feld eines Stabmagnetes (2D) Stoffe: verschiedene Magnete Stoffe: verschiedene Mineralien Stoffe: verschiedene Stoffe Untersuchen am Magnet-Feld eines Stabmagnetes (3D) Stoffe: verschiedene Magnete Stoffe: verschiedene Mineralien Ergebnisse Zusammenfassung Ergebnisdiskussion Anmerkungen Anhang Danksagung Literaturverzeichnis

4 1. Einführung 1.1. Wie sind wir auf diese Idee gekommen? Ursprünglich wollten wir Versuche zum Thema Magnetschwebebahnen durchführen. Als wir dann sahen, dass dieses Vorhaben sehr komplex und im Rahmen der Schulexperimente kaum zu realisieren ist, entschieden wir uns für ein anderes Projekt, das den Inhalt Magnetismus ebenso beinhaltet. Als wir uns mit dem Erdmagnetfeld im Fach Geografie beschäftigten, überlegten wir, wie sich wohl ein Magnetfeld durch verschiedene Einflüsse verändern würde. So begannen wir uns mit dem Thema Einwirken verschiedener Stoffe auf ein magnetisches Feld auseinander zu setzen. Durch den Tipp der Jury bei dem JuFo- Treff wurden wir auf einige besondere Materialien aufmerksam gemacht Was erwarten wir? Wir vermuten bei unseren Experimenten, dass sich ein Magnetfeld eines Stabmagneten durch verschiedene Einflüsse verändert Wie stellen wir es an? Wir wollen unsere Versuche in 2 Teile gliedern und zwar in den 2D sowie 3D Bereich. 2D: Wir wollen ein Magnetfeld eines Stabmagneten mit Eisenspänen zeigen. In das Magnetfeld führen wir verschiedene Stoffe wie z.b. Metalle (Eisen, Blei u.a.), Mineralien (Magnetit u.a.) und einige Magnetarten (Neydom, SmCo u.a.). 3D: Wir wollen einen Elektromagneten in eine Kugel einsetzen. Dann streuen wir vorsichtig Eisenpulver auf die Kugel. In das außen entstehende Magnetfeld führen wir verschiedene Magnete sowie Mineralien. Unsere Frage: Wie verändert sich das ursprüngliche Muster der Eisenspäne? Wie stark sind die Kräfte zwischen dem Magnet und dem zugefügtem Stoff? 3

5 2. Magnetismus und seine Folgen 2.1. Was ist Magnetismus? Der Magnetismus ist eine unsichtbare Kraft, die wir nicht sehen aber spüren können. Diese Strahlung teilt man in drei große Gebiete ein: Ferromagnetismus (stärkt das Magnetfeld): benutzen wir vorwiegend Para- und Diamagnetismus (stärkt wenig sowie schwächt geringfügig das Magnetfeld): ohne genaue Geräte schwer erkennbar. Außerdem können wir diese Kraft auch verschieden zeigen/herstellen. 1. Durch Dauermagnete erhält man ein Magnetfeld, was für die Ewigkeit bestimmt ist, wenn man es nicht durch verschiedene Einflüsse wie z.b. durch Hitze, zu hohem Druck zerstört. 2. Elektromagnetismus. Durch Ørsteds Entdeckung, dass auch ein stromdurchflossener Draht ein Magnetfeld aufweist, haben später Wissenschaftler herausgefunden, dass es einen Zusammenhang zwischen dem Magnetismus und der Elektrizität geben muss. Danach hat Michael Faraday den Zusammenhang zwischen den Zwei Kräften gefunden. Wenn man durch eine Spule, die mit einem Spannungsmesser verbunden ist, einen Magneten in die Nähe der Spule bringt, zeigt der Spannungsmesser, dass sich der Zeiger ganz schnell anschlagen lässt. Heute hat der Elektromagnetismus eine sehr wichtige Bedeutung in unserem Leben. Fast alle elektronischen Geräte funktionieren mit Motoren, die wiederum auf der Basis von Elektromagneten arbeiten. Ein Elektromagnet besteht aus zwei Teilen: einer Spule sowie einem Eisenkern. Wenn man jetzt beide Arten (Elektro-, Dauermagnetismus) verbindet, erhält man einen leicht angetriebenen Elektromotor, wie es der Fall bei dem Fahrrad-Dynamo ist Magnetarten, die wir benutzen Neydom sowie SmCo Magnete gehören zu den Seltenerdmagneten. Neydom-Magnete: Die stärksten Magnete der Welt. Nd2Fe14B: Max. Einsetztemeratur: 90 C Samarium-Kobalt-Magnete: Sie werden in zwei Legierungen hergestellt. Sm2Co17: 25% Samariumanteil und Eisen: bis 18% und Kupfer. Max. Einsetztemeratur: 350 C Ferrit Magnete: Die schwächste Magneten. Fe2O3: Max. Einsetztemeratur: 250 C 4

