Schwimmkompass mit Nadel

Was das Kind lernt

• Dass man ein Stück Stahl in einen Magneten verwandeln kann, indem man es immer in dieselbe Richtung streicht, und dass es seinen Magnetismus verliert, wenn man hin und her reibt oder es erhitzt.
• Dass sich die Erde wie ein riesiger Magnet verhält und dass sich eine frei drehbare, magnetisierte Nadel nach ihrem Feld ausrichtet und nach Norden zeigt.
• Warum Wasser als fast reibungsfreies Lager dient und was mit dem Kompass passiert, wenn er am Schüsselrand reibt.
• Sich zu orientieren: Norden, Süden, Osten und Westen zu Hause oder auf dem Schulhof finden und Richtungen in Grad ablesen.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Windrose mit 100 % aus und prüfe, dass sie 124 mm Durchmesser hat.
• Schneide die 5–8 mm dicken Korkscheiben vor der Einheit ab (ein Erwachsener, mit Sägemesser auf einem Brett).
• Prüfe, ob die Nadel aus Stahl ist: Halte den Magneten daran; zieht er sie nicht an, taugt sie nicht.
• Wähle den Testplatz: Tisch aus Holz oder Kunststoff, weit weg von Heizkörpern, Lautsprechern, Kühlschränken und Handys.
• Finde mit dem Handykompass heraus, wo in diesem Raum Norden ist, und klebe einen Pfeil aus Malerkrepp auf den Tisch (zum Überprüfen am Ende).

Materialien und Werkzeuge

• Neodym-Magnet — 1 kaufen
  Scheibe Ø 10–20 mm (N35 oder stärker); ein starker Kühlschrank- oder Lautsprechermagnet geht auch
• Nähnadel — 1–2
  aus Stahl, 40–50 mm lang (Wollnadel oder dicke Nähnadel); nicht aus austenitischem Edelstahl oder Messing
• Korken — 1
  Weinkorken, Ø 22–25 mm, um eine 5–8 mm dicke Scheibe abzuschneiden
• Durchsichtige Schüssel — 1
  aus Glas oder Kunststoff, Ø 15–20 cm, ohne Metallteile
• Wasser — ≈ 0,5–1 l
  Leitungswasser, bis 1 cm unter den Schüsselrand
• Papier und Karton — 1 A4-Blatt + 1 Kartonquadrat 15 × 15 cm
  um die Windrose auszudrucken und auf Karton zu kleben
• Klebeband und roter Filzstift — 2 Streifen à 1 cm + 1 wasserfester Filzstift
  um die Nadel am Korken zu befestigen und die Nordspitze zu markieren
• Durchsichtige Klarsichthülle — 1
  um die Windrose vor Wasser zu schützen (oder laminieren)

Werkzeuge

• Sägemesser oder Cuttermesser — die Korkscheibe abschneiden Erwachsene
• Schere — Windrose und Styropor-Schwimmer ausschneiden
• Klebestift — die Windrose auf den Karton kleben
• Zange (nur wenn du den Korken durchstichst) — die Nadel durchdrücken, ohne sich zu stechen Erwachsene
• Handy mit Kompass — Norden überprüfen

Teile und Vorlagen

• A · Windrose ×1 — Papier, auf Karton geklebt
• B · Schwimmer (wenn du Styropor nimmst) ×1 — Styropor aus einer Schale (3–5 mm)
• C · Nadel ×1 — Nähnadel aus Stahl, 40–50 mm

Schritt für Schritt

1. Bereite die Windrose vor

   Schneide die Windrose mit Ø 124 mm aus, klebe sie mit dem Klebestift auf ein Kartonquadrat von 15 × 15 cm und steck sie in eine durchsichtige Klarsichthülle.

   Prüfe: Die Windrose liegt flach und das rote N ist gut lesbar.

2. Prüfe die Nadel

   Halte die Nadel an eine Büroklammer: Sie darf sie nicht anziehen (sie ist noch kein Magnet). Halte dann den Magneten an die Nadel: Er muss sie anziehen. So weißt du, dass sie aus Stahl ist.

