Schwebende Büroklammer am Magneten

Was das Kind lernt

• Dass ein Magnet Stahl aus der Entfernung anzieht, ohne ihn zu berühren, und dass diese Kraft beim Annähern enorm wächst (wenige Millimeter ändern alles).
• Was ein Kräftegleichgewicht ist: Die Büroklammer hält still, weil die Anziehung nach oben so groß ist wie das Gewicht plus die Fadenspannung nach unten.
• Dass das Magnetfeld Papier, Kunststoff, Aluminium oder Holz durchdringt, aber von Stahlblech abgelenkt oder blockiert wird (und von 1-, 2- und 5-Cent-Münzen, die aus verkupfertem Stahl sind).
• Ein Maß millimetergenau einzustellen und den größten Abstand mit einem Lineal zu messen.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlagen mit 100 % und prüfe mit einem Lineal die rote 50-mm-Linie im Kopf des Blatts.
• Bewahre den Neodym-Magneten bis zum Gebrauch in seiner Verpackung oder an einem Blech haftend auf; nie in der Hosentasche zusammen mit einem anderen Magneten.
• Teste den Magneten vorher: Nähere ihn einer Büroklammer, die auf dem Tisch liegt, und miss, aus welchem Abstand sie hochspringt. Springt sie erst bei weniger als 5 mm, ist der Magnet für dieses Projekt zu schwach.
• Schneide Sockel und Pfosten mit dem Cuttermesser vor, wenn die Kinder jünger als 8 Jahre sind.
• Leg Papierstreifen, Alufolie, eine 1-Cent-Münze, eine 10-Cent-Münze und einen Dosendeckel für die Experimente bereit.

Materialien und Werkzeuge

• Neodym-Magnet — 1 kaufen
  Scheibe Ø 15–20 mm × 5 mm, Güte N35 oder stärker (zieht eine Büroklammer aus 15–25 mm an)
• Metall-Büroklammer — 2–3
  normale Büroklammer aus Stahl, 28–33 mm (bunt beschichtete gehen auch)
• Nähgarn — 1 Stück, 30 cm
  dünnes Garn aus Baumwolle oder Polyester, dunkel, damit man es auf Fotos sieht
• Dicke Wellpappe — 1 Bogen 30 × 40 cm
  einwellig, 3–4 mm (Versandkarton), eben und ohne Knicke
• Klebemasse — 1 Kügelchen von 1 cm
  z. B. Blu-Tack oder Pritt Multi-Tack, um den Faden verstellbar festzuhalten
• Klebeband — 30 cm
  durchsichtig oder Malerkrepp
• Bastelkleber oder Heißklebesticks — ein paar Tropfen / 1 Stick
  zum Kleben von Lagen, Pfosten, Arm und Magnet

Werkzeuge

• Metalllineal und Bleistift — Teile anzeichnen und den Abstand messen
• Cuttermesser und Schneidematte — die dicke Pappe schneiden Erwachsene
• Schere — Vorlagen und Faden schneiden
• Leerer Kugelschreiber — die Falzlinien des Pfostens rillen
• Heißklebepistole (optional) — Pfosten und Magnet schnell ankleben Erwachsene

Teile und Vorlagen

• A · Sockel (2 Lagen) ×2 — Wellpappe 3–4 mm
• B · Dreieckiger Pfosten ×1 — Wellpappe 3 mm
• C · Arm (2 Lagen) ×2 — Wellpappe 3 mm
• D · Stützwinkel des Pfostens ×2 — Wellpappe 3 mm
• E · Faden ×1 — Nähgarn

Schritt für Schritt

1. Teste den Magneten

   Leg eine Büroklammer auf den Tisch und nähere den Magneten langsam von oben, mit einem senkrecht stehenden Lineal daneben. Notiere, in welcher Höhe die Büroklammer zum Magneten springt: Bei einem Neodym-Magneten mit Ø 20 × 5 mm springt sie meist bei 15–25 mm.

   Prüfe: Springt sie erst bei weniger als 5 mm, besorg dir einen stärkeren Magneten, bevor du weitermachst.
   Tipp: Diese Zahl ist deine „Reichweite“: Die Büroklammer kann in etwas weniger als diesem Abstand schweben.

2. Schneide und klebe den Sockel Erwachsene

   Schneide die beiden Teile A mit 120 × 180 mm aus. Klebe sie mit Bastelkleber und gekreuzten Wellen aufeinander und leg 10 Minuten lang ein paar Bücher darauf, damit sie flach bleiben.