6 3. Arbeitsschritte zum Ergebnis 3.1. Vorbereitungen und benötigte Materialien Für unser Vorhaben benötigten wir viele Materialien und einen Arbeitsplan. Benötigte Materialien werden unterteilt in Versuch Nr.1 sowie Versuch Nr.2 Nr. Versuch Name Menge 1. Beide Aluminium 1x1x1cm 1 Stück 2. Beide Blei 1x1x1cm 1 Stück 3. Beide Eisen 1x1x1cm 1 Stück 4. Beide Eisenkugel Ø0.5cm 1 Stück 5. Beide Eisenspäne 1x 500g 6. Beide Ferrit-Quadermagnet 25,0 x 10,0 x 10,0 mm Y30 hält 900 g 5 Stück 7. Beide Ferrofluid (flüssiges Eisen) 1x 10ml 8. Beide Fluxdetektor-Folie 4 Stück 9. Beide Holz 1x1x1cm 1 Stück 10. Beide Kompass 2-6 St. 11. Beide Kunststoff 1x1x1cm 1 Stück 12. Beide Kupfer 1x1x1cm 1 Stück 13 Beide Laptop, Tablet Animation 1 Stück 14. Beide Magnetfeldmessgerät (Magnetmesssonde) 1 Stück 15. Beide Messing 1x1x1cm 1 Stück 16. Beide Mineralien + Erze( Eisenhaltiges, Kupferhaltiges s.a.) 11 Stck. 17. Beide Neydom-Magnetkugel Ø19,0 mm Chrom N38 hält 5,7 kg 1 Stück 18. Beide Neydom-Stabmagnet Ø8,0 x 30,0 mm N45 Nickel hält 4 kg 1 Stück 19. Beide Neydom-Würfelmagnet 12,0cm 3 N48 Gold hält 11 kg 1 Stück 20. Beide Nickel 5x5x1cm 1 Stück 21. Beide SmCo-Quadermagnet 25,0 x 9,5 x 12,0 mm Nickel 2 Stück 22. Beide Zink 1x1x1cm 1 Stück 23. Versuch Nr.1 Dichtung (Lego, Styropor) 2 6 St. 24. Versuch Nr.1 Glasscheiben/Plastikscheiben 2 Stück 25. Versuch Nr.1 Papier, Karton Versuch Nr.1 Stabmagnet 10x0.5x0.5cm 1 Stück 27. Versuch Nr.2 Analoges Multimeter 1 Stück 28. Versuch Nr.2 Drähte, Kabel 5 Stück 29. Versuch Nr.2 Eisenkern (Stahl, 20cmx3cmx3cm) 1 Stück 30. Versuch Nr.2 Plastikkugel ( 20cm) 1 Stück 31. Versuch Nr.2 Spule 1 Stück (750 Wdg. ca. 4 Ω; 2. Amp.) (1500 Wdg. ca. 16Ω; 1 Amp.) 32. Versuch Nr.2 Standfuß 1 Stück 33. Versuch Nr.2 Stromversorgungsgerät 1 Stück 34. Versuch Nr.2 Styropor 1 Stück 5