   Prüfe: Zieht der Magnet die Nadel nicht an, tausche sie aus: Sie ist aus einem Metall, das nicht funktioniert.

3. Magnetisiere die Nadel

   Halte die Nadel am Öhr auf dem Tisch fest. Setz eine Seite des Magneten neben dem Öhr auf und zieh ihn ohne Druck bis zur Spitze. Heb den Magneten im Bogen ab, führ ihn durch die Luft zurück zum Öhr und wiederhole das 40-mal, immer in dieselbe Richtung und mit derselben Seite.

   Prüfe: Halte die Spitze an eine Büroklammer: Sie muss sie hochheben oder zumindest bewegen.
   Tipp: Zählt laut in Zehnerschritten. Reibe nie hin und her: Der zweite Strich macht den ersten wieder zunichte.

4. Schneide den Schwimmer zu Erwachsene

   Ein Erwachsener schneidet mit einem Sägemesser auf einem Brett eine 5–8 mm dicke Scheibe von einem Korken ab. Wenn du keinen Korken hast, schneide Scheibe B mit Ø 30 mm aus einer Styroporschale aus.

5. Befestige die Nadel am Schwimmer

   Leg die Nadel so auf die Scheibe, dass sie durch die Mitte läuft und auf beiden Seiten gleich weit übersteht. Befestige sie mit zwei 1 cm langen Klebebandstreifen, je einen links und rechts der Mitte.

   Prüfe: Leg die Scheibe mit der Nadel auf deine Fingerkuppe: Sie hält das Gleichgewicht, ohne zu einer Seite zu kippen.
   Tipp: Wenn du die Nadel lieber durch den Korken stechen willst, muss die Scheibe 8 mm dick sein, und der Erwachsene drückt die Nadel mit der Zange mittig durch den Rand.

6. Füll die Schüssel

   Stell die durchsichtige Schüssel mittig auf die Windrose und füll sie bis 1 cm unter den Rand mit Wasser. Mach das auf einem Holztisch und weit weg von Handys, Lautsprechern und Heizkörpern.

   Prüfe: Schau von der Seite: Das Wasser reicht fast bis zum Rand.

7. Lass den Kompass schwimmen

   Setz den Schwimmer mit der Nadel vorsichtig in der Mitte der Schüssel aufs Wasser. Nimm die Hände weg und warte 10–20 Sekunden, ohne den Tisch zu berühren.

   Prüfe: Die Nadel dreht sich ein wenig, pendelt und bleibt dann immer in derselben Richtung stehen.
   Tipp: Treibt sie zum Rand und bleibt dort hängen, schieb sie mit einem Zahnstocher wieder in die Mitte und lass sie sanft los: In einer breiten Schüssel (Ø 15–20 cm) dauert es, bis sie wieder am Rand ist, und sie hat Zeit, sich auszurichten.

8. Finde die Nordspitze

   Vergleiche mit dem Handykompass (oder mit dem Klebebandpfeil aus der Vorbereitung). Markiere die Nadelspitze, die nach Norden zeigt, mit rotem Filzstift.

   Prüfe: Dreh den Schwimmer mit dem Zahnstocher um eine halbe Umdrehung und lass ihn los: Er muss sich wieder mit der roten Spitze nach Norden ausrichten.

9. Richte die Windrose aus

   Dreh, ohne die Schüssel zu bewegen, den Karton mit der Windrose darunter, bis das rote N genau unter der roten Nadelspitze liegt. Jetzt kannst du Osten, Süden, Westen und alle Richtungen dazwischen ablesen.

10. Lies Richtungen ab

    Schau zur Tür, zum Fenster und zu anderen Punkten im Raum und schreib auf, in welcher Richtung sie liegen (zum Beispiel „das Fenster liegt im SO, bei 135°“), indem du die 5°-Markierungen der Windrose abliest.

    Prüfe: Tür und Fenster ergeben immer dieselbe Richtung, auch wenn du die Schüssel auf dem Tisch verschiebst (weit weg von Metall). Dreht sich die Windrose beim Verschieben mit, richte sie vor dem Ablesen wieder mit dem N unter der roten Spitze aus.