   Prüfe: Der Sockel wackelt auf dem Tisch an keiner Ecke.

3. Falte den Pfosten

   Schneide Teil B mit 100 × 200 mm aus. Rille die drei Falzlinien (bei 30, 60 und 90 mm) mit dem leeren Kugelschreiber am Lineal entlang und falte sie. Schließe ein Dreiecksprisma, indem du die 10-mm-Klebelasche innen an Seite 1 klebst.

   Prüfe: Von oben gesehen ist es ein Dreieck mit 30 mm Seitenlänge und verdreht sich nicht, wenn man draufdrückt.

4. Klebe den Pfosten auf den Sockel Erwachsene

   Gib Kleber oder Heißkleber auf die Unterseite des Prismas und klebe es auf den dreieckigen Umriss auf Teil A, mit Seite 1 nach VORN. Verstärke es mit den beiden Stützwinkeln D, einem vorn und einem hinten. Hinten bleiben nur 17 mm zwischen der Spitze des Pfostens und dem Sockelrand: Schneide den hinteren Stützwinkel vor dem Ankleben an der Schnittlinie bei 15 mm ab, damit er nicht übersteht.

   Prüfe: Mit einem Geodreieck geprüft steht der Pfosten in beiden Richtungen senkrecht.

5. Bereite den Arm vor

   Schneide die beiden Teile C mit 30 × 170 mm aus, klebe sie im 130-mm-Abschnitt zusammen (die Laschen nicht) und rille die Falzlinie bei 130 mm. Knick die beiden 40-mm-Laschen um 90° nach unten.

6. Montiere den Arm Erwachsene

   Leg den mit „auf Pfosten“ markierten Abschnitt oben auf das Prisma, den Arm nach vorn und die 104-mm-Linie genau über der Vorderseite. Klebe diesen Teil mit Kleber oder Heißkleber fest, spreize die beiden Laschen V-förmig und klebe jede auf eine hintere Seite des Pfostens.

   Prüfe: Der Arm liegt waagerecht: Eine daraufgelegte Murmel rollt nicht. Die Armspitze ragt 104 mm über die Vorderseite des Pfostens hinaus (die Mitte des Magneten bei 92 mm).

7. Klebe den Magneten an Erwachsene

   Gib einen Tropfen Heißkleber oder Kleber auf das markierte Kreuz unter der Armspitze (12 mm vom Ende) und klebe den Magneten flach an. Klebe zusätzlich einen Streifen Klebeband über Kreuz darüber, damit er nie herunterfällt.

   Prüfe: Miss vom Sockel bis zur Unterseite des Magneten: etwa 195 mm.
   Tipp: Bei einem Neodym-Magneten halte Büroklammern und Scheren fern, während der Kleber trocknet: Er zieht sie an und reißt sich los.

8. Binde den Faden an die Büroklammer

   Schneide 300 mm Faden ab und binde ihn mit zwei Knoten hintereinander an eine der Endschlaufen der Büroklammer. Schneide das überstehende Ende 5 mm hinter dem Knoten ab.

   Prüfe: Lass die Büroklammer am Faden hängen: Sie muss senkrecht hängen, in einer Linie mit dem Faden.

9. Bring die Klebemasse auf den Sockel

   Forme ein 1-cm-Kügelchen aus Klebemasse und drück es auf das Befestigungskreuz des Sockels, genau unter dem Magneten (45 mm von der Vorderkante, mittig).

   Prüfe: Schau von oben: Die Klebemasse liegt senkrecht unter dem Magneten. Sonst schwebt die Büroklammer schräg.

10. Häng die Büroklammer an den Magneten

    Halte das freie Ende des Fadens fest und führe die Büroklammer zum Magneten, bis sie daran haftet. Lass den Faden gerade bis zur Klebemasse herunterhängen.

11. Stelle den Abstand ein

    Leg den Faden unter die Klebemasse und zieh ihn Millimeter für Millimeter nach unten, bis sich die Büroklammer vom Magneten löst und 3–5 mm darunter schwebt. Drück die Klebemasse mit dem Finger fest, um den Faden zu fixieren.

    Prüfe: Puste sanft: Die Büroklammer schwingt, kehrt aber an ihren Platz zurück, ohne haften zu bleiben oder herunterzufallen.
    Tipp: Fällt die Büroklammer beim Ziehen herunter, hast du zu fest gezogen: Gib etwas Faden nach und führe sie wieder näher heran.