7 Feldstärke am Pol der benötigten Materialien Magnet, Mineralien in Diagrammform In Centi Tesla Neydom (Würfelma gnet) Stabmagnet SmCo Magnet Ferrit- Magnet Stärke an den Polen(direkt) Magnete Elektromag net In Milli Tesla Magnetit Pyrit Pyrrhoti n Chalkopyrit Hämatit Chromit Stärke an den Polen(direkt) Mineralien 3.2. Vorgehensweisen und Arbeitsplan Datum Gemacht Herbstferien Lesen, Recherche über Magnetfelder, Magnetismus November Anmelden bei Jugend Forscht JuFo Treff Tipps von der Jury Dezember Materialien besorgen: Sponsorpool, Einkaufen und Schule Weihnachtsferien Versuch NR. 1 in 2D Stabmagnet mit Eisenpulver mit Magneten 4/5/ Versuche NR. 2 in 2D Stabmagnet mit Eisenpulver 7/ Gespräche mit Physiklehrer, Tipps und Hinweise Versuche NR. 3 in 2D Stabmagnet mit Eisenpulver und Fluxdetektor-Folie mit Magneten und Stoffprobe Versuche NR. 4 in 2D+3D Stabmagnet mit Eisenpulver und Fluxdetektor-Folie mit Magneten und Stoffprobe in Schule + Messsonde Versuche NR.5 in 2D+3D Stabmagnet mit Eisenpulver und Fluxdetektor-Folie mit Magneten und Stoffprobe in Schule Langfassung korrigieren, Letzte Versuche NR Letzte Kontrolle der Langfassung Hochladen auf JuFo Februar(Anfang) Plakat, Präsentation vorbereiten Februar(Mitte) Vorstellung Für das Anfertigen der Langfassung sowie des Plakates haben wir uns aufgeteilt. Oscar hat das Plakat angefertigt. Csaba hat vorwiegend an der Langfassung gearbeitet. Und die Versuche haben wir zusammen durchgeführt. 6

8 3.3. Aufbau und Vorbereitungen Wie schon in der Einleitung gesagt, teilen wir unsere Arbeit in zwei Teile, die wir auch einzeln beschreiben der 2D sowie der 3D Bereich. Abbildung 1 Feldlinien eines Stabmagneten; Wikipedia ( Wir nehmen einen Neydom Stabmagneten und legen ihn unter eine Glasscheibe; auf die Glasscheibe streuen wir behutsam Eisenpulver. Die Eisenspäne richten sich dann nach dem Magnetfeld des Magneten aus. Anschließend legen wir ca. 1cm höher eine zweite Glasplatte, damit die Eisenspäne nicht entweichen können. Dann nehmen wir zuerst unsere verschiedenen Magnete, sowie die Stoffe: Neydom-Magnete (Stabmagnet Würfelmagnet) Ferrit-Magnete (Quadermagnet) Eisen, Nickel, Holz, Plastik, Blei, Kupfer, Zink, Messing, Aluminium Mineralien/Erze Samarium-Kobalt-Magnete (SmCo)(Quadermagnet) Kugelmagnet aus Neydom (SmCo- als auch den Kugelmagneten stellen wir nur in der Präsentation vor) Diese Stoffe und Magnete führen wir vorsichtig zur zweiten Glasscheibe und beobachten, wie sich die Feldlinien verändern (mit Hilfe von Eisenspänen und der Fluxdetektor-Folie) In eine Plastikkugel legen wir eine Spule mit einem Eisenkern. Die Spule wird außerhalb an einem Stromversorgungsgerät angeschlossen. So entsteht in der Mitte der Kugel ein Elektromagnet. Auf die Kugel verstreuen wir Eisenpulver. Durch die Fluxdetektor-Folie können wir die Feldlinien etwas besser sehen. Zu der Kugel führen wir die Stoffe, die auch oben benannt sind. Wir werden wieder beobachten, wie sich das ursprüngliche Feldlinienmuster verändert. 7

9 4. Untersuchungen am Magnet-Feld Alle Werte sind Näherungswerte! Die Vorbereitungen sowie der Aufbau von den 2D und 3D Bereichen wurden im Teil 3.3 Aufbau und Untersuchungen beschrieben! 4.1. Untersuchen am Magnet-Feld eines Stabmagnetes (2D) Der reine Stabmagnet (mit eingeschriebenen Nummern, die wir für die Untersuchungen benutzen) Abbildung 2 Magnetfeld eines Stabmagnetes; Wikipedia ( 1 = 2 10 ct 3 = 4 2 ct 5 = 6 = 7 = ct Abb. 2 zeigt Stellen mit bezeichneten Zahlen. Beim Experimentieren positionieren wir die benötigten Stoffe/Magnete auf die mit Ziffern versehenen Stellen. 8

