Elektromagnet mit Schalter

Was das Kind lernt

• Dass elektrischer Strom ein Magnetfeld um sich herum erzeugt und dass das Aufwickeln des Drahts zu Windungen dieses Feld bündelt.
• Dass ein Eisenkern dieses Feld um ein Hundertfaches verstärkt (die magnetischen Domänen des Eisens richten sich aus).
• Dass die Kraft des Elektromagneten von Windungen und Strom abhängt (Amperewindungen) und sich durch Zählen von Büroklammern messen lässt.
• Dass sich ein Elektromagnet ein- und ausschalten lässt, anders als ein Dauermagnet, und dass Stahl etwas magnetisiert bleiben kann.
• Dass ein Draht ohne Widerstand viel Strom zieht und warm wird: Deshalb verwenden wir einen Taster und kurze Tests.

Vorher vorbereiten

• Prüfe mit einem Kühlschrankmagneten, ob der Nagel aus Stahl ist: Haftet er nicht, such dir einen anderen.
• Drucke die Vorlagen bei 100 % aus und prüfe, dass der Sockel A 90 mm misst.
• Schneide pro Elektromagnet 3 m Draht ab und wickle ihn auf eine Papprolle, damit er sich nicht verheddert.
• Halte eine neue Flachbatterie bereit: Mit einer leeren hebt der Elektromagnet kaum 1–2 Büroklammern.
• Leg für die Tests 30 lose Büroklammern (nicht ineinander verhakt) auf einen Teller.

Materialien und Werkzeuge

• Kupferlackdraht — 3 m (4,5 m mehr, wenn du auch die Spulen mit 50 und 150 Windungen für das Experiment baust) kaufen
  Ø 0,5 mm (AWG 24), rötlicher oder durchsichtiger Lack
• Großer Stahlnagel — 1
  100 mm × 4–5 mm, normal oder verzinkt (ein Kühlschrankmagnet haftet daran)
• 4,5-V-Flachbatterie — 1 kaufen
  3LR12 Alkali, mit den beiden Kontaktfahnen
• Kleine Büroklammern aus Metall — 30
  28–33 mm, ohne Kunststoffüberzug, alle gleich (≈ 0,5 g pro Stück)
• Klebeband — 40 cm
  Packband oder Isolierband
• Alufolie aus der Küche — 1 Stück, 10 × 10 cm
  für die Kontakte des Tasters
• Wellpappe — 1 Stück, 20 × 15 cm
  3 mm, aus einem Versandkarton
• Feines Schleifpapier — 1 Stück, 5 × 5 cm
  Körnung 150–240
• Kühlschrankmagnet — 1
  nur, um zu prüfen, ob der Nagel aus Stahl ist

Werkzeuge

• Seitenschneider oder alte Schere — den Draht abschneiden
• Lineal — Drahtenden, Spule und Tasterteile messen
• Schere — Kartonteile und Alufolie zuschneiden
• Klebestift oder Bastelkleber (Weißleim) — die Lagen des Tasters zusammenkleben
• Filzstift — den Wickelbereich auf dem Nagel markieren

Teile und Vorlagen

• A · Tastersockel ×1 — Wellpappe 3 mm
• B · Tasterhebel ×1 — Wellpappe 3 mm
• C · Abstandhalter ×3 — Wellpappe 3 mm
• D · Alukontakte ×2 — Alufolie, 4-lagig gefaltet
• E · Wickelvorlage ×1 — Papier
• F · Spulendraht ×1 — Kupferlackdraht Ø 0,5 mm

Schritt für Schritt

1. Prüfe den Nagel

   Halte einen Kühlschrankmagneten an den 100-mm-Nagel. Haftet er, ist der Nagel geeignet. Leg den Nagel neben die Vorlage E und markiere mit Filzstift den Wickelbereich: 25 bis 55 mm ab dem Kopf.

   Prüfe: Der Magnet haftet kräftig und du hast zwei Markierungen im Abstand von 30 mm.

2. Befestige den Drahtanfang

   Lass 20 cm Draht frei und klebe diese Stelle mit einem 2 cm langen Stück Klebeband neben der ersten Markierung an den Nagel. Das ist Drahtende 1.