12. Finde den größten Abstand

    Vergrößere den Abstand in 1-mm-Schritten, bis die Büroklammer herunterfällt. Geh zurück zum letzten Abstand, bei dem sie schwebte, und fixiere ihn endgültig mit einem Stück Klebeband über dem Faden, neben der Klebemasse.

    Prüfe: Miss den Abstand mit einem Lineal und notiere ihn: mit Neodym N35 Ø 20 mm zwischen 8 und 15 mm.

13. Mach den Papiertest

    Führe einen 3 cm breiten Papierstreifen durch den Spalt zwischen Büroklammer und Magnet, ohne eines von beiden zu berühren. Wiederhole es mit Kunststoff, Alufolie und einem Dosendeckel.

    Prüfe: Bei Papier, Kunststoff und Aluminium schwebt die Büroklammer weiter; beim Stahldeckel fällt sie herunter.

Funktioniert es? Der Test

Lass den Ständer mit eingestelltem Abstand 5 Minuten ruhig auf dem Tisch stehen und führe dann Papier, Alufolie, eine 10-Cent-Münze und eine 1-Cent-Münze durch den Spalt.

Was passieren soll: Die Büroklammer schwebt stundenlang ruhig 8–15 mm unter dem Magneten (Neodym Ø 20 × 5 mm). Papier, Kunststoff, Aluminium und die 10-Cent-Münze stören nicht; die 1-Cent-Münze und der Dosendeckel (Stahl) lenken das Feld ab, und die Büroklammer fällt herunter oder springt zu ihnen.

Wenn etwas nicht klappt

• Die Büroklammer klebt am Magneten und lässt sich nicht mit Abstand lösen — Abstand zu klein: Bei 1–2 mm ist die Anziehung enorm. Lösung: Zieh entschlossen am Faden, bis sie 5 mm Abstand hat, und stell dann nach und nach nach oben ein, nicht umgekehrt.
• Die Büroklammer fällt herunter, sobald du sie loslässt — Abstand größer als die Reichweite des Magneten oder schwacher Magnet (Ferrit, Kühlschrank). Lösung: Verkürze den Abstand um 2 mm oder nimm einen Neodym-Magneten mit Ø 15–20 mm.
• Die Büroklammer schwebt schräg und zieht zum Pfosten — Die Klebemasse liegt nicht senkrecht unter dem Magneten oder es ist Stahl in der Nähe (Schrauben des Tischs, Schere). Lösung: Verschieb die Klebemasse, bis der Faden senkrecht hängt, und entferne Metallgegenstände.
• Der Abstand verändert sich mit der Zeit von selbst — Der Arm biegt sich durch oder der Faden rutscht unter der Klebemasse. Lösung: Nimm den zweilagigen Arm mit Wellen in Längsrichtung und sichere den Faden mit Klebeband über der Klebemasse.
• Der Magnet löst sich vom Arm — Der Magnet zieht die Büroklammer an und das Klebeband allein gibt unter dem Gewicht nach. Lösung: Klebe ihn mit Heißkleber oder Alleskleber an und klebe zusätzlich das Klebeband über Kreuz darüber.
• Die Büroklammer dreht sich und hängt seitlich — Der Faden ist in der Mitte der Büroklammer festgebunden. Lösung: Binde ihn an eine der Endschlaufen, damit die Büroklammer in einer Linie mit dem Faden hängt.

Sicherheit

• Neodym-Magnete klemmen die Haut kräftig ein, wenn zwei zusammenkommen: Handhabe sie einzeln und nie zwischen den Fingern.
• Wenn ein Kind zwei Magnete verschluckt (oder einen Magneten und ein Stahlteil), ziehen sie sich im Darm an und können ihn durchbohren: sofort in die Notaufnahme. Außer Reichweite von Kindern unter 3 Jahren.
• Halte den Magneten mehr als 10 cm von Handys, Bankkarten, mechanischen Uhren und Herzschrittmachern fern.
• Das Cuttermesser benutzt ein Erwachsener mit Metalllineal und Schneidematte.
• Heißkleber verbrennt: Der Erwachsene trägt ihn auf, das Kind zeigt, wohin.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Der Magnet hat unsichtbare Arme, die die Büroklammer nach oben ziehen, obwohl er sie nicht berührt. Der Faden ist wie eine Leine, die nach unten zieht. Wenn beide gleich stark ziehen, wie zwei gleich starke Kinder beim Tauziehen, bleibt die Büroklammer in der Mitte still. Diese unsichtbaren Arme gehen durch Papier, als wäre es gar nicht da, aber ein Eisenblech „frisst“ sie auf und die Büroklammer fällt herunter.