10 Stoffe: verschiedene Magnete Zuerst dokumentieren wir unsere verschiedenen Magnete: Sie sind vertreten mit Neydom und Ferrit-Magneten Würfelmagnet Der Würfelmagnet weist das stärkste Magnetfeld von allen unseren Magneten auf: Am Nord-/Südpol beträgt die Feldstärke 5 Dezi-Tesla (dt). Im Gegensatz weist der Stabmagnet die Feldstärke von 1dT. Pos. ca. Abstoßung Anziehung Veränderung des Musters der Eisenspäne(Feldlinien) in Tesla in Tesla Abstoßung Anziehung T 0.40 T Die Eisenspäne des Die Eisenspäne richten Stabmagneten richten sich sich zum anderen zu einer Wand. Die Eisenspäne des hinzugefügten Magneten bilden eher eine kleine Mauer. In der Mitte ist es frei von Eisenspänen. Magneten und über dem ursprünglichen Stabmagnet bilden die Eisenspäne eine Art hochgestreckte Blumen (strahlenförmige Gebilde, 3-12 Strahlen) T 0.40 T gleich wie bei 1 gleich wie bei T 0.25 T Fast alle Eisenspäne Fast alle Eisenspäne verlasen ihre Position. Sie verlasen ihre Position. richten sich zum Magneten auf unabhängig von Nord/Südpol, verlassen ihren Ursprungsort und folgen dem Magneten. Sie richten sich zum Magneten auf unabhängig von Nord/Südpol, verlassen ihren Ursprungsort und folgen dem Magneten T 0.25 T gleich wie bei 3 gleich wie bei T 0.10 T Die Eisenspäne verlassen ihre ursprünglichen Standorte und folgen dem Magneten (egal ob Anziehung/Abstoßung). Die Eisenspäne verlassen ihre ursprünglichen Standorte und folgen dem Magneten (egal ob Anziehung/Abstoßung) T 0.10 T ungefähr gleich wie bei 5* ungefähr gleich wie bei 5* T 0.10 T ungefähr gleich wie bei 5* ungefähr gleich wie bei 5* T 0.10 T ungefähr gleich wie bei 5* ungefähr gleich wie bei 5* 9

11 Neydom Stabmagnet Der Neydom Stabmagnet weist an den Polen eine Feldstärke von 4dT auf Pos. ca. Abstoßung Anziehung Veränderung des Musters der Eisenspäne(Feldlinien) in Tesla in Tesla Abstoßung Anziehung dt 3.1 dt Zw. den zwei Rändern der Die Eisenspäne bilden eine Magnete entstehen zwei Art Faden die von beiden Fäden aus Eisenspänen. Magneten überspannt wird Zwischen den zwei Magneten sind keine Eisenspäne vorhanden dt 3.1 dt gleich wie bei 1 gleich wie bei dt 2.0 dt Ca. die Hälfte des Pulvers folgt dem Magneten, solange es nicht zum Pol des anderen Stabmagneten kommt. Die beiden Magnete sind an den Polen gleich stark. Die übrigen richten sich auf. Ca. die Hälfte des Pulvers folgt dem Magneten, solange es nicht zum Pol des anderen Stabmagneten kommt. Die beiden Magnete sind an den Polen gleich stark. Die übrigen richten sich auf dt 2.0 dt gleich wie bei 3 gleich wie bei dt 1.5 dt Alle Späne folgen dem Magneten, da die Anziehungskraft des anderen Ursprungsmagneten in dieser Region sehr gering ist. Alle Späne folgen dem Magneten, da die Anziehungskraft des anderen Ursprungsmagneten in dieser Region sehr gering ist dt 1.5 dt gleich wie bei 5* gleich wie bei 5* dt 1.5 dt gleich wie bei 5* gleich wie bei 5* dt 1.5 dt gleich wie bei 5* gleich wie bei 5* Ferrit Quadermagnet Der quaderförmige Ferrit-Magnet weist an den Polen eine Feldstärke von 5cT auf Pos. ca. Abstoßung Anziehung Veränderung des Musters der Eisenspäne(Feldlinien) in Tesla in Tesla Abstoßung Anziehung ct 2.0 ct Es bildet sich in minimaler Es bildet sich in minimaler Form was Ähnliches, wie Form was Ähnliches, wie bei bei Samarium- Kobalt Magnete Samarium-Kobalt Magnete (Quaderförmig). (Quaderförmig) ct 2.0 ct gleich wie bei 1 gleich wie bei ct 1.5 ct Alle Eisenspäne richten Alle Eisenspäne richten sich sich auf zum Magneten. auf zum Magneten ct 1.5 ct gleich wie bei 3 gleich wie bei ct 1 ct Alle Eisenspäne richten Alle Eisenspäne richten sich sich auf zum Magneten. auf zum Magneten. 6 1 ct 1 ct gleich wie bei 5* gleich wie bei 5* 7 1 ct 1 ct gleich wie bei 5* gleich wie bei 5* 8 1 ct 1 ct gleich wie bei 5* gleich wie bei 5* 10