3. Erste Lage mit 50 Windungen

   Wickle den Draht fest, Windung an Windung und immer in dieselbe Richtung, von der ersten bis zur zweiten Markierung. Zähl laut mit: Auf die 30 mm passen etwa 50 Windungen.

   Tipp: Mach alle 10 Windungen einen Strich auf ein Blatt, damit du dich nicht verzählst.

4. Zweite Lage mit 50 Windungen

   Ohne abzuschneiden und ohne die Wickelrichtung zu ändern, wickelst du über der ersten Lage zurück, von der zweiten bis zur ersten Markierung, noch einmal 50 Windungen. So enden beide Drahtenden auf derselben Seite.

   Prüfe: Alle 100 Windungen laufen in dieselbe Richtung: Kehrst du die Richtung mittendrin um, hebt eine Lage die andere auf.

5. Sichere die Spule

   Schneide den Draht so ab, dass 20 cm als Drahtende 2 bleiben. Wickle eine Lage Klebeband um die Spule, damit sie sich nicht löst, und lass die beiden Drahtenden herausschauen.

6. Schleife die Drahtenden ab Erwachsene

   Schleife die letzten 2 cm jedes Drahtendes rundherum ab, indem du den Draht im gefalteten Schleifpapier zwischen den Fingern drehst, bis das Kupfer glänzt und nichts Rötliches mehr übrig ist.

   Prüfe: Kratz mit dem Fingernagel darüber: Blankes Kupfer zeigt keine Lackspuren.

7. Schneide die Tasterteile aus

   Schneide den Sockel A (90 × 60 mm), den Hebel B (85 × 20 mm), die 3 Abstandhalter C (20 × 20 mm) und zwei Rechtecke Alufolie von 60 × 32 mm aus. Falte jedes Alustück zweimal, um die Kontakte D von 30 × 16 mm zu erhalten.

8. Bau den unteren Kontakt

   Schneide eine 25 cm lange Brücke aus Lackdraht ab und schleife an jedem Ende 2 cm ab. Schieb ein Ende unter einen Kontakt D, sodass 1 cm Kupfer unter der Alufolie liegt, und klebe den Kontakt auf seinen Bereich auf Sockel A – nur an den Rändern mit Klebeband, die Alumitte bleibt frei.

   Prüfe: Das Kupfer ist zwischen Alufolie und Karton eingeklemmt, nicht lose.

9. Bau den Hebel

   Klebe die 3 Abstandhalter C aufeinander ans linke Ende des Sockels, zwischen seine beiden Linien (5 mm vom Rand). Setz den zweiten Kontakt D unter den Hebel B (von 50 bis 80 mm, seine markierte Linie), mit Drahtende 1 der Spule darunter, wie zuvor. Klebe die Fläche „KLEBEN“ des Hebels auf die Abstandhalter, sein Ende genau bündig mit dem der Abstandhalter.

   Prüfe: Ohne Druck liegen die beiden Alukontakte genau übereinander, etwa 9 mm voneinander entfernt; drückst du mit einem Finger, berühren sie sich.

10. Schließ die Batterie an Erwachsene

    Wickle das andere Ende der Brücke 3-mal um die kurze Kontaktfahne (+) der Flachbatterie und sichere es mit Klebeband. Wickle Drahtende 2 der Spule um die lange Kontaktfahne (−) und sichere es genauso. Jetzt schließt sich der Stromkreis nur, wenn du den Taster drückst.

11. Heb Büroklammern an

    Halte den Nagel mit einer Hand am Kopf und führe die Spitze zum Teller mit den Büroklammern. Drück mit der anderen Hand den Taster und heb den Nagel langsam an. Zähl die Büroklammern, die daran hängen.

    Prüfe: Mit gedrücktem Taster hebt er mehrere Büroklammern an; ohne Druck zieht er kaum eine an.

12. Loslassen und beobachten

    Lass den Taster los, während die Büroklammern über dem Teller hängen. Die Büroklammern fallen herunter. Bleiben 1 oder 2 hängen, ist das der Magnetismus, den der Stahl behält: Tipp mit dem Finger leicht gegen den Nagel.

13. Kurze Tests

    Halte den Taster nie länger als 10 Sekunden am Stück gedrückt und mach zwischen den Tests 30 Sekunden Pause. Fass alle paar Tests Batterie und Spule an: Sie dürfen höchstens lauwarm sein.

