LANDAU. Der elektrische Tornado. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht. Luca Markus Burghard

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht LANDAU Der elektrische Tornado Luca Markus Burghard Schule: Konrad Adenauer Realschule plus Landau Jugend forscht 2015

2 Fachgebiet Physik Der Elektrische Tornado Von: Luca Markus Burghard Seite 1 von 10

3 Kurzfassung Mein Thema ist Magnetismus und magnetische Ströme. Auf die Idee kam ich durch ein Internetvideo auf YouTube(Siehe: YouTube Video), in dem ein Magnet durch ein Kupferrohr fällt und seine Fallgeschwindigkeit dadurch verlangsamt wird. Dieses Phänomen wollte ich erforschen und so fand ich heraus, dass dies an den Elektronen des Kupferrohres liegt, denn die magnetische Energie des Neodym Magneten wirkt auf die Elektronen. Sie erzeugen so ein sich drehendes Magnetfeld, welches den Magneten im Fall abbremst. Ich besorgte mir mehrere starke Neodym Magneten und Kupferrohre. Mithilfe von Gabellichtschranken fand ich die heraus, dass die 1,2,3 und bis zu 20 Magneten in Einfluss des Kupferrohres ihre Fallzeit verlangsamen. Aber auch etwas Neues kam ans Licht: es war nicht, wie vermutet, dass die Wirkung mit steigender Anzahl an Magneten steigt, sondern war es so, dass ein Magnet sehr schnell flog (da die Kraft des Magnetfeldes nicht sehr auf ihn einwirkte), bei ca. 7 Magneten war aber zu erkennen, dass die Fallzeit langsamer wird. Bei 20 Magneten setzte wieder eine Beschleunigung ein (aufgrund des sehr hohen Gewichts). Seite 2 von 10

4 Inhaltsverzeichnis Kurzfassung... 2 Inhaltsverzeichnis... 3 Einleitung... 4 Wissenswertes... 5 Methode und Vorgehensweise... 7 Ergebnisse und Auswertungen... 8 Diskussion... 9 Literaturverzeichnis Seite 3 von 10

5 Einleitung Den Namen bekam mein Projekt, da sich die, durch den Magneten induzierten Wirbelströme wie ein Tornado drehen und den Magneten im Fallen abbremsen. Das elektrisch kommt deswegen, da alles sehr viel mit Strom zu tun hat. Die Projektidee war es mehrere Messungen über Dauer des Fallens mit und ohne Rohr durchzuführen und die Ergebnisse zu erklären und zu verstehen. Mithilfe eines Studenten der Uni Landau machte ich viele Versuche mit Magneten und erklärte mir die Welt des Magnetismus der Fallzeit und der Wirbelströme. Doch während der Versuche kam mir die Idee mehrere Magnete zusammen und einzeln zu messen um ein Bild über den Einfluss der Erdanziehungskraft zu machen, bei dem ich sehr viel Neues herausfand. Seite 4 von 10

6 Wissenswertes Wenn man Induktionsherde, Motoren, Kompasse und vieles mehr verstehen will, muss man sich mit Magnetismus auskennen. Magnete: (Siehe: Wissenmachtah Magnetismus) Ein Magnet ist ein Körper, der bestimmte andere Körper anzieht oder abstößt. Er hat immer einen Plus und einen Minus Pol. Gegensätzliche Pole ziehen sich an, gleiche Pole stoßen sich ab. Magneten kommen auch in der Natur vor. Manche Gesteine sind zum Beispiel magnetisch. Und sogar unsere Erde ist magnetisch. Ein Magnet ist also ein Gegenstand der alle anderen magnetischen Gegenstände um sich herum anzieht. Aber auch die Menschen können Magneten herstellen, indem sie durch Strom und leitende Gegenstände ein elektromagnetisches Feld aufbauen. Dies funktioniert indem die Elektronen des, unter Strom gesetzten, Gegenstandes in Schwingungen versetzt werden und so ein magnetisches Feld erzeugen. Wirbelstrom: (Siehe: Schülerlexikon Wirbelströme) Wenn sich ein elektrisch leitender Gegenstand in einem Magnetfeld bewegt, dann werden in ihm Ströme induziert. Handelt es sich bei dem Leiter um einen langen Draht oder eine Spule, dann ist die Richtung des induzierten Stromes eindeutig vorgegeben. In räumlichen oder flächenhaften Metallstücken unterliegt die Stromrichtung turbulenten Veränderungen. Diese, nicht gerichteten, Ströme bezeichnet man als Wirbelstrom. Induktion: (Siehe: Schülerlexikon Elektromagnetische Induktion) Die elektromagnetische Induktion ist ein Vorgang, bei dem durch Bewegung eines elektrischen Leiters im Magnetfeld, oder durch Änderung des von einem Leiter umschlossenen Magnetfeldes, eine elektrische Spannung und ein Stromfluss erzeugt werden. Die entstehende Spannung nennt man Induktionsspannung. Der Strom wird als Induktionsstrom bezeichnet. Die elektromagnetische Induktion und das Induktionsgesetz wurden 1831 von MICHAEL FARADAY entdeckt. Seite 5 von 10

7 Der freie Fall: (Siehe: Lernhelfer freier Fall) Die Fallbewegung eines Körpers, die nicht durch den Luftwiderstand (also in Vakuum) behindert wird, nennt man freien Fall. Der freie Fall ist eine gleichmäßig beschleunigte, geradlinige Bewegung, wobei die Beschleunigung gleich der Fallbeschleunigung g am jeweiligen Ort ist. Wenn man auf dem Mond ist, müsste man die Fallzeit anders berechnen, da die Erde eine Fallbeschleunigung von g = 9,81 m/s² hat und der Mond nur g = 1,62 m/s². Das ist auch der Grund warum auf dem Mond alles viel langsamer fällt. Dies ist die Formel um die Fallzeit von Gegenständen auf der Erde zu bestimmen: t=zeit, s=strecke, g=erdbeschleunigung Seite 6 von 10