12 4.1.2 Stoffe: verschiedene Mineralien Mineralienliste Nr. Name Magnetart Feldstärke sonstiges Chem. Formel an den Polen 1. Magnetit Fe3O4 Ferromagnetisch 4 ct Polykristall; jeder Kristall hat sein eigenes Magnetfeld, an der Achse am stärksten. 2. Magnetit Fe3O4 Ferromagnetisch 3 ct Einkristall, regelmäßiges Magnetfeld, durch die Achse 3. Pyrit FeS2 Ferromagnetisch 2 ct Einkristall, mittelstarkes Magnetfeld. Durch Kontakt mit Fe verstärkt. 4. Pyrit FeS2 Ferromagnetisch 2 ct Polykristall, Einkristall, mittelstarkes Magnetfeld. Durch Kontakt mit Fe verstärkt. 5. Pyrrhotin Ferromagnetisch 1 ct entlang der Achse schwach magnetisch. allgemein FeS 6. Chalkopyrit Diamagnetisch, 4 mt einige Kristalle sehr schwach magnetisch CuFeS2 Ferromagnetisch 7. Hämatit Fe2O3 Ferromagnetisch 1 mt entlang der Achse sehr schwach magnetisch 8. Chromit Fe 2+ Cr2O4 Ferromagnetisch 0.1 mt entlang der Achse sehr schwach magnetisch 9. Olivin keins Vorhanden 0.0 mt kann magnetisiert werden 10. Hypersthen keins Vorhanden 0.0 mt kann magnetisiert werden 11. Almandin keins Vorhanden 0.0 mt Einkristall, kann magnetisiert werden Fe3Al2[SiO4]3 rot=stärkste Magnetismus gelb=schwächste Magnetismus, weiß=gar kein Magnetismus Polykristalle = viele/zusammengesetzte Kristalle/ kein einheitliches Magnetfeld Einkristalle = Ein einziger Kristall, selbe Kristallgitter Magnetit und Pyrit (Polykristalle als auch Einkristalle) und Hämatit sind auch Eisenerze. Alle Mineralien haben von Natur aus ein Magnetfeld. Pos. ca. Abstoßung i. T. Anziehung i. T. 1=2 3.5 ct 4.5 ct Verhalten des Minerals Magnetit, Polykristall am Stabmagnet Pos. ca. Abstoßung i. T. Anziehung i. T. 1=2 2 ct 2 ct Verhalten des Minerals Pyrit, Einkristall am Stabmagnet Pos. ca. Abstoßung i. T. Anziehung i. T. 1=2 1 ct 1 ct Verhalten des Minerals Pyrrhotin am Stabmagnet Stoffe Fe Stoffe: verschiedene Stoffe Magnetismus Sehr geringe Kraft unter den Eisenspänen weniger als 1 mt hat ein Restmagnetismus. Cu; CuZn; Pb; Holz; Plastik; Zn; Al keine Anmerkungen 11

13 4.2. Untersuchen am Magnet-Feld eines Stabmagnetes (3D) Der reine Elektromagnet (mit eingeschriebenen Nummern, die wir für die Untersuchungen benutzen) Abbildung 3 Positionsangaben des Elektromagneten 2 SVG 3 und 4 sind in der Kugel! 1 = 2 40 ct 3 = 4 30 ct 5 = 6 = 7 = 8 10 ct Abb. 3 zeigt Stellen mit bezeichneten Zahlen. Beim Experimentieren positionieren wir die benötigten Stoffe/Magnete auf die mit Ziffern versehenen Stellen. Multimeter Spule mit Kern SVG Abbildung 4 Schaltplan des Elektromagneten 12

