Batterie-Magnet-Zug

Was das Kind lernt

• Dass ein elektrischer Strom, der durch eine Spule fließt, ein Magnetfeld erzeugt (sie ist ein Elektromagnet).
• Dass der Stromkreis über die Magnete geschlossen wird und nur über die Windungen zwischen ihnen: Der Elektromagnet „fährt“ mit dem Zug mit.
• Dass die Ausrichtung der Pole alles entscheidet: gleiche Pole nach außen, der Zug fährt; einer verkehrt herum, er bleibt stehen; der Zug umgedreht, er fährt rückwärts.
• Eine Geschwindigkeit zu messen (Strecke ÷ Zeit) und die Zahl der Windungen pro Zentimeter mit der Kraft in Beziehung zu setzen.

Vorher vorbereiten

• Prüfe, ob der Draht blank ist: Kratz mit dem Fingernagel oder Schleifpapier daran; wenn ein rötlicher Lack abgeht oder sich die Farbe ändert, ist er lackiert und taugt nicht.
• Drucke das Abstandslineal und die Rinne mit 100 % (prüfe die rote 50-mm-Linie im Kopf des Blatts).
• Markiere die Magnete vor der Einheit (Schritt 5) und bewahre sie getrennt auf einem Kartonstreifen auf.
• Halte eine neue AAA-Batterie und eine als Ersatz bereit: Mit einer leeren Batterie bewegt sich der Zug kaum.
• Wickle selbst eine Probespule, bevor du es mit den Kindern machst, damit du weißt, welcher Abstand mit deinem Draht funktioniert.

Materialien und Werkzeuge

• Blanker Kupferdraht — 3 m (besser 5 m) kaufen
  Ø 0,8–1 mm (AWG 18–20), ohne Lack oder Emaille, sauber und glänzend
• Neodym-Magnete — 2 (oder 4, wenn sie dünn sind) kaufen
  Scheiben Ø 12–12,7 mm × 6–10 mm, N35 oder stärker, vernickelt (leiten Strom)
• AAA-Alkalibatterie — 1 (+1 als Ersatz)
  1,5 V, neue Alkalibatterie (Ø 10,5 × 44,5 mm). Keine Lithium-Batterien oder Akkus verwenden (sie liefern noch mehr Strom und werden noch heißer)
• AA-Batterie (nur als Wickelform) — 1
  Ø 14,5 mm: Um sie wird die Spule gewickelt
• Dünner Karton oder Fotokarton — 1 Streifen 25 × 6 cm
  für die Rinne, die die Spule gerade hält
• Grüner Topfschwamm oder feines Schleifpapier — 1 Stück
  zum Reinigen des Drahts, wenn er angelaufen ist
• Klebeband — 20 cm
  zum Befestigen der Spulenenden an der Rinne

Werkzeuge

• Spitz- und Seitenschneider — Draht abschneiden und die Enden biegen Erwachsene
• Lineal — Windungsabstand und Länge des Tunnels messen
• Stoppuhr (Handy) — Geschwindigkeit messen
• Permanentmarker — die Seiten der Magnete markieren

Teile und Vorlagen

• A · Abstandslineal (2,5 mm pro Windung) ×1 — Papier oder Fotokarton
• B · Auflagerinne für die Spule ×1 — Fotokarton 200 g/m² oder dünner Karton
• C · Spulendraht ×1 — blanker Kupferdraht Ø 0,8–1 mm

Schritt für Schritt

1. Reinige den Draht

   Wickle 3 m blanken Kupferdraht ab und reibe ihn der Länge nach mit dem Topfschwamm oder Schleifpapier ab, wenn er dunkel ist. Er muss glänzen, in der Farbe einer neuen Kupfermünze.

   Prüfe: Kratz mit dem Fingernagel an einer Stelle: Es darf keine Lackschicht abgehen.

2. Wickle die Spule

   Halte 3 cm Draht mit dem Daumen auf der AA-Batterie (der Wickelform) fest und wickle den Rest herum, Windung an Windung, und zieh dabei, damit sie straff sitzt. Du bekommst etwa 60 Windungen auf 5–6 cm, mehr als die Batterie lang ist (5 cm): Wenn die Windungen das andere Ende erreichen, schieb die fertigen zu dieser Seite, sodass sie nach und nach von der Batterie rutschen, und wickle auf dem freien Teil weiter.

