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Kraftmessung an Supermagneten

Ein akademischer Praktikumsbericht zu unseren Magneten
Autor: Patrick Ulrich, Berlin, Deutschland
Online seit: 23.01.2009, Anzahl Besuche: 33329
Herr Ulrich, ehemaliger Student der Humboldt-Universität zu Berlin, stellt uns freundlicherweise seinen Praktikumsbericht zum Thema "Kraftmessung an Supermagneten" zur Verfügung, den er als Studienarbeit verfasst hat.
Er hat darin die Haftkraft von Supermagneten (NdFeB) auf einer Metallplatte untersucht.
Gerne zitieren wir einige (leicht abgeänderte) Stellen aus seiner Arbeit, die Sie auch als PDF anschauen können.

Herstellung Kraftmesser und Messung

Der im Praktikum entwickelte und konstruierte Kraftmesser beruht auf der Messung einer Spannung, die entsteht, wenn man einen Piezokristall durch Belastung verformt.
In den folgenden Unterkapiteln wird die Konstruktion und Kalibrierung eines Kraftmessers mit Hilfe von Piezokristallen aus einem handelsüblichen Feuerzeug beschrieben.
Aufgrund der geringen, praktisch nicht vorhandenen Stauchung eines Piezokristalls eignen sich diese, um dynamische, vor allem abstandsabhängige Kräfte zu messen.
Die Piezoelemente aus handelsüblichen Feuerzeugen haben eine kleine massive Spitze und einen Metallzylinder als Basis. Drei solcher Piezoelemente wurden in einem Dreieck angeordnet.
Die gesamte senkrecht ausgeübte Kraft auf die Konstruktion setzt sich aus den Einzelkräften auf die einzelnen Piezoelemente additiv zusammen. So steht die messbare Gesamtspannung im direkten Verhältnis zur ausgeübten Gesamtbelastung.
Eine Messplatte
Eine Messplatte
In der mechanischen Werkstatt des Physikinstituts wurden entsprechende
Dreiecke mit passenden Bohrungen aus Kunststoff (PVC) angefertigt.
Um Kräfte der Magneten bestimmen zu können, speziell Haftkräfte an Stahlplatten, wurde eine Konstruktion entwickelt, die es gestattet, verschiedene Stahlplatten zu befestigen und einen Magneten langsam von diesen Platten zu entfernen.
Die Hardwareschnittstelle für die Messung von elektrischen Spannungen und Stromstärken
Die Hardwareschnittstelle für die Messung von elektrischen Spannungen und Stromstärken
Schaltung der Messplatten mittels Kondensatoren
Schaltung der Messplatten mittels Kondensatoren
Hier die ganze Installation
Hier die ganze Installation


Ergebnisse

Ein linearer Zusammenhang zwischen Magnetdicke und Haftkraft wird erkannt. Je dicker der verwendete Magnet ist, desto höher war die Haftkraft. Die Abbildung zeigt die Haftkraft in Abhängigkeit der Magnetdicke.
Es zeigt sich: Für alle Stahlplatten nimmt die Haftkraft mit steigender Dicke der Magneten linear zu.

Warum ist ein "Supermagnet" super?

Es zeigte sich, dass einige der im Laborpraktikum verwendeten Magneten in der Lage sind, mehr als das 600-fache ihres eigenen Gewichts zu tragen. Auch an einer 1 mm starken Stahlplatte können die Magnete ihr 250-faches Eigengewicht tragen.

Definition:

Ein Dauermagnet, der mindestens das 250-fache seines Eigengewichts halten kann, ist ein Supermagnet.
Feldlinien, gezeigt mit einem Quadermagneten
Feldlinien, gezeigt mit einem Quadermagneten
Seit Januar 2009 ist nun auch das Buch von Herrn Ulrich zum Thema erhältlich:
Experimente mit "Supermagneten" im Physikunterricht: Versuchsreihe zur phänomenologischen Beschreibung von Magnetismus unter Verwendung von "Supermagneten".
Auszug aus der Produktbeschreibung:
"Mit seinen detaillierten Versuchsbeschreibungen richtet sich dieses Buch an Physiklehrer und Lehramtsstudenten und soll auch Ideen und Anregungen für Experimente in der Mittel- und Oberstufe geben."
Das Buch ist unter anderem erhältlich bei Amazon

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