14 Stoffe: verschiedene Magnete Zuerst dokumentieren wir unsere verschiedenen Magnete: Sie sind vertreten mit Neydom-/SmCo- und Ferrit-Magneten Würfelmagnet Der Würfelmagnet weist das stärkste Magnetfeld von allen unseren Magneten auf: Am Nord-/Südpol beträgt die Feldstärke 5 Dezi-Tesla (dt). Im Gegensatz weist der Elektromagnet die Feldstärke von 4 dt. Pos. ca. Abstoßung Anziehung Veränderung des Musters der Eisenspäne in Tesla in Tesla Abstoßung Anziehung T 0.45 T Die Eisenspäne des Die Eisenspäne des Elektromagneten gehen zur Elektromagneten werden zum Seite und bilden eine Art abgeflachter Blumen. (ca. 1.5 cm breit). Würfelmagneten hingezogen. Es bilden sich emporragende Türme (ca. 1.5 cm) T 0.45 T gleich wie bei 1 gleich wie bei T 0.30 T Die Eisenspäne richten sich voll zum Würfelmagneten. Manche folgen dem Würfelmagneten auf der Oberfläche der Kugel, aber keines wird zum Würfelmagneten angezogen. Die Eisenspäne richten sich voll zum Würfelmagneten. Manche folgen dem Würfelmagneten auf der Oberfläche der Kugel, aber keines wird zum Würfelmagneten angezogen T 0.30 T gleich wie bei 3 gleich wie bei T 0.15 T Die Eisenspäne verlassen den Elektromagnet und folgen dem Würfelmagnet. Die Eisenspäne verlassen den Elektromagnet und folgen dem Würfelmagnet T 0.15 T gleich wie bei 5 gleich wie bei Neydom Stabmagnet Der Neydom Stabmagnet weist an den Polen eine Feldstärke von 4dT auf. Pos. ca. Abstoßung Anziehung Veränderung des Musters der Eisenspäne in Tesla in Tesla Abstoßung Anziehung dt 4.0 dt Die Eisenspäne des Es bildet sich ein Faden, Elektromagneten bilden eine der von einem zu dem Art abgeflachter Blumen anderen Magneten geht. (ca. 1.2 cm breit) dt 4.0 dt gleich wie bei 1 gleich wie bei dt 3.0 dt Die Eisenspäne richten sich Die Eisenspäne richten sich halb zum Quadermagneten. halb zum Quadermagneten dt 3.0 dt gleich wie bei 3 gleich wie bei dt 2 dt Die Eisenspäne richten sich Die Eisenspäne richten sich voll zum Quadermagneten. voll zum Quadermagneten. 6 2 dt 2 dt gleich wie bei 5* gleich wie bei 5* 13

15 Ferrit Quadermagnet Der quaderförmige Ferrit-Magnet weist an den Polen eine Feldstärke von 5cT auf. Pos. ca. Abstoßung Anziehung Veränderung des Musters der Eisenspäne in Tesla in Tesla Abstoßung Anziehung ct 2.9 ct Die Eisenspäne des Die Eisenspäne des Elektromagneten gehen zur Elektromagneten werden Seite und bilden eine Art minimaler abgeflachter Blumen (ca. ½ cm breit). zum Quadermagneten hingezogen. Es bilden sich emporragende Türme (ca. 0.2 cm) ct 2.9 ct gleich wie bei 1 gleich wie bei ct 2.5 ct Die Eisenspäne richten sich nicht zum Quadermagneten. Die Eisenspäne richten sich nicht zum Quadermagneten ct 2.5 ct gleich wie bei 3 gleich wie bei ct 2 ct Die Eisenspäne richten sich Die Eisenspäne richten sich halb zum Quadermagneten. halb zum Quadermagneten. 6 2 ct 2 ct gleich wie bei 5* gleich wie bei 5* Stoffe: verschiedene Mineralien siehe Mineralienliste bei Mineralien Pos. ca. Abstoßung i. T. Anziehung i. T. Pos. ca. Abstoßung i. T. Anziehung i. T. 1=2 4.5 ct 5.0 ct 1=2 30 mt 35 mt Verhalten des Minerals Magnetit, Polykristall am Elektromagneten Pos. ca. Abstoßung i. T. Anziehung i. T. 1=2 20 mt 20mT Verhalten des Minerals Pyrrhotin am Elektromagneten Verhalten des Minerals Pyrit, Einkristall am Elektromagneten 14