    Prüfe: Sind Spule oder Batterie heiß, mach 5 Minuten Pause, bevor du weitermachst.

Funktioniert es? Der Test

Drück mit neuer Flachbatterie den Taster, berühre den Teller mit den Büroklammern mit der Nagelspitze, heb ihn 10 cm an und zähl die hängenden Büroklammern. Wiederhole 3-mal und bilde den Mittelwert.

Was passieren soll: Mit 100 Windungen und 4,5 V hebt er meist 5 bis 15 Büroklammern (2–8 g), teils aneinanderhängend. Beim Loslassen des Tasters fallen fast alle in weniger als 1 s ab; bei einem Nagel aus hartem Stahl können 1–2 hängen bleiben.

Wenn etwas nicht klappt

• Er hebt keine einzige Büroklammer — Kein Strom: Lack nicht entfernt, loses Kupfer unter der Alufolie oder leere Batterie. Lösung: Schleife die Drahtenden erneut ab, sichere die Verbindungen mit mehr Klebeband und probier eine neue Batterie. Prüfe, ob sich die beiden Alukontakte beim Drücken berühren.
• Er hebt sehr wenige Büroklammern (1–2) — Zu wenige Windungen, 9-V-Batterie oder leere Batterie oder Windungen in entgegengesetzter Richtung, die sich aufheben. Lösung: Nimm die 4,5-V-Flachbatterie, prüfe, ob alle Windungen in dieselbe Richtung laufen, und wickle eine weitere Lage mit 50 Windungen.
• Er zieht Büroklammern an, auch ohne Drücken — Die Kontakte berühren sich von allein (Hebel hängt durch) oder der Nagel ist magnetisiert geblieben. Lösung: Füge einen weiteren Abstandhalter C hinzu. Ist der Nagel magnetisiert, schlag ihn ein paarmal auf den Tisch oder nimm einen anderen Nagel.
• Batterie und Spule werden sehr heiß — Stromkreis zu lange geschlossen: fast ein Kurzschluss mit 2–4 A. Lösung: Tests von höchstens 10 s und Pausen von 30 s. Wird es weiter schnell heiß, wickle mehr Windungen (mehr Draht = etwas mehr Widerstand).
• Die Büroklammern fallen beim Loslassen nicht ab — Remanenz: Der Stahl des Nagels (vor allem, wenn er hart ist oder eine Schraube) bleibt etwas magnetisiert. Lösung: Das ist normal und lässt sich untersuchen. Probier einen weicheren Nagel aus Weicheisen oder klopf auf den Nagel, um ihn zu entmagnetisieren.
• Er funktioniert nur zeitweise — Lockerer Kontakt an den Kontaktfahnen der Batterie oder am Taster. Lösung: Wickle das Kupfer 3-mal um die Kontaktfahne der Batterie und sichere die Kontakte mit Klebeband nur an den Rändern.

Sicherheit

• Verwende nie Strom aus der Steckdose und keine Auto- oder Handy-Akkus: nur kleine Batterien von 1,5 bis 9 V (empfohlen ist die 4,5-V-Flachbatterie; die 9-V-Batterie funktioniert schlechter und wird warm).
• Der fast kurzgeschlossene Draht wird warm: höchstens 10 Sekunden auf den Taster drücken, dann Pause. Fühlt sich etwas heiß an, trenn die Batterie ab.
• Drahtenden und Nagelspitze sind spitz: Zeig damit immer nach unten und bewahre den Nagel in einer Schachtel auf.
• Büroklammern und Reißzwecken sind Kleinteile: außer Reichweite von Kindern unter 3 Jahren aufbewahren.
• Trenn am Ende ein Kabel von der Batterie, damit sie sich nicht entlädt oder in einer Schachtel heiß wird.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Wenn Strom durch ein Kabel fließt, entsteht um das Kabel herum eine unsichtbare, ganz schwache magnetische Kraft. Wickeln wir das Kabel viele Male auf, addieren sich all diese Kräfte – wie wenn viele Kinder am selben Seil ziehen. Der Eisennagel ist voller winziger, durcheinanderliegender Magnete; die Spule richtet sie alle in dieselbe Richtung aus und der Nagel wird zu einem starken Magneten. Lässt du den Taster los, hört der Strom auf, die winzigen Magnete geraten wieder durcheinander und die Büroklammern fallen herunter.

