Magnetkraft

In der Theorie heißt es so schön, die anziehende und abstoßende Magnetkraft wären gleich groß. Doch dass es vielleicht doch nicht so ist, wird sich schon jeder einmal gedacht haben, wenn er mit Magneten gespielt hat. Die abstoßende Kraft erscheint schon rein vom Gefühl her so, als wirke sie viel weiter.

Mit diesem kleinen Modell lassen sich die Magnetkräfte ganz leicht unter realen Bedingungen testen. Auf einem drehbar gelagerten Arm ist an jedem Ende ein Magnet angebracht, der mit einem zweiten feststehenden Magneten auf einer Seite anziehend und auf der anderen Seite abstoßend wirkt.

Das Modell wurde gemäß dieser Zeichnung gefertigt. Es besteht durchwegs aus Aluminium. Die Schrauben an den beiden Magnethaltern sollten unbedingt aus unmagnetischem Messing sein, um die Ausbreitung des Magnetfeldes nicht zu beeinträchtigen. Die Magnete sind aus Neodym (Durchm. 8mm, 5mm dick) und werden in die Bohrungen eingepresst. Bei zu lockerem Sitz wird das Aluminium vor dem Einpressen etwas verformt. Die Polung der Magnete muss natürlich so sein, das es auf einer Seite zur Anziehung und auf der anderen zur Abstoßung kommt.

Beobachtungen

Es ist doch sehr interessant, das von der Justierung der Magnete alles abhängt. Durch leichtes Verdrehen der Magnethalter kann der Abstand zum Arm hin verändert werden. Es lassen sich so ganz unterschiedliche Eigenschaften einstellen.

MPEG-Video 431kB Das Video zeigt deutlich, wie die Magnetkräfte wirken. Zuerst wird der Arm nur leicht angestoßen, sodass er von der Kraft der abstoßenden Magnete zurückgeworfen wird. Wenn man ihn entsprechend stärker anstößt, so überwindet er diese Barriere und bleibt mit einem deutlichen Klick in der Endstellung kleben. Wird er anschließend nur leicht von der anziehenden Kraft weggedrückt, so erhält er von der abstoßenden Kraft einen Anstoß und dreht sich weit weg.

Erklärungen

Der Effekt besteht eigentlich aus zwei einzelnen Effekten.
1. Warum bleibt der Arm überhaupt an den Magneten kleben ?
Das ist relativ leicht zu erklären. Die beiden abstoßend wirkenden Magnete schwächen sich gegenseitig umso stärker, je näher sie an einander kommen. Es kann sogar beobachtet werden, das nach dem Aufmagnetisieren (durch Stoßmagnetisierung) der Magnete die Abstoßung viel stärker ist. Wenn sich die Magnete dann einmal berührt haben, fehlt ihnen ein wenig Kraft.  Bei den abziehenden ist das gerade umgekehrt, sie stärken sich gegenseitig. So kommt es, dass eben die anziehende Kraft in Summe größer ist. Das gilt aber nur für einen relativ kleinen Abstand zwischen den Magneten.
2. Warum gibt es einen Bereich, wo man den Balken gegen die abstoßende Kraft drücken muss ?
Das kann zum Teil auf die geometrische Einstellung des Aufbaues zurückzuführen sein. Wenn die anziehende Seite etwas weiter entfernt ist, beginnt sie erst dann zu wirken, wenn die Abstoßung schon eingesetzt hat. Die Anziehung kann aber bei weiterer Annäherung dann trotzdem noch die Abstoßung überwinden.
Das könnte durch einen Sättigungseffekt im Magnetmaterial erklärt werden. Magnete können je nach Material nur bis zu einer gewissen Stärke magnetisiert werden. Darüber bringt ein Erhöhen der Feldstärke keinen Zuwachs an Flussdichte mehr. Im Falle der abstoßenden Magnete sinkt die Feldstärke und man gelangt nicht in diesen kritischen Bereich. Bei den anziehenden Magneten hingegen addieren sich die Feldstärken, aber die Flussdichte kann ihr nicht im gleichen Maß folgen. Um das zu bestätigen wäre ein Versuch mit Luftspulen sinnvoll, bei denen es keine Sättigung gibt.

Beide Effekte zusammen ergeben auf jeden Fall ein sehr interessantes Verhalten. Es entsteht eine Schwelle, über die man den Balken drücken muss, wenn man vorher loslässt, dann federt er sogar zurück. Das erweckt den Eindruck einer Asymmetrie in der Magnetkraft, was schon so manchen Erfinder zum Bau eines selbstlaufenden Magnetmotors angeregt haben soll.  

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