16 5. Ergebnisse 5.1 Zusammenfassung Wir teilen unsere Zusammenfassung wie auch unsere Beobachtungen in 2 Teile auf: Die verschiedenen Magnete sowie die Mineralien und Stoffe. Abb. 1 Anziehung Die Ergebnisse bei den zwei Themen (2D, 3D) sind sehr ähnlich. Magnete Im Teil Magnete haben die Beobachtungen gezeigt, dass nicht nur Art/Stärke über ein Magnetfeld entscheidet sondern auch die Form. Die klassische Form, ein Magnetfeld mit Eisenspänen zu zeigen, ist ein Stabmagnet (quaderartig), aber wir haben jetzt für alle unsere Formen Skizzen gezeichnet un zwar: Würfel-, Quader- und Stabmagnet (Zylinder). Würfel- und Quadermagnet: Die Eisenspäne bilden je nach Anziehung/Abstoßung Muster, die man mit den Eisenspänen verdeutlichen kann: Siehe Abb. 1 (Anziehung); 2 (Abstoßung) Zylindrische Stabmagnete: Die Eisenspäne bilden je nach Anziehung/Abstoßung Muster, die man mit den Eisenspänen verdeutlichen kann. siehe Abb. 3 (Abstoßung); 4 (Anziehung) An den anderen Positionen außer 2 und 1 hängt es nicht mehr von der Form des Magneten ab, da hängt es von der Stärke eines Magneten ab: z.b. schafft ein Neydom-Magnet, dass die Eisenspäne den ursprünglichen Magneten verlassen und dem neuen folgen. Dagegen schafft ein Ferrit- Magnet max. die Eisenspäne zu sich zu richten (bei dieser Art von Magneten). Abb. 3 Abstoßung Abb. 4 Anziehung Abb. 5 Außerdem haben wir gemerkt, wenn man einem Ferrit-Magneten dessen Feldstärke am Pol misst und einen weiteren Magneten derselben Sorte hinzufügt, ändert sich die magnetische Feldstärke nicht. Wenn man zwei Magnete unterschiedlicher Stärke nimmt, z.b. einen mit -3cT und den anderen mit 7cT, und wenn sich jetzt die zwei Magnete anziehen, wird es im Zwischenraum der beiden Magnete nicht wie vielleicht erwartet 4cT oder sogar 10cT. Das würde wohl bedeuten, dass sie sich die beiden Werte addieren oder subtrahieren: Erstens addieren als auch subtrahieren sich die Werte nicht, und es hängt von der jeweiligen Entfernung der beiden Magnete ab (siehe Diagramm). Abstoßung: Die beiden Werte addieren als auch subtrahieren sich nicht. Durch die Abstoßung schwächen sich beide Magnetfelder und die gemeinsame Feldstärke sinkt erheblich. Anziehung: Die beiden Werte addieren als auch subtrahieren sich nicht. Durch die Anziehung verstärken sich beide Magnetfelder und die gemeinsame Feldstärke steigt erheblich. 15

17 14 Verhalten von zwei Ferrit Magneten 12 Centi-Tesla Abstoßung Anziehung Centi-Meter Wobei wir den ersten Ferrit-Magneten an einen Tisch geklebt haben, damit sich seine Lage nicht ändert. Den zweiten Magnet haben wir in die entsprechende Entfernung gebracht (siehe Diagramm Centi-Meter ). Die Messsonde (Hallsonde) haben wir 0.5 cm vom zweiten Magneten entfernt wobei sie dann zw. den zwei Magneten war. Da wir gesehen haben, dass die Feldstärke bei der Anziehung deutlich stärker ist, als die Abstoßung kann man sagen, dass der prozentuale Wert der beiden Angaben, je nach Entfernung der beiden Magnetartigen Stoffe einen ähnlichen prozentualen Wert bei verschiedensten Magneten hat/ergibt. Siehe obiges Diagramm. Es gilt: TT 1 TT 2 bei der Abstoßung xx, yy > TT 2 bei der Abstoßung S BB xx Feldstärke vom Pol des Südpols BB 1 TT 2 = 0 BB yy S Feldstärke vom Pol des Südpols xx, yy < TT 1 bei der Anziehung S BB 2 BB xx N BB yy Feldstärke vom Pol des Südpols Feldstärke vom Pol des Nordpols Anziehung: BB ZZ BB xx + BB yy diese Regel gilt erst dann wenn Tx großer ist als Ty sonst muss man sie vertauschen Abstoßung: BB ZZ BB xx BB yy diese Regel gilt erst dann wenn Bx großer ist als By 16

