Die Büroklammerkette
AFB I–IIEin Stabmagnet hängt an einem Stativ. Daran hängt eine Büroklammer, daran die nächste, und so weiter — eine Kette aus sechs Büroklammern.
Die Klasse untersucht die Kette in vier Schritten. Die Beobachtungen stehen in Material M1.
| Schritt | Was gemacht wird | Beobachtung |
|---|---|---|
| 1 | Kette hängt am Magneten | alle 6 Klammern hängen |
| 2 | eine siebte Klammer anhängen | die Kette reißt, alle fallen |
| 3 | Kette wieder aufbauen, dann den Magneten vorsichtig abziehen | die Kette fällt sofort auseinander |
| 4 | die oberste Klammer 30-mal mit dem Magneten bestreichen, dann prüfen | sie zieht allein noch 2 Klammern an |
Die Büroklammern bestehen aus verzinktem Eisendraht.
- Erkläre, warum in Schritt 1 auch die unterste Klammer hängen bleibt, obwohl sie den Magneten gar nicht berührt.
- Deute den Unterschied zwischen Schritt 3 und Schritt 4.
- Begründe, warum die Kette in Schritt 2 ausgerechnet bei sieben Klammern reißt und nicht schon früher.
Tipp zu Aufgabe a)
Tipp zu Aufgabe b)
Tipp zu Aufgabe c)
Lösung zu Aufgabe a)
Die oberste Klammer hängt direkt am Magneten. Dabei richten sich ihre Elementarmagnete aus, und sie wird selbst zu einem kleinen Magneten — mit eigenem Nord- und Südpol.
Als Magnet zieht sie die zweite Klammer an, diese wird ebenfalls magnetisiert und zieht die dritte an, und so weiter bis nach unten.
Die unterste Klammer hängt also nicht am Stabmagneten selbst, sondern an der Klammer über ihr — die Wirkung wird von Klammer zu Klammer weitergegeben.
Lösung zu Aufgabe b)
In Schritt 3 waren die Klammern nur so lange magnetisch, wie der Stabmagnet in der Nähe war. Sobald er weg ist, geraten ihre Elementarmagnete wieder durcheinander, die Wirkung verschwindet und die Kette fällt auseinander. Eisen verhält sich also weichmagnetisch.
In Schritt 4 wurde die Klammer 30-mal in dieselbe Richtung bestrichen. Dadurch sind viel mehr Elementarmagnete ausgerichtet, und diese Ordnung bleibt auch ohne den Stabmagneten bestehen.
Die Klammer ist jetzt selbst ein — schwacher — Dauermagnet und hält allein noch zwei weitere Klammern.
Lösung zu Aufgabe c)
Zwei Dinge wirken gegeneinander. Nach unten hin wird jede Klammer schwächer magnetisiert als die darüber, weil die Wirkung mit jedem Glied abnimmt.
Gleichzeitig wird die Last größer: Die oberste Klammer muss das Gewicht aller darunter hängenden tragen.
Bis zur sechsten Klammer reicht die anziehende Kraft gerade noch aus. Mit der siebten wird das Gewicht größer als die Kraft an der schwächsten Stelle — dort reißt die Kette, und alles fällt herunter.
Der Schraubendreher in der Werkstatt
AFB II–IIIIn einer Fahrradwerkstatt liegt ein Schraubendreher, an dessen Spitze kleine Schrauben von selbst hängen bleiben — sehr praktisch beim Arbeiten an engen Stellen. Nach einem halben Jahr funktioniert das nicht mehr: Der Meister hatte das Werkzeug mehrfach als Hebel benutzt und dabei kräftig dagegen geschlagen.
Ein Lehrling möchte die Spitze wieder magnetisieren. Material M2 zeigt, ab welcher Temperatur verschiedene Stoffe ihre Magnetisierung vollständig verlieren.
| Stoff | Temperatur |
|---|---|
| Neodym-Magnet | ca. 80 °C |
| Nickel | 358 °C |
| Eisen | 770 °C |
| Cobalt | 1115 °C |
Zum Vergleich: kochendes Wasser 100 °C, heiße Herdplatte etwa 250 °C, Lötkolbenspitze rund 350 °C.
- Beschreibe, wie der Lehrling die Spitze mit einem starken Magneten wieder magnetisieren kann, und erkläre, warum der Schraubendreher seine Wirkung überhaupt verloren hat.
- Lies aus M2 ab, welcher Stoff am empfindlichsten auf Wärme reagiert, und entscheide, ob ein Neodym-Magnet eine heiße Herdplatte unbeschadet übersteht.
- Ein Kollege sagt: „Ein hartmagnetischer Stahl wäre für einen Elektromagneten viel besser als Weicheisen — der bleibt ja magnetisch.“ Beurteile diese Aussage.
Tipp zu Aufgabe a)
Tipp zu Aufgabe b)
Tipp zu Aufgabe c)
Lösung zu Aufgabe a)
Vorgehen: den starken Magneten mit immer demselben Pol und immer in derselben Richtung über die Spitze streichen, am Ende jedes Strichs weit abheben und wieder von vorn beginnen. Nach 20 bis 30 Wiederholungen bleiben wieder Schrauben hängen. Ein Hin-und-Her-Streichen würde die Ausrichtung immer wieder rückgängig machen.
Verloren gegangen ist die Wirkung durch die Schläge: Starke Erschütterungen bringen die ausgerichteten Elementarmagnete wieder durcheinander, sodass sich ihre Wirkungen nach außen aufheben.
Lösung zu Aufgabe b)
Am empfindlichsten ist der Neodym-Magnet mit etwa 80 °C — das ist der mit Abstand kleinste Wert der Tabelle und liegt sogar unter der Temperatur von kochendem Wasser.
Eine heiße Herdplatte erreicht rund 250 °C und damit weit mehr als 80 °C. Der Neodym-Magnet würde seine Wirkung dort verlieren, und zwar dauerhaft: Nach dem Abkühlen kommt sie nicht von selbst zurück.
Eisen würde die Herdplatte dagegen aushalten — es verliert seine Magnetisierung erst bei 770 °C.
Lösung zu Aufgabe c)
Die Aussage ist falsch, weil sie das Ziel eines Elektromagneten verkennt. Er soll gerade nicht dauerhaft magnetisch sein, sondern nur solange Strom fließt — zum Beispiel bei einem Schrottkran, der die Last wieder loslassen muss.
Weicheisen lässt sich leicht magnetisieren und verliert die Wirkung sofort wieder, sobald der Strom abgeschaltet wird. Genau das ist gefragt.
Hartmagnetischer Stahl bliebe dagegen magnetisch und würde die Last festhalten. Er ist dafür der richtige Werkstoff, wenn man einen Dauermagneten bauen will — also für Kühlschrankmagnete, Kompassnadeln oder Lautsprecher.