-
Die Erfindung betrifft ein Magnetelement sowie einen Apparat zur Vorführung
magnetischer Erscheinungen, z. B. magnetischer Kraftlinien, des induzierten Magnetismus
und der magnetischen Sättigung.
-
Ein bekanntes Verfahren zum Darstellen der magnetischen Kraftlinien
besteht darin, magnetische Partikel, z. B. Feilspäne auf ein Blatt Papier zu streuen,
einen Magnet unter das Papier zu bringen und das Blatt zu klopfen. Die Teilchen
werden dann durch das Magnetfeld des Magneten magnetisiert und verbinden sich entlang
Linien, die im wesentlichen die magnetischen Kraftlinien darstellen.
-
Die magnetischen Teilchen neigen jedoch dazu, aneinander kleben zu
bleiben und bewegen sich nicht frei über das Blatt, wenn sich das Magnetfeld ändert.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein magnetisches Element sowie einen
mit solchen Elementen arbeitenden Apparat zu schaffen, die diese Mängel nicht aufweisen.
Insbesondere wird eine möglichst freie Beweglichkeit der magnetischen Elemente angestrebt,
so daß sich diese den wechselnden magnetischen Bedingungen unbehindert und ohne
Verzögerung anpassen können und dadurch eine einwandfreie Darstellung der magnetischen
Vorgänge ermöglichen.
-
Die Erfindung besteht demgemäß zu einem wesentlichen Teil darin. daß
das Magnetelement aus einem zylindrischen Stäbchen mit einem ferromagnetischen Kern
hoher oder niedriger Remanenz besteht, dessen Enden freiliegen und dessen zylindrische
Oberfläche mit einer Schicht aus nichtmagnetischem Material belegt ist.
-
Durch den Belag aus nichtmagnetischem Material zeigen benachbarte
Elemente wenig Neigung dazu. sich zu verkleben und magnetisch neutral zu werden.
Diese Neigung wird verkleinert, weil die Pole benachbarter magnetischer Elemente
infolge der nichtmagnetischen Beschichtung normalerweise weiter voneinander abstehen.
als es sonst der Fall wäre. Auch eignet sich die Form der erfindungsgemäßen magnetischen
Elemente besser zum Vorführen magnetischer Erscheinungen, wie beispielsweise magnetischer
Kraftlinien, als Eisenfeilspäne oder ähnliche Teilchen.
-
Damit die magnetischen Elemente ihre Aufgabe gut erfüllen können,
sollen sie möglichst kurz und schmal sein. Ihre Länge soll unter 1 cm betragen,
vorzugsweise jedoch nicht größer als 3 mm sein. Auch soll das Gewicht so bemessen
sein, daß das Magnetelement in oder auf einer wässrigen Flüssigkeit schwimmt.
-
Die die zylindrische Oberfläche des Kerns umhüllende Schicht besteht
beispielsweise aus einem Kunstharz, z. B. Polyäthylen, vorzugsweise jedoch aus einem
Material mit niedrigen Reibungskoeffizienten, wie z. B. Polytetrafluoräthylen od.
dgl.
-
Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Apparat zum Vorführen
magnetischer Erscheinungen und besteht demgemäß aus einem-zweckmäßig flachen-Gefäß
mit einer Vielzahl von Magnetelementen der beschriebenen Art, wobei zur Beobachtung
der Magnetelemente das Gefäß einen durchsichtigen Teil hat.
-
Vorzugsweise ist zur Unterstützung der Beweglichkeit der Magnetelemente
auch der Boden des Gefäßes mit einem Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten,
wie z. B. Polytetrafluoräthylen, beschichtet.
-
Das Gefäß kann eine Flüssigkeit, z. B. Wasser mit bestimmten Beimengungen,
enthalten, in oder auf welcher die Mag netelemente schwimmen und welche auf die
Kerne der Elemente keinen korrosiven Einfluß ausübt.
-
Zur Darstellung elektromagnetischer Erscheinungen kann der erfindungsgemäße
Apparat mit auf die Magnetelemente einwirkenden elektrischen Leitern arbeiten.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung hervor. Es
zeigt F i g. 1 schematisch eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Apparates zum Vorführen magnetischer Erscheinungen.
-
F i g. 2 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in
F i g. 1, F i g. 3 bis 6 schematische Querschnitte verschiedener Ausführungen der
Magnetelemente, die im Apparat nach F i g. 1 und 2 benutzt werden können, in stark
vergrößertem Maßstab, F i g. 7 eine schematische perspektivische Darstellung eines
anderen Apparates zum Vorführen magnetischer Erscheinungen, F i g. ß einen schematischen
Grundriß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Apparates.