   Tipp: Dreh die Batterie mit einer Hand und führe den Draht mit der anderen, als würdest du Garn auf eine Spule wickeln. Ein dicker Filzstift mit Ø 14–15 mm, der länger als die Batterie ist, erspart dir das Verschieben der Windungen.

3. Nimm die Wickelform heraus Erwachsene

   Zieh die AA-Batterie aus der Spule und dreh sie dabei etwas gegen die Wickelrichtung, damit sie herauskommt, ohne die Windungen zu verformen. Kneif beide Enden mit der Zange ab und lass jeweils 1 cm gerade stehen.

   Prüfe: Schau in den Tunnel: Er ist rund, etwa 16 mm im Durchmesser, ohne eingedrückte Windungen.

4. Zieh die Windungen auseinander

   Zieh vorsichtig an beiden Enden, bis die Spule etwa 15 cm lang ist. Leg sie neben das Abstandslineal A und korrigiere mit den Fingern, bis alle 2,5 mm eine Windung liegt.

   Prüfe: Halte die Spule gegen das Licht: Zwischen je zwei Windungen ist eine Lücke zu sehen. Keine Windung berührt die Nachbarin.

5. Markiere die Magnete Erwachsene

   Halte die beiden Magnete aneinander (sie haften von selbst zu einem Zylinder zusammen). Mal mit dem Marker einen Punkt auf die beiden Außenseiten, oben und unten. Trenne sie, indem du sie seitlich wegschiebst, niemals ziehen.

   Tipp: Die beiden Seiten mit Punkt sind entgegengesetzte Pole: So weißt du, wie du sie im nächsten Schritt ansetzt.

6. Baue den Zug Erwachsene

   Setz einen Magneten mit dem Punkt NACH AUSSEN an den Pluspol der AAA-Batterie. Setz den anderen mit dem Punkt NACH INNEN (an der Batterie) an den Minuspol. Sie halten von selbst am Stahl der Batterie: Verwende keinen Kleber.

   Prüfe: Halte den Zug an den Zug eines anderen Kindes oder an einen losen Magneten: Beide Enden des Zugs verhalten sich gleich (beide ziehen denselben Magneten an oder beide stoßen ihn ab).

7. Bereite die Rinne vor

   Schneide Teil B aus, rille die beiden Falzlinien bei 18 und 38 mm und falte es zu einem U. Leg die auseinandergezogene Spule auf den Boden der Rinne und befestige jedes Ende mit einem Stückchen Klebeband.

   Prüfe: Die Spule liegt gerade, ohne Bögen, und die Rinne liegt flach auf dem Tisch.

8. Prüfe die Durchfahrt

   Ohne die neue Batterie: Setz die Magnete auf eine leere AAA-Batterie (sie hält die Magnete und passt genauso wie die neue) und schieb sie durch den Tunnel, um zu sehen, ob das 57 mm lange Ganze von einem Ende zum anderen durchgeht, ohne an einer Windung hängen zu bleiben. Wenn du keine leere hast, überspring diesen Test und achte bei der ersten Fahrt auf die Durchfahrt.

   Prüfe: Wenn er hakt, nimm den Zug heraus und drück die nach innen eingedrückte Windung von außen mit zwei Fingern, bis sie wieder rund ist.

9. Erste Fahrt Erwachsene

   Schieb den Zug mit der neuen Batterie in eine Tunnelöffnung und drück mit einem Holzbleistift nach, bis beide Magnete in der Spule sind. Lass los: Er muss in weniger als 1 Sekunde am anderen Ende herausschießen.

   Prüfe: Wenn er rückwärts herausfährt (dort, wo er hineinkam), dreh den ganzen Zug um und probier es erneut an derselben Öffnung.

10. Wenn er sich nicht bewegt Erwachsene

    Nimm den Zug heraus und dreh EINEN der beiden Magnete um. Wenn es dann immer noch nicht geht, tausch die Batterie gegen eine neue und prüfe mit dem Lineal erneut, dass sich keine Windungen berühren.

    Tipp: Die Ausrichtung ist alles. Mit beiden gleichen Polen nach außen addieren sich die beiden Kräfte.