Funktioniert es? Der Test

Lass den Kompass dreimal hintereinander schwimmen, dreh ihn jedes Mal in eine andere Position und vergleiche die Endrichtung mit dem Handykompass.

Was passieren soll: Nach 10–20 s bleibt die Nadel stehen und zeigt immer zur selben Stelle, mit 5–10° Abweichung zum Handy. In Spanien liegen magnetischer und geografischer Norden fast gleich (0–2° Unterschied).

Wenn etwas nicht klappt

• Die Nadel richtet sich nicht aus: Sie bleibt, wo du sie hinlegst — Nadel zu schwach magnetisiert oder sie reibt am Schüsselrand. Lösung: Magnetisiere sie mit 40 weiteren Strichen (immer in dieselbe Richtung) und halte den Schwimmer vom Rand fern.
• Der Schwimmer treibt immer zum Rand — Der Meniskus: Am Rand steigt das Wasser ein wenig am Glas hoch, und der Schwimmer „fällt“ bergauf zu ihm hin (Cheerios-Effekt). Mehr Wasser einfüllen hilft nicht, solange das Wasser unter dem Rand bleibt. Lösung: Nimm eine breite Schüssel (Ø 20 cm) und setz den Schwimmer genau in die Mitte; nähert er sich dem Rand, schieb ihn mit einem Zahnstocher zurück. Tipp: Füllst du die Schüssel, bis sich das Wasser über den Rand wölbt (Schüssel auf einem Tablett), kehrt sich der Meniskus um und der Schwimmer bleibt in der Mitte.
• Er zeigt woanders hin als das Handy — In der Nähe ist Eisen (Tischbeine, Heizkörper, Lautsprecher) oder das Handy selbst lenkt die Nadel ab. Lösung: Teste auf einem Holztisch oder auf dem Boden und halte das Handy beim Vergleichen mindestens 30 cm entfernt.
• Der Schwimmer kippt um und die Nadel geht unter — Scheibe zu klein oder Nadel nicht mittig. Lösung: Nimm eine Scheibe mit Ø 25–30 mm und leg die Nadel mittig; Styropor ist stabiler als dünner Kork.
• Am nächsten Tag funktioniert es nicht mehr so gut — Die Nadel verliert ihren Magnetismus durch Stöße, Wärme oder wenn sie neben einem anderen Magneten lag. Lösung: Magnetisiere sie wieder mit 40 Strichen; bewahre sie fern von Magneten auf.
• Die Nordspitze hat die Seite gewechselt — Du hast sie mit der anderen Seite des Magneten oder in die Gegenrichtung neu magnetisiert. Lösung: Prüfe erneut mit dem Handy und korrigiere die rote Markierung.

Sicherheit

• Die Nadel sticht: Der Erwachsene gibt sie aus und sammelt sie wieder ein; nie in den Mund oder in die Hosentasche stecken.
• Die Korkscheibe schneidet ein Erwachsener mit einem Sägemesser auf einem Brett ab, vom Körper weg.
• Neodym-Magnete klemmen die Haut ein, wenn zwei zusammenschnappen, und sind beim Verschlucken sehr gefährlich: außer Reichweite von Kindern unter 3 Jahren.
• Halte den Magneten fern von Handy, Bankkarten und Herzschrittmachern.
• Wisch verschüttetes Wasser auf, damit niemand ausrutscht, und stell eine Glasschüssel auf eine stabile Unterlage.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

In der Nadel stecken unglaublich viele winzige Magnete, die alle in verschiedene Richtungen schauen, wie Kinder in der Pause. Wenn du sie immer gleich mit dem Magneten streichst, stellen sich alle in einer Reihe auf und schauen in dieselbe Richtung, wie beim Aufstellen in Formation: Die Nadel ist zu einem Magneten geworden. Die ganze Erde ist ein riesiger Magnet, und die Nadel will sich nach ihm ausrichten. Das Wasser lässt sie fast ohne Bremsen drehen, deshalb zeigt sie am Ende immer nach Norden.

