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Magnete: Anziehen und Abstoßen

GrundschulePhysikKraft zwischen koaxialen Punktdipolen und Energie der linearen induzierten Magnetisierung für Testproben an festen Positionen

Klicke auf einen der beiden Magnete, um seine Pole umzukehren. Wähle eine Testprobe aus der Ablage, ziehe am Abstand oder ändere die Stärke von Magnet A und vergleiche anschließend Kraft und Energie.

3D

Ziehe den Apparat, um ihn anzupassen. Ziehe den Hintergrund, um ihn zu drehen. Scrolle zum Zoomen.

Messprotokoll

Ändere die Einstellungen, teste eine Vorhersage und speichere das Ergebnis. Es werden bis zu 12 Momentaufnahmen gespeichert.

Über dieses Experiment

Kehren Sie einen Magneten um, ändern Sie seine Stärke oder ersetzen Sie den zweiten Magneten durch eine Materialprobe. Messen Sie die Kraft bei einem kontrollierten Abstand und vergleichen Sie die Wechselwirkungen starker Permanentmagnete mit den schwachen paramagnetischen und diamagnetischen Reaktionen.

Lernziele

  • Sagen Sie voraus, wie die Umpolung die Kraft eines permanenten Dipols verändert.
  • Vergleichen Sie die paramagnetische Anziehung mit der diamagnetischen Abstoßung.
  • Setzen Sie die Nachweisgrenze der Kraftanzeige mit einer berechneten, von null verschiedenen Reaktion in Beziehung.

Anleitung

  1. 1Messen Sie zunächst die Kraft zwischen den beiden standardmäßig verwendeten Magneten, kehren Sie dann einen Magneten um und vergleichen Sie das Vorzeichen der Kraft.
  2. 2Ändern Sie den Abstand und prüfen Sie die Abhängigkeit der Kraft koaxialer Dipole vom inversen Abstand hoch vier.
  3. 3Ersetzen Sie Magnet B durch Aluminium, Kupfer und die effektive Eisenprobe.
  4. 4Erhöhen Sie die Stärke von Magnet A und vergleichen Sie die exakt berechnete Kraft mit der Anzeigeauflösungsschwelle von 0,1 µN.

Das Modell

Die vorzeichenbehafteten Momente bestimmen, ob die koaxialen Dipole sich anziehen oder abstoßen.
Eine lineare induzierte Antwort hängt vom Quadrat des Feldes ab. Daher kehrt sich die Kraft nicht um, wenn nur die Quelle umgekehrt wird.

Annahmen

  • Die Positionen bleiben unverändert. Stablängen und Längen der Kraftpfeile sind symbolisch, und die Punktdipolnäherung schließt den Kontakt zwischen den Magneten aus.
  • Das Volumen des induzierten Probekörpers beträgt 10 cm³. Die effektiven Suszeptibilitäten sind beispielhafte Werte: Eisen 1, Aluminium 2,2×10⁻⁵, Kupfer −1×10⁻⁵, Holz −8×10⁻⁶ und Kunststoff −1×10⁻⁵.
  • Bei der linearen induzierten Magnetisierung bleiben Hysterese, Remanenz, entmagnetisierende Geometrieeffekte und Sättigung unberücksichtigt. Der effektive Eisenprobekörper ist keine kalibrierte reale Eisenprobe.
  • Kräfte unter 0,1 µN werden in numerischen Anzeigen beibehalten, zugleich aber als unterhalb der gewählten Anzeigeauflösung gekennzeichnet.

Im Unterricht ausprobieren

  1. Q1Warum kehrt sich die Kraft auf einen anderen Permanentmagneten um, wenn man einen Permanentmagneten umdreht?
  2. Q2Warum bleibt die Kraft auf das induzierte Material bei einer Umkehr der Quelle unverändert?
  3. Q3Kann eine Kraft unterhalb der Auflösung trotzdem ungleich null sein?

Häufig gestellte Fragen

Warum stoßen Kupfer, Holz und Kunststoff sich schwach ab?

Die ausgewählten beispielhaften Suszeptibilitäten sind negativ und bewirken eine kleine diamagnetische Kraft, die vom stärkeren Feld weg gerichtet ist.

Warum bleiben die Magnete trotz einer wirkenden Kraft an Ort und Stelle?

Sie sind auf einer virtuellen Kraftbank mit fester Position montiert. Der Abstand ist ein kontrollierter Parameter, daher wird keine Translationsbewegung integriert.