11. Nimm den Zug immer heraus Erwachsene

    Nimm den Zug nach jeder Fahrt aus der Spule und trenne einen Magneten von der Batterie. Lass nach je 5 Fahrten 1 Minute abkühlen und fühl an der Batterie: Wenn sie heiß ist, warte.

Funktioniert es? Der Test

Stoppe mit einer neuen AAA-Batterie 5 Fahrten durch den 15-cm-Tunnel (vom Loslassen bis er herauskommt) und berechne die Geschwindigkeit = 0,15 m ÷ Zeit.

Was passieren soll: Der Zug durchquert die 15 cm in 0,3–1 s (0,15–0,5 m/s) und wird einige Zentimeter hinausgeschleudert. Wenn die Windungen zu eng liegen oder die Batterie leer ist, fährt er langsam oder bleibt im Tunnel stehen.

Wenn etwas nicht klappt

• Der Zug fährt hinein und bleibt stehen — Die Magnete sind so ausgerichtet, dass sie sich anziehen (verschiedene Pole nach außen): Die beiden Kräfte heben sich auf. Lösung: Dreh einen der Magnete um. Prüfe es am markierten Punkt: einer mit dem Punkt außen, der andere mit dem Punkt innen.
• Er fährt rückwärts heraus — Die Schubrichtung hängt davon ab, wohin der Zug zeigt (Ausrichtung der Magnete), und von der Wickelrichtung, nicht von der Öffnung, durch die er hineinfährt. Lösung: Dreh den ganzen Zug um und schieb ihn wieder in dieselbe Öffnung (oder schieb ihn, ohne ihn umzudrehen, in die andere Öffnung).
• Bei keiner Ausrichtung passiert etwas — Lackierter oder oxidierter Draht, Windungen, die sich berühren, oder leere Batterie. Lösung: Schleif ein Stück ab: Wenn Lack abgeht, tausch den Draht aus. Trenne die Windungen mit dem Abstandslineal und nimm eine neue Batterie.
• Er bleibt mitten im Tunnel hängen — Eine eingedrückte Windung oder der Tunnel ist zu eng für die Magnete. Lösung: Nimm den Zug heraus und runde die Windung, indem du sie von außen mit zwei Fingern drückst; wenn das Problem überall auftritt, wickle neu auf einer Wickelform von 15–16 mm.
• Er fährt sehr langsam — Abstand zu groß (wenige Windungen pro cm) oder schwache Magnete. Lösung: Schieb die Spule auf 2 mm Abstand zusammen oder nimm dickere Magnete (Ø 12 × 10 mm).
• Die Batterie wird sehr heiß — Sie ist über den Draht kurzgeschlossen, solange der Zug drin ist. Lösung: Nimm den Zug nach jeder Fahrt heraus; Pausen zwischen den Serien; lass den Zug nie stehend im Tunnel.

Sicherheit

• Neodym-Magnete: Sie klemmen kräftig und zersplittern, wenn sie aneinanderprallen. Trenne sie durch Wegschieben, nicht durch Ziehen. Wenn ein Kind zwei verschluckt, sofort in die Notaufnahme.
• Die Batterie arbeitet im Kurzschluss (1–3 A) und wird heiß: Lass den Zug nie in der Spule, nimm ihn nach jeder Fahrt heraus und verwende keine Lithium-Batterien, Akkus oder 9-V-Batterien.
• Die abgeschnittenen Drahtenden stechen: Biege sie mit der Zange zu einem kleinen Haken und richte sie immer von den Augen weg.
• Halte die Magnete fern von Handys, Bankkarten, Herzschrittmachern und Computern.
• Heiße oder aufgeblähte Batterie: Nimm sie heraus und bring sie zur Batteriesammelstelle.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Wenn der Zug in den Tunnel fährt, berühren die Magnete den Draht und der Strom der Batterie fließt durch die Kupferwindungen genau zwischen ihnen. Diese Windungen werden zu einem unsichtbaren Magneten, der einen Magneten wegschiebt und den anderen anzieht, beide in dieselbe Richtung. Weil sich der Zug bewegt, wandert das Drahtstück, das als Magnet wirkt, mit: Der Zug trägt seinen eigenen Schub immer mit sich herum, wie ein Surfer, der mit seiner Welle reitet.