Für Erwachsene

Der Stahl der Nadel ist ferromagnetisch: Er besteht aus zufällig ausgerichteten magnetischen Domänen, sodass seine Gesamtmagnetisierung fast null ist. Streicht man wiederholt mit einem Magneten in dieselbe Richtung darüber, wachsen die nach dem Magnetfeld ausgerichteten Domänen auf Kosten der anderen, und wegen der Hysterese von Kohlenstoffstahl bleibt ein Teil dieser Ausrichtung erhalten: Die Nadel ist magnetisiert (Remanenz). Hin- und Herreiben, Schläge oder Erhitzen bringen die Domänen wieder durcheinander. Das Erdmagnetfeld (≈ 45 µT in Spanien, mit einer Inklination von etwa 55° nach unten) übt auf das magnetische Moment der Nadel ein Drehmoment τ = m·B·sin θ aus, das sie nach der Horizontalkomponente des Feldes ausrichtet. Der Schwimmer hebt die Vertikalkomponente auf (die Nadel kann sich nicht neigen), und das Wasser wirkt als fast reibungsfreies Lager: Das Drehmoment ist zwar sehr klein, reicht aber zum Drehen aus. Nahe am Rand erzeugt der Meniskus ein Gefälle der Wasseroberfläche, das den Schwimmer zum Rand zieht (Cheerios-Effekt). Der Nordpol der Nadel zeigt zum geografischen Nordpol, wo in Wirklichkeit ein magnetischer Südpol liegt. Die magnetische Deklination auf der Iberischen Halbinsel beträgt heute 0–2°, magnetischer und geografischer Norden stimmen also fast überein. Der chinesische Wasserkompass (11.–12. Jahrhundert) nutzte genau dieses Prinzip.

• magnetisieren: ein Stück Eisen oder Stahl in einen Magneten verwandeln.
• Pol: jedes der beiden Enden eines Magneten, Nord und Süd, wo seine Kraft am größten ist.
• Erdmagnetfeld: die magnetische Kraft, die die ganze Erde umgibt.
• Windrose: Zeichnung mit den Himmelsrichtungen, mit der man Richtungen abliest.
• Kurs: die Richtung, in die du gehst, gemessen in Grad ab Norden.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene magnetisiert die Nadel und klebt sie auf den Schwimmer; das Kind zählt die Striche laut, setzt den Kompass ins Wasser und sucht mit dem Erwachsenen, was im Norden des Zimmers liegt. Im Mittelpunkt steht: „Sie kehrt immer an dieselbe Stelle zurück.“
• 8–10 Jahre: Sie machen alles außer dem Schneiden des Korkens. Lass sie die Magnetisierung mit einer Büroklammer prüfen, die Nordspitze mit dem Handy finden und die Windrose ausrichten.
• 11–12 Jahre: Lass sie Richtungen in Grad ablesen, an mehreren Orten mit dem Handy vergleichen und das Experiment zur Zahl der Striche mit Tabelle und Diagramm machen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Zu zweit, ein Kompass pro Paar (1 Magnet für zwei Paare reicht). Vorher: Windrosen drucken, Korkscheiben oder Styroporscheiben schneiden, Schüsseln mit Wasser auf Tische weit weg von Heizkörpern stellen und den echten Norden an der Tafel markieren. Einheit von 40 min: 10 min magnetisieren, 10 min zusammenbauen, 20 min überprüfen (alle Nadeln im Raum sollten gleich zeigen: Foto!). Sammle am Ende die Nadeln ein und zähle sie.

Challenges

• Bau einen Kompass, der ohne Wasser funktioniert: Häng die magnetisierte Nadel an einem Faden auf, der in ihrer Mitte festgebunden ist.
• Bau eine Kompassdose aus Karton mit durchsichtigem Deckel, um sie ohne Verschütten auf den Hof mitzunehmen.
• Organisiere eine Schatzsuche mit Hinweisen in Himmelsrichtungen („20 Schritte nach NO“).
• Magnetisiere zwei Nadeln und setz sie auf zwei Schwimmern in dieselbe Schüssel: Beobachte, was sie tun, und erkläre es.

Weitere kostenlose Projekte

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

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