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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 5
22391 Hamburg
Jugend forscht 2010
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. 23784
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
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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 „NagelMagneten“ 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
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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.
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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.
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Versuche
1. Versuche mit mehr Drahtwicklungen
Eisennagel: Länge
100,78 mm
100,78 mm
Durchmesser
3,79 mm
3,79 mm
Kupferdraht Durchmesser:
0,24 mm
0,24 mm
Drahtwindungen
40
80
Stromstärke
3 Ampere
3 Ampere
6,8 Gramm
12,2 Gramm
durchschnittliches Gewicht der
angezogenen Stahlkugeln (Durchmesser
6,97 mm) bei 10 Versuchen
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
100,78 mm
100,78 mm
Durchmesser
3,79 mm
3,79 mm
Kupferdraht Durchmesser:
0,24 mm
0,24 mm
Drahtwindungen
80
80
ordentlich
unordentlich
3 Ampere
3 Ampere
12,2 Gramm
12,1 Gramm
Stromstärke
durchschnittliches Gewicht der angezogenen
Stahlkugeln (Durchmesser 6,97 mm) bei 10
Versuchen
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:
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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
200
200
200
Stromstärke
1,1 Ampere
1,2 Ampere
5,3 Ampere
16 Gramm
18 Gramm
es qualmt!
44 Gramm
es qualmt etwas
durchschnittliches
Gewicht der
angezogenen
Stahlkugeln
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.
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Qualmender Magnet
4. Versuche mit dickerem Nagel
Eisennagel: Länge
102,14 mm
102,14 mm
102,14 mm
3,88 mm
2x 3,88 mm
3 x 3,88 mm
Kupferdraht Durchmesser:
0,448 mm
0,448 mm
0,448 mm
Drahtwindungen
60
60
60
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
Durchmesser
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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.
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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
100
100
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:
¾ 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.
¾ 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
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einen längeren Gartenschlauch auch mehr Wasser läuft. Je größer die
Strommenge ist, die um den Nagel fließt, desto stärker wird er magnetisiert.
¾ 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.
¾ 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.
¾ 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
58 mm
Durchmesser
12 mm, Schraubenkopf: 19 mm
Kupferdraht Durchmesser:
0,75 mm
Drahtwindungen
1000
Stromstärke
1,5 Ampere
durchschnittliches Gewicht der angezogenen Stahlkugeln (10 Versuche)
185 Gramm
10
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
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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.
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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.
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Literatur
„Magnetismus“, in: Geolino Heft 11/2007.
R. Kötze, Was ist Was. Elektrizität. Nürnberg 2001.
Tesloffs Schülerlexikon: Physik, Nürnberg 2003.
www.alstertouristik.de
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. 12-13
Hebemagnet: wagner-magnete.de
Alsterschiff: hamburg-web.de
Erde: Nasa, in Wiki Commons
Toaster: Internetshop subsidesports.com/uk
Magnetschwebebahn: transrapid.de
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