Für Erwachsene

Ein Strom I in einer Zylinderspule mit N Windungen und der Länge ℓ erzeugt in ihrem Inneren ein Feld H = N·I/ℓ (Durchflutungsgesetz). Mit N = 100, ℓ = 30 mm und I ≈ 2–3 A ist H ≈ 7–10 kA/m: In Luft wären das nur ≈ 10 mT. Der ferromagnetische Stahlkern hat eine relative Permeabilität von einigen Hundert bis einigen Tausend: Seine magnetischen Domänen richten sich nach dem Feld aus und die Flussdichte im Kern steigt auf 0,5–1,5 T, nahe der Sättigung. Die Kraft auf die Büroklammern ist proportional zu B² und zum Feldgradienten, deshalb ist sie an der Spitze am größten. Entscheidend ist das Produkt N·I (Amperewindungen): Verdoppeln von Windungen oder Strom erhöht die Kraft, bis das Eisen gesättigt ist. Der Widerstand von 2 m Kupfer mit 0,5 mm beträgt nur ≈ 0,17 Ω, daher begrenzt der Innenwiderstand der Batterie den Strom (≈ 0,5–1 Ω bei einer Flachbatterie; ≈ 2 Ω bei einer 9-V-Batterie, die zudem wenig Kapazität hat): Fast die gesamte Energie wird als Wärme abgegeben, daher der Taster und die kurzen Tests. Wird der Strom abgeschaltet, behält der Stahl eine Restmagnetisierung (Remanenz), die von seiner magnetischen Härte (Koerzitivfeldstärke) abhängt: Weicheisen verliert sie fast ganz; harte Stähle und gehärtete Schrauben bleiben magnetisiert. Umdrehen der Batterie vertauscht die Pole (Rechte-Hand-Regel).

• Elektromagnet: Magnet, der nur funktioniert, solange Strom durch seine Spule fließt.
• Kern: Eisenstück in der Spule, das den Magnetismus vervielfacht.
• Windung: jede einzelne Drahtschleife.
• Pol: jedes Ende eines Magneten, wo seine Kraft am größten ist (Nord und Süd).
• Remanenz: Magnetismus, der im Eisen bleibt, wenn kein Strom mehr fließt.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene wickelt oder hilft beim Wickeln, schleift und schließt an. Das Kind baut den Taster mit Klebeband und Alufolie, drückt und zählt Büroklammern. Botschaft: „Drücken = Magnet; loslassen = kein Magnet“.
• 8–10 Jahre: Sie wickeln die 100 Windungen und zählen laut mit, bauen den Taster und machen das Experiment 50 gegen 100 Windungen. Der Erwachsene prüft die Anschlüsse an der Batterie.
• 11–12 Jahre: Sie bauen drei Spulen, messen und zeichnen das Diagramm. Challenge: die Amperewindungen bei angenommenen 2 A berechnen und erklären, warum die 9-V-Batterie schlechter funktioniert als die Flachbatterie.

In der Gruppe oder in der Klasse

Paare, ein Elektromagnet pro Paar; die Flachbatterien können sich zwei Paare teilen. Vorher: pro Paar 3 m Draht abschneiden, die Nägel mit einem Magneten prüfen und die Tasterteile vorschneiden. Einheit von 50 min: 5 min Vorführung, 25 min Bauen, 20 min Hebewettbewerb mit gemeinsamer Tabelle an der Tafel (Windungen, Batterie, Büroklammern). Halte 3–4 Ersatzbatterien bereit und einen Erwachsenen, der darauf achtet, dass niemand den Taster gedrückt hält.

Challenges

• Bau einen Mini-Kran aus Karton, der Büroklammern von einem Haufen aufnimmt und in einer 15 cm entfernten Schachtel ablädt.
• Schaffe es, mit derselben Batterie 20 Büroklammern anzuheben, indem du nur die Windungszahl oder den Kern änderst.
• Bau einen Hufeisen-Elektromagneten (zwei Spulen auf einem gebogenen Bolzen oder auf zwei Nägeln, deren Köpfe mit einem Blechstreifen verbunden sind) und vergleiche.
• Trenne Büroklammern aus Stahl von beigemischten Kupferklammern oder Kunststoffknöpfen: dein Elektromagnet als Schrottsortierer.

Weitere kostenlose Projekte

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

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