Für Erwachsene

Die vernickelten Neodym-Magnete sind leitfähig und, da sie breiter als die Batterie sind, das Einzige, was die Spule berührt. Der Strom verlässt den Pluspol, fließt durch den vorderen Magneten, durchläuft die Windungen zwischen den beiden Magneten und kehrt über den hinteren Magneten zum Minuspol zurück. Dieser Spulenabschnitt verhält sich wie eine kurze Zylinderspule, die ein axiales Feld B ≈ μ₀·n·I erzeugt (mit n ≈ 400 Windungen/m und I ≈ 2 A etwa 1 mT). Die Magnete, mit gleichen Polen nach außen ausgerichtet, sitzen an den Enden dieser Spule, wo das Feld nicht homogen ist: Einer wird abgestoßen und der andere angezogen, und beide Kräfte zeigen in dieselbe Richtung. Wird ein Magnet umgedreht, wirken die Kräfte gegeneinander und heben sich auf. Da die aktive Spule immer der Abschnitt zwischen den Magneten ist, wandert sie mit dem Zug: Die Kraft wirkt ununterbrochen. Der Widerstand des Stromkreises ist sehr gering (einige zehn mΩ im Kupfer plus der Innenwiderstand der Batterie, ≈ 0,3–0,5 Ω), daher arbeitet die Batterie fast im Kurzschluss: Sie liefert 1–3 A und ist in wenigen Minuten leer. Berühren sich die Windungen, nimmt der Strom den direkten Weg und fließt nicht mehr in Windungen. Auch wenn oft von „Induktion“ die Rede ist, ist sie hier nicht das Wesentliche: Der Schub ist die Kraft eines Elektromagneten auf Dauermagnete (wobei die Bewegung durchaus Ströme induziert, die den Zug leicht bremsen).

• Zylinderspule (Solenoid): lange Drahtspule, die sich mit Strom wie ein Magnet verhält.
• Elektromagnet: Magnet, der nur funktioniert, solange elektrischer Strom fließt.
• Pol: jedes der beiden Enden eines Magneten (Nord und Süd).
• Kurzschluss: sehr leichter Weg für den Strom: Es fließt viel, die Batterie wird heiß und ist schnell leer.
• Leiter: Material, durch das Strom gut fließt, wie Kupfer oder das Nickel der Magnete.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Nicht empfohlen, außer als Vorführung: Der Erwachsene baut und montiert den Zug; die Kinder lassen ihn im Tunnel los und zählen, wie lange er braucht. Magnete immer in der Hand des Erwachsenen.
• 8–10 Jahre: Sie wickeln, ziehen auseinander und bereiten die Rinne vor; der Erwachsene setzt die Magnete an die Batterie. Sie sollen selbst herausfinden, was passiert, wenn man einen Magneten oder den ganzen Zug umdreht.
• 11–12 Jahre: Sie bauen alles unter Aufsicht, messen Geschwindigkeiten, vergleichen Windungsabstände und erklären mit einer Zeichnung, warum der Strom nur durch die Windungen zwischen den Magneten fließt.

In der Gruppe oder in der Klasse

Teams zu dritt, ein Zug pro Team (≈ 3–4 € für Magnete und Draht). Vorher: Draht in 3-m-Stücke schneiden, Magnete markieren und die Züge bauen (nur der Erwachsene handhabt sie), Abstandslineale und Rinnen drucken. Einheit von 50 min: 10 min Vorführung, 20 min Spulen, 20 min Rennen mit Zeitmessung. Halte 4–5 AAA-Ersatzbatterien und eine Schachtel für heiße Batterien bereit.

Challenges

• Bau einen Tunnel von 50 cm mit 10 m Draht und miss, ob der Zug die Geschwindigkeit hält.
• Biege die lange Spule zu einem Kreis mit 30 cm Durchmesser, damit der Zug Runden dreht (braucht etwa 20 m).
• Entwirf einen sehr leichten Waggon aus Fotokarton, den der Zug am Ausgang anschieben kann.
• Bau einen Bahnhof: eine Rampe am Tunnelausgang, die den Zug bremst, ohne dass er herunterfällt.

Weitere kostenlose Projekte

• Schwebende Büroklammer am Magneten
• Schwimmkompass mit Nadel
• Elektromagnet mit Schalter
• Bürstenloser Batterie-Magnet-Motor
• Spulenmotor mit Batterie

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