18 Mineralien und Erze Alle Mineralien haben von Natur aus ein eigenes Magnetfeld. Die zwei Einkristalle (siehe Link) weisen ein einheitliches Magnetfeld auf. Dagegen treten bei den Polykristallen viele unterschiedliche Magnetfelder auf (kein einheitlicher Magnetismus / kein einheitliches Kristallgitter). Wir haben ein fast gleiches Ergebnis wie bei den Magneten (die von uns aufgestellte Regel für die Magnete gilt auch hier). Leider kann man aber das Magnetfeld der Polykristalle sehr schwer messen, da jeder Kristall ein eigenes Magnetfeld hat Ergebnisdiskussion Im Allgemeinen sind wir mit unseren Ergebnissen zufrieden. Wir konnten durch die Beobachtungen unsere Hypothese (siehe Link) wiederlegen. Eine interessante Tatsache für uns war: Wenn sich zwei Magnete unterschiedlicher Stärke anziehen, wird in der Mitte die Flussdichte addiert oder subtrahiert. Wir haben beobachtet, dass sich das Muster der Feldlinien von der Form eines Magneten unterscheidet. Unsere Erwartungen bei Experimenten mit den Flux-Detektor Folien erwiesen sich als nicht ganz vortreffend, sie zeigen nämlich das Magnetfeld nicht annähernd so gut wie Eisenspäne. In unserem Enderfolg sahen wir, dass unser Thema vielfältig ist, und wir dachten uns eventuell später (in der Oberstufe, wenn wir entsprechende physikalische Kenntnisse erlernt haben) das Projekt noch zu vertiefen und zu erweitern und eventuell werden wir vielleicht mal später unsere jetzigen Zeichnungen am Computer zu simulieren und so visuell zu sehen wie ein Stoff ein Magnetfeld eines Magneten ändert. Wir haben am Experimentieren viel über Magnetfelder und Elektrizität gelernt. Die Arbeit hat uns viel Freude bereitet und wir würden weiter gerne am Wettbewerb Jugend Forscht (Schüler experimentieren) teilnehmen Anmerkungen *Weil die Stoffe auf den Positionsangaben 5,6,7,8 sich sehr ähnlich verhalten, haben wir sie gleichgestellt. Außerdem experimentieren wir auf der Präsentation zusätzlich mit Ferrofluid. 17

19 6. Anhang 6.1 Danksagung Stefan Bünger, Physiker, Physiklehrer (Heinrich-Hertz Gymnasium Berlin). Art der Unterstützung: Bereitstellung von Materialien und zur Verfügung gestellte Laborräume. Boris Reusch, Sponsorpool (JuFo). Art der Unterstützung: Bereitstellung von Gegenständen u.a. Magnete Juroren von Fachgebiet Physik. Art der Unterstützung: sehr gute Vorschläge für die nachfolgende Arbeit Dr. Ralf-Thomas Schmitt, Naturkundemuseum (Mineralogie). Art der Unterstützung: Ausleihe von Mineralien Firma Maier Metallbau. Art der Unterstützung: Eisenkern (für Spule) passend fürs Experimentieren zugeschnitten 6.2 Literaturverzeichnis Dr., K. R. (2012). Elektronik (Was ist was Ausg., Bd. 47). Nürnberg: Tessloff Verlag. Formelsammlung bis zum Abitur. (2014). Hamburg: Duden Schulbuch. Jürgen, T. (2011). Mit Einstein im Fahrstuhl. Würzburg: Arena Verlag. Lührs, P. O. (2010). Magnetismus (Was ist was Ausg., Bd. 39). Nürnberg: Tessloff Verlag. Magnet Shop. ( ). Sowie alle Bilder ohne Quellenangaben: 18