Maiks
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Wie es begann...

In der Schule bekommt man von den Lehrern beigebracht, dass das Magnetfeld eines Helmholtzspulenpaares homogen sei, solange man brav in der Mitte bliebe. Das glauben auch alle und niemand stellt es infrage. Im Rahmen meiner Facharbeit wollte ich es dann aber doch genauer wissen und habe so einen Versuch entwickelt, mit dem ich (manuell) an zahlreichen Positionen zwischen den beiden Spulenringen die Magnetflussdichte gemessen habe und diese so räumlich darstellen konnte.

Im Februar 2013 habe ich mit einer weiterentwickelten Version mit Titel "Räumliche Analyse von Magnetfeldern mit CASSY®" am Wettbewerb Jugend forscht teilgenommen. Ich selbst wäre wahrscheinlich gar nicht auf die Idee gekommen, dort teilzunehmen, aber glücklicherweise gibt es nette Lehrer mit großer Motivationsfähigkeit, die mich dazu bewegten, die Arbeit an meiner Facharbeit fortzusetzen und "JuFo-reif" zu machen.

Das Projekt

Versuchsaufbau für die FacharbeitTrotz großer Messungenauigkeiten und eines enormen Zeitaufwands schaffte ich es in meiner Facharbeit, mir mit einem selbst entwickelten Versuchsaufbau im wahrsten Sinne des Wortes ein Bild vom Magnetfeld zu machen. Letzteres - ebenso wie die Messung - mithilfe eines eigens dafür entwickelten Programmes, des Spulentomografen. Dazu kam in der Facharbeit natürlich noch eine gute Portion Physik und etwas Informatik.

Im Fazit der Facharbeit habe ich damals geschrieben, dass die Messgenauigkeit unbedingt verbessert werden muss und dass auch bessere Darstellungsmöglichkeiten für das Magnetfeld (damals waren nur Querschnitte möglich) sehr sinnvoll wären.

Für Jugend forscht habe ich den Versuchsaufbau komplett neu gestaltet. Mithilfe von Fischertechnik konnte ich die Genauigkeit erhöhen und gleichzeitig Motoren einbauen, sodass die Messung nun vollautomatisch ablaufen konnte. Zudem habe ich meine Software verbessert, sodass diese nicht nur die Messwerte aufnimmt und die Motoren steuert, sondern auch dreidimensionale Darstellungen der gewonnenen Daten ermöglicht. Aus dem alten, großen Aufbau der Facharbeit wurde ein wesentlich kompakteres, besseres Modell.

Aufbau für Jugend forscht mit Sensoren

Jugend forscht-Aufbau ohne Sensoren

Mit aufgesteckten Sensoren, den zwei Sensor-CASSYs und dem mittlerweile für die Motoren benötigten Power-CASSY sieht der Aufbau (links) dann allerdings schon etwas weniger kompakt aus (rechts).

Das Versuchsprinzip ist stets das gleiche: Ich durchfuhr (automatisch) das Magnetfeld entlang aller Achsen in Abständen von 5 Millimetern (mit dem alten Aufbau aus Zeit- und Motivationsgründen 2 bis 4 Zentimeter), nebenbei wurden die Position der Hallsonde und die Magnetflussdichte gemessen.

Anschließend wurden alle Magnetflussdichte-Position-Paare in ein dreidimensionales Raster eingeordnet. Aufgrund der Messung in bestimmten räumlichen Abständen war der größte Teil des Rasters dann jedoch leer. Dies wurde behoben, indem für die Bereiche "zwischen" zwei Messwerten angenommen wurde, dass das Magnetfeld sich linear verhält. So konnten die fehlenden Werte einfach über eine lineare Funktion interpoliert werden. Das stimmt natürlich nicht, aber bei diesen kleinen Abständen kann man diese Näherung durchaus vertreten. So entsteht also eine vollständige, dreidimensionale Aufnahme des Magnetfeldes.

Spulentomograf

Der bereits erwähnte Spulentomograf, den ich für Jugend forscht zur Version 2.1 weiterentwickelte, bot - im Gegensatz zur Version 1.0 für die Facharbeit - eine recht einfache Benutzeroberfläche, Funktionen wie eine Anzeige der Restzeit für eine Messung und - wie gesagt - Möglichkeiten für die dreidimensionale Darstellung der Magnetfelder. Dazu wurde jeder Magnetflussdichte eine Farbe zugeordnet. Mithilfe von Querschnitten konnten die verschiedenen ausgemessenen Magnetfelder (neben einem Helmholtzspulenpaar untersuchte ich unter anderem auch einen Hufeisenmagneten und einen Neodymmagneten) untersucht werden.

Der Strich in der dreidimensionalen Darstellung markiert die Schnittebene, was besonders sinnvoll ist, wenn man Grenzen für die Magnetflussdichte einstellt. Dann ist die Darstellung nämlich nicht mehr quaderförmig, sodass man die Schnittebene auch besser erkennt und sie wirklich bei der Orientierung hilft.

Ergebnisse und der Wettbewerb

Die Ergebnisse der Experimente sind nicht besonders überraschend, das Magnetfeld von Helmholtzspulen ist noch immer homogen, oder - wie die Hildesheimer Allgemeine schrieb: "Und siehe da - die Theorie stimmt" Aber auf jeden Fall sind ziemlich anschauliche Darstellungen der Magnetfelder entstanden, was jedem Schüler mehr bringt als die bloße Aussage, dass Magnetfelder in Helmholtzspulen homogen seien.

Das war aber nicht alles. Die Jury beim Regionalwettbewerb in Hildesheim befand die Apparatur als gut und so wurde ich erster in der Physik-Sparte und durfte weiter zum Landeswettbewerb nach Clausthal-Zellerfeld. Dort lernte ich nicht nur viele nette Menschen kennen und sah andere wirklich fantastische Projekte, sondern nahm auch gleich noch den zweiten Platz in der Physik-Sparte mit - also ein voller Erfolg! Meine Hoffnungen, weiterzukommen, waren äußerst klein (ich war schon begeistert, dass ich es überhaupt nach Clausthal geschafft hatte), mit einem zweiten Platz hätte ich aber auch nicht gerechnet. Meine Eltern, Lehrer und ich haben uns wirklich sehr gefreut!

Jetzt war es an der Zeit, das ganze Projekt und die ganze Idee einfach abzuschließen. Natürlich hätte ich es noch verbessern können, um im nächsten Jahr erneut anzutreten, aber ich hatte mich nun schon über ein Jahr lang damit beschäftigt und irgendwann ist dann - Forschergeist hin oder her - einfach genug. Außerdem musste ich mich jetzt vorallem auf das Abitur konzentrieren.