8 Methode und Vorgehensweise Als erstes stellte ich eine Hypothese auf und zwar: Umso mehr Magneten, umso mehr Kraft, umso langsamer der Fall! Danach rechnete ich mithilfe der Formel zur Berechnung des Freien Falls aus, wie schnell die Magneten normal (aber ohne Luftwiderstand) fallen. Hier die Formel: 2 2 1,03 9,81 0,46 Da an meiner Schule das richtige Material nicht vorhanden ist, gingen mein Betreuer und ich an die Uni, indem ich zwei gleich lange Kupferrohre in ein Stativ schraubte und die Magneten hindurchfallen ließ konnte ich diese Ergebnisse herausfinden. Gestoppt habe ich die Fallzeit mit und ohne Rohr mithilfe von zwei Gabellichtschranken, die ich oben und unten am Rohr platzierte. Materialliste: Kupferrohr Magnet Gabellichtschranken Stativ Stoppuhr Weiteres Vorgehen: Nachdem alles aufgebaut war ließ ich den Magneten in das Rohr falle und beobachtetet erstmal was passiert danach halfen mir die zwei Gabel Lichtschranken dabei die genaue Fallzeit der Magneten zu Ermessen dies machte ich mit bis zu 20 Magneten danach rechnete ich mithilfe der oben angegebenen Formel die Fallzeit ohne Rohr im Vakuum aus und Notierte diese. 1 Stoppuhr 2 Lichtschranke 3 Kupferrohr 4 Stativ Ich machte Fotos und Dokumentierte alle Ergebnisse oben können sie die Skizze des Versuchs sehen. Seite 7 von 10

9 Ergebnisse und Auswertungen Bei unseren Versuchen fand ich heraus, dass die Erdanziehungskraft eine große Rolle beim Fallen des Magneten spielt. Je mehr Magneten desto mehr Masse desto mehr Anziehungskraft. Also war nicht nur die Energie der Magneten größer, wenn es mehr wurden, sondern auch die Anziehungskraft. Dies bewirkte, dass viele Magneten nicht langsamer sondern schneller wurden als nur einer. Am langsamsten waren 5 Magneten, die nicht viel Masse aber viel Kraft hatten. Nachfolgend sehen Sie die Dauer der Magneten für den Fall durch die Kupferrohre in tabellarischer und grafischer Form: Anzahl 20st. 17st. 15st. 12st. 10st. 7st. 5st. 4st. 3st. Versuch1 1,24 1,46 1,65 1,9 2,56 2,4 3,69 3,13 2,32 Versuch2 1,3 1,74 1,71 2,25 2,84 2,49 3,34 3,14 2,33 Versuch3 1,31 1,54 1,93 2,21 2,63 2,25 3,44 3,05 2,72 Versuch4 1,24 1,52 1,65 2,04 2,74 2,53 3,57 3,03 2,55 Versuch5 1,21 1,52 1,8 2,09 2,4 2,1 3,68 2,84 2,49 Versuch6 1,31 1,66 1,87 2,06 2,79 2,18 3,34 3,17 2,54 Versuch7 1,4 1,66 1,93 2,07 2,83 2,42 3,21 2,92 2,31 Versuch8 1,43 1,61 1,65 2,23 2,47 2,51 3,06 2,94 2,68 Versuch9 1,3 1,61 1,87 2,27 2,73 2,44 3,53 2,94 2,69 Versuch10 1,3 1,7 1,79 2,18 2,71 2,59 3,28 2,84 2,75 Schnitt 1,304 1,602 1,785 2,13 2,67 2,391 3,414 3,00 2,538 In der hier gezeigten Tabelle kann man die genaue Fallzeit der Magneten sehen besonders auffallen sind 5 Magneten da diese nur sehr langsam fallen am schnellsten aber viel wie nicht erwartet die 20 Magneten da diese zu viel Masse und somit zu viel Beschleunigung haben. Seite 8 von 10

10 Diskussion Bei der Durchführung der Experimente passiertem aber auch Fehler wie zum Beispiel, dass das richtige material nicht vorhanden ist. Außerdem konnten manche Dinge nicht genau ausgeführt werden da man mit der Hand den Magneten nicht immer vom gleichen abstand in das Rohr werfen konnte was dazu führte das manche Ergebnisse ungenau wahren(siehe Bild rechts). Aus den Experimenten lernte ich deshalb, dass man alle Versuche mindestens 10 Mal durchführen muss, um ein verlässliches Ergebnis zu erhalten. Weiter lernte ich, dass man alles so genau wie möglich machen muss und sich dabei an die Vorgaben im Detail halten muss. Die wichtigste Regel der Physik, die ich lernte, war, dass es in der Wissenschaft keine Schätzungen oder logische Schlussfolgerungen gibt, sondern nur Ergebnisse, die man nachprüfen können muss. Wird der identische Versuch erneut durchgeführt, muss das identische Ergebnis herauskommen. Seite 9 von 10

11 Literaturverzeichnis 1 (YouTube Video)= 2 (Wissenmachtah Magnetismus)= 3 (Schülerlexikon Wirbelströme)= 4 (Schülerlexikon Elektromagnetische Induktion)= 5 (Lernhelfer freier Fall)= fall Seite 10 von 10