-
F i g. 9 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Apparates und F i g. 10 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Apparates in Draufsicht.
-
Der Apparat zum Vorführen magnetischer Erscheinungen nach F i Q. 1.
und 2 umfaßt einen flachen Kasten 10. z. B. aus Kunststoff. mit einer durchsichtigen
oberen Wand oder einem entsprechenden Deckel 11, z. B. aus Glas. Der Kasten 10 enthält
eine bestimmte Menge Flüssigkeit. in oder auf welcher eine Vielzahl von Magnetelementen
13 schwimmen. Die Flüssigkeit, die erwünschtenfalls auch fortgelassen werden kann.
ist beispielsweise Wasser, dem eine bestimmte Menge eines Netzmittels oder ein industrieller
Alkohol mit niedriger Oberflächenspannung (z. B. Isopropylalkohol) beigegeben wurde.
Auch kann die Flüssigkeit eine thixotropische Substanz enthalten.
-
Die innere Tiefe d des Kastens 10 beträgt vorzugsweise weniger
als der doppelte Durchmesser der Elemente 13.
-
Der Boden des Kastens 10 hat eine unter den Magnetelementen 13 liegende
Bodenfläche 17, die mit einer Schicht aus Polytetrafluoräthylen oder eines anderen
Materials mit niedrigen Reibungskoeffizienten belegt sein kann. Zweckmäßig heben
sich die Magnetelemente in ihrer Farbe gut von der Bodenfläche ab, indem z. B. die
Magnetelemente schwarz und die Bodenfläche 17 weiß oder durchscheinend ist, so daß
die Elemente 13 leicht gegen oder durch die Bodenfläche 17 beobachtet werden können.
-
In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 ist jedes Element 13 als
zylindrisches Stäbchen ausgebildet, das aus einem ferromagnetischen Kern 14, z.
B. aus Eisen oder Stahl, besteht, dessen zylindrische Oberfläche mit einem Belag
15 aus einem nichtmagnetischen Material. z. B. einem Kunstharz. beschichtet ist.
Ein zu diesem Zweck besonders gut geeignetes Kunstharz ist Zellpolyäthylen, und
in diesem Fall kann die Anordnung so sein, daß das spezifische Gewicht des ganzen
Elementes 13 unter 1,0 liegt. Ein anderes geeignetes Kunstharz ist Polytetrafluoräthylen
oder ein ähnliches Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten.
Das
nichtmagnetische Material soll stets so gewählt werden, daß die Schwere einen Wert
von 2,5 nicht überschreitet.
-
Der ferromagnetische Werkstoff des Kerns 14 ist vorteilhaft
rostfreier Stahl oder ein anderes ferromagnetisches Material, welches beim Eintauchen
in die Flüssigkeit 12 korrosionsfest bleibt.
-
Der F i g. 3 ist ferner zu entnehmen, daß das Element 13 ein konvex
abgerundetes Ende 16 und ein konkav abgerundetes Ende 18 hat, wobei die Enden des
Kerns 14 freiliegen.
-
Alternativ kann das Element 13 nach F i g. 4 an beiden Enden 16,18
konvex abgerundet sein.
-
Nach einer anderen, in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform des
Elementes 13 erstrecken sich die Enden des Kerns 14 nicht bis zu den Enden 19 des
Magnetelementes 13. Dies kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, daß eine Länge
eines harzbeschichteten ferromagnetischen Drahts zerschnitten wird. um die Elemente
13 zu bilden, worauf diese in eine Flüssigkeit (z. B. Säure) eingebracht werden,
welche die Enden 19 der Kerne 14 angreift, das Harz jedoch unberührt läßt.
-
In einer anderen Ausführungsform nach F i g. 6 werden die Enden 16,
18 des Magnetelementes 13 durch ein geeignetes Schneidwerkzeug (das nicht dargestellt
ist) konkav zugeschnitten.
-
Wie ersichtlich, weisen die Elemente nach F i g. 5 und 6 Pole auf,
die von den Enden der betreffenden Elemente einen Abstand haben, so daß diese Elemente
wenig dazu neigen. Paare zu bilden und dadurch magnetisch neutral zu werden.
-
Alle diese Magnetelemente nach F i g. 3 bis 6 haben eine Länge, welche
10 mm nicht überschreitet. Vorzugsweise sind sie jedoch nicht über 3 mm lang, wobei
der Durchmesser nicht zwei Drittel - und vorzugsweise ein Drittel - der Länge überschreitet.
So kann der Durchmesser beispielsweise unter 1 mm und vorzugsweise nicht über 0,5
mm liegen.
