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Methodische Variante A: einführende Instruktion

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3. Stärke von einem bzw. zwei gleich starken Magneten

Kurzbeschreibung

Im nächsten Schritt wird behandelt, wie sich die Stärke von Magneten verhält, wenn man mehrere Magnete zu einem Gesamtmagneten kombiniert. Eine Kernaussage des Eisen-Magnetmodells besteht darin, dass sich die magnetischen Wirkungen vieler parallel ausgerichteter Elementarmagnete aufsummieren und damit eine zunehmend stärkere Kraft ausgeübt werden kann. Zur Demonstration wird ein leicht selbst zu bauendes Magnetstärke-Anzeigegerät verwendet (Abb. 8a, b): In einen dicken Pappkarton oder ein dünnes Holzbrett wird ein Holz- oder Kupfer- oder Aluminiumstab gesteckt und auf diesen ein Neodym-Scheibenmagnet (Ringmagnet) gefädelt.

Es wird nun ein Stabmagnet so darunter gehalten, dass der Ringmagnet abgestoßen wird. Die Schüler merken sich oder messen die Höhe, in der der Magnet schwebt (Abb. 8b). Anschließend werden zwei gleiche Stabmagnete mit gleich orientierten Polen fest nebeneinander und dann unter das Messgerät gehalten. Es ist zu beobachten, dass der Ringmagnet „höher“ abgestoßen wird, sich also die Wirkung der gleichen Pole verstärkt. Dreht man einen Magnet um, so hebt sich die Wirkung der Magnete praktisch vollständig auf, wenn diese mittig unter das Anzeigegerät gehalten werden. Der Ringmagnet bleibt also auf dem Karton liegen und wird gar nicht abgestoßen.

Anstelle des eben beschriebenen Magnetstärkemessers können auch die Wirkungen auf ein Wägelchen einer Holzeisenbahn mit Magnetkupplungen (Brio oder Ikea) demonstriert werden, das auf einer schräggestellten Bahn nach schräg oben abgestoßen wird (s. Abb. 11a-d).

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Abbildung 8: Magnetstärkemesser. a) Seitenansicht, b) Auslenkung durch einen Magneten

Alternative (s. Abb. 9): Ein Holzstab (ca. 30 cm Länge) wird in eine Pappe gesteckt und links und rechts durch eine Korkscheibe festgeklemmt. Auf die Pappe werden ausgehend von dem Stab Winkelstriche eingezeichnet, die Mittelmarkierung wird hervorgehoben. Ein Neodymringmagnet wird an drei Kupferdrähte geknüpft (der Magnet dreht sich dann nicht so leicht), von denen sich der mittlere Draht dicht vor der Pappe dreht. Die Länge der Drähte muss so gewählt werden, dass beiden äußeren mit der Pappe jeweils ein Dreieck bilden. In die oben Drahtenden werden ringförmige Ösen gebogen und diese auf den Stab geschoben. Auf die Enden des Stabes kommen ein Korken und eine Korkscheibe. Der Magnet muss leicht pendeln. Schiebt man den zu prüfenden Magneten (auf Abstoßung achten) bis zur Mittelmarkierung, wird der Ringmagnet um einen bestimmten Winkel ausgelenkt, der ein Maß für seine Stärke ist.

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Abbildung 9: Magnetstärkemesser, Variante 2. a) Schrägansicht, b) Auslenkung durch einen Magneten

Materialien:

  • 1 Magnetstärke-Anzeigegerät (→ zum selbst bauen: In einen dicken Pappkarton oder ein dünnes Holzbrett wird ein Holz- oder Kupfer- oder Aluminiumstab gesteckt und auf diesen ein Neodym-Scheibenmagnet (Ringmagnet) gefädelt, siehe Abbildungen 8a und b)
  • Alternative 1: Magnetstärke-Anzeigerät mit pendelndem Magneten (Abbildungen 9)
  • Alternative 2: Holzwagons (z.B. IKEA) auf schiefer Ebene (siehe Abbildungen 11a-d)
  • 2 rot-grün (oder mit Polnamen markierte) Magnete
  • verschiedene große und kleine Magnete mit unterschiedlicher Stärke

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Abbildung 10: Materialien

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Abbildungen 11a-d: Die magnetische Wirkung von zwei Stabmagneten verstärkt sich oder hebt sich auf.
  Versuche
Versuch: Wie stark ist ein Magnet?
  • Versuchsanordnung: Magnetstärke-Anzeigegerät und ein Stabmagnet, der sich dem Holz- oder Kupferstab von unten nähert. (Abb. 12 Nr. 1)
  • Versuch:Ein Stabmagnet wird so unter den Stab gehalten, dass der Ringmagnet abgestoßen wird. (Die Vermutungen der Schülerinnen und Schüler werden VOR der Versuchsdurchführung verbalisiert.)
    • Vermute! → Schüleräußerungen
    • Beobachte! → Schüleräußerungen
  • Beobachtungen werden mitgeteilt und zusammengefasst:  Die Schüler merken sich (oder messen) die Höhe, in der der Magnet schwebt.
Versuch: Wie stark sind zwei Magnete?
  • Versuch: Zwei gleiche Stabmagnete mit gleich orientierten Polen werden fest nebeneinander und dann unter das Messgerät gehalten. Der Ringmagneten wird wieder abgestoßen. (Abb. 12 Nr. 2)
  • Beobachtungen werden mitgeteilt und zusammengefasst: Gemeinsam wird gefolgert, dass die Wirkungen der zwei gleich orientierten Stabmagnete stärker ist im Vergleich zu dem einzelnen Magneten. (Wenn die Schüler nachfragen, weshalb der Ringmagnet bei zwei gleichorientierten Magneten nicht doppelt so hoch geschoben wird, wird darauf hingewiesen, dass mit dem Abstand von einem Magnet die Wirkung schwächer wird.)
Versuch: Die magnetische Wirkung hebt sich auf
  • Versuch: Einer der beiden Magnete wird umgedreht. Die Magnete werden unter das Messgerät gehalten. (Abb. 12 Nr. 3)
  • Beobachtungen werden mitgeteilt und zusammengefasst: Die Wirkung der Magnete hebt sich vollständig auf.

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Abbildung 12: Vergleich der Stärke einer kombinierten Magneten mit der eines einzelnen Magneten

Versuch: Zusammenhang von Größe und Stärke von Magneten
  • Versuch: Verschiedene große und kleine Magnete werden unter das Messgerät gehalten, die verschiedenen Höhen sollen sich die SchülerInnen in etwa merken (bzw. die Höhen werden gemessen). 

Hinweis: Bei der Auswahl der Magnete ist zu beachten, dass auch kleinere Magnete „stärker“ sein müssen als größere, um nicht die Vermutung „großer Magnet ist stärker als kleiner Magnet“ zu unterstützen!

  • Beobachtungen werden mitgeteilt und zusammengefasst: Die Wirkung der Magnete ist nicht notwendiger Weise abhängig von der Größe der Magnete. Kleinere Magnete können eine größere Wirkung haben als größere.

abb13 Abbildung 13: Tafelbild Mitte

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