Für Erwachsene

Der Magnet erzeugt ein Magnetfeld, das den Stahl der Büroklammer vorübergehend magnetisiert (ferromagnetisches Material): Ihre Domänen richten sich aus und gegenüber dem Magneten entsteht ein entgegengesetzter Pol, daher die Anziehung. Die Kraft nimmt mit dem Abstand sehr schnell ab (etwa mit der 4. Potenz des Abstands für einen Dipol gegenüber einem weichmagnetischen Material bei Abständen, die größer sind als der Magnet), deshalb entscheiden wenige Millimeter zwischen Haften und Herunterfallen. Im Gleichgewicht gilt: F magnetisch = Gewicht der Büroklammer (≈ 0,5 g → 0,005 N) + Fadenspannung. Das Gleichgewicht ist nur dank des Fadens stabil: Steigt die Büroklammer, wächst die Anziehung, aber der Faden hält sie zurück; sinkt sie, nehmen Anziehung und Spannung ab. Ohne Faden gibt es mit Dauermagneten kein stabiles statisches Schweben (Earnshaw-Theorem). Nicht ferromagnetische Materialien (Papier, Kunststoff, Aluminium, Kupfer, die Legierung „Nordisches Gold“ der 10-, 20- und 50-Cent-Münzen) sind für das Feld praktisch durchlässig; Stahl (Dosendeckel, 1-, 2- und 5-Cent-Münzen, die aus kupferbeschichtetem Stahl sind) leitet die Feldlinien durch sein Inneres und „schirmt“ die Büroklammer ab.

• Magnetfeld: Bereich um einen Magneten, in dem seine Kräfte wirken.
• ferromagnetisch: Material wie Eisen oder Stahl, das ein Magnet anzieht und das magnetisiert werden kann.
• Gleichgewicht: Zustand, in dem sich die Kräfte ausgleichen und der Gegenstand still bleibt.
• Spannung: Kraft, mit der ein gespannter Faden oder eine Schnur zieht.
• abschirmen: ein Feld mit einem Material blockieren oder ablenken, das es aufnimmt.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene baut den Ständer und klebt den Magneten an. Das Kind bindet die Büroklammer an (mit Hilfe beim Knoten), führt sie zum Magneten und zieht am Faden, bis sie schwebt. Lieblingsspiel: Papierschnipsel durch den Spalt führen, „ohne den Zauber zu brechen“.
• 8–10 Jahre: Sie bauen alles selbst, nur beim Cuttermesser mit Hilfe. Sie sollen den größten Abstand messen und die Materialtabelle anlegen, mit einer Vorhersage vor jedem Test.
• 11–12 Jahre: Sie sollen Magnete vergleichen, ein Diagramm Abstand–Anzahl der Büroklammern zeichnen und mit einer Kräfteskizze erklären, warum das Gleichgewicht nur dank des Fadens stabil ist.

In der Gruppe oder in der Klasse

Paare, ein Ständer pro Paar (≈ 1,5 € für den Magneten). Vor der Einheit: Sockel, Pfosten und Arme vorschneiden und einen Magneten pro Paar in seiner Verpackung bereithalten. Einheit von 45 min: 5 min Vorführung, 20 min Bauen, 20 min Materialstation (eine Schachtel mit Papier, Alufolie, Münzen, Dosendeckeln) und Wettbewerb um den größten Abstand. Sammle am Ende die Magnete ein und zähle sie.

Challenges

• Lass die Büroklammer mit um 30° geneigtem Faden schweben, indem du die Klebemasse nach vorn verschiebst.
• Bau eine „Kette schwebender Büroklammern“: drei Klammern hintereinander, ohne den Magneten zu berühren.
• Lass eine Büroklammer mitten in einer Kartonfigur (einer Rakete, einem Ballon) schweben, mit unsichtbarer Angelschnur.
• Finde zu Hause 5 Gegenstände, die die Büroklammer fallen lassen, und 5, die es nicht tun, und erkläre, was sie gemeinsam haben.

Weitere kostenlose Projekte

• Schwimmkompass mit Nadel
• Elektromagnet mit Schalter
• Batterie-Magnet-Zug
• Bürstenloser Batterie-Magnet-Motor
• Spulenmotor mit Batterie

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