-
Infolge ihrer Beschichtung 15 und infolge ihres Schwimmens in oder
auf der Flüssigkeit 12 können sich die Magnetelemente 13 frei voneinander in der
Flüssigkeit 12 bewegen. Sie sind daher besonders geeignet, magnetische Erscheinungen
darzustellen. Selbst wenn sie einen niedrigen Grad magnetischer Remanenz haben,
neigen sie in der Abwesenheit eines äußeren Magnetfeldes dazu, Ringe zu bilden,
welche die Erscheinung magnetischer »Domänen« illustriert. Unter dem Einfluß eines
äußeren Magnetfeldes reißen die Ringe jedoch auseinander, und jedes Magnetelement
13 nimmt eine Stellung ein, welche der von außen auf das Element einwirkenden magnetischen
Kraft entspricht und dadurch den induzierten Magnetismus darstellt.
-
F i g. 1 zeigt beispielsweise die von den Magnetelementen 13 eingenommene
Lage, wenn ein nicht dargestellter Stangenmagnet unter oder über dem Behälter 10
angebracht wird. In diesem Fall richten sich die Magnetelemente in Kurven aus, die
nahe den Polen des Magnets beginnen und enden und die die magnetischen Kraftlinien
darstellen, die durch den Stangenmagnet erzeugt werden.
-
Wenn das Gefäß 10 über dem Ende des Stangenmagneten befestigt wird,
richten sich die Magnetelemente in geraden Linien aus, die vom Mittelpunkt in Sternform
ausgehen.
-
Die Flüssigkeit 12 kann thixotropisches Material, z. B. Carboxymethylzellulose,
enthalten. In diesem Fall behalten die Elemente 13 ihre Lage bei, lassen sich jedoch
durch Schütteln des Gefäßes 10 und durch den Einfluß eines Magnetfelds verlegen.
-
F i g. 7 zeigt ein Gefäß 20, das im allgemeinen dem Gefäß 10 in F
i g. 1 ähnlich ist und daher nicht im Einzelnen beschrieben werden muß. In dieser
Ausführungsform geht jedoch senkrecht durch die Mitte des Gefäßes 20 ein
elektrischer Leiter 21 hindurch. Wenn ein elektrischer Strom durch diesen
Leiter 21 fließt, bilden die magnetischen Elemente 13 konzentrische Kreise und stellen
somit den magnetischen Effekt eines durch den Leiter strömenden elektrischen Stroms
dar.
-
Da die Tiefe d des Gefäßes 10 und 20 kleiner ist als der doppelte
Durchmesser der Magnetelemente 13, liegen diese in einer Ebene und können die verschiedenen
magnetischen Phänomene leichter darstellen. Wenn man jedoch darstellen will, daß
Magnetismus im Raum wirkt, kann die Tiefe d beträchtlich größer gewählt werden als
der doppelte Durchmesser der Elemente 13.
-
F i g. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Apparats zum Darstellen
magnetischer Erscheinungen, der wiederum ein »flaches« Gefäß 22 umfaßt. Das Gefäß
22 hat eine Konstruktion, die im wesentlichen der nach F i g. 1 und 7 (Gefäß
10 und 20) ähnlicht ist, d. h., das Gefäß hat einen durchsichtigen
Deckel und enthält eine Flüssigkeit, in welcher die Elemente 13 schwimmen.
-
In der Ausführungsform nach F i g. 8 ist das runde Gefäß 22 jedoch
von einem elektrischen Leiter 23 umgeben und die Magnetelemente 13 haben Kerne mit
hoher magnetischer Remanenz.
-
Vor dem Durchfließen eines Stroms durch den Leiter 23 bilden die Magnetelemente
13 im Gefäß 22 Ketten, von welchen einige geschlossene Schlingen bilden und teilweise
die Erscheinung magnetischer Domänen darstellen.
-
Wenn jedoch ein Strom durch den Leiter 23 durchgeschickt wird, verzerren
sich die durch die Elemente 13 gebildeten Schleifen und Ketten zuerst und brechen
bei sich vergrößerndem Strom langsam auseinander. Die Magnetelemente 13 beginnen
Kreise zu bilden, die mit dem Gefäß 22 konzentrisch liegen. Schließlich wird dann
ein Zustand erreicht, in welchem jede weitere Steigerung des Strompegels keinen
Einfluß auf die Lage der Magnetelemente 13 mehr hat. Dies stellt daher die Erscheinung
der magnetischen Sättigung dar.
-
Wenn der Strom nun herabgesetzt wird, bis schließlich kein Strom mehr
durch den Leiter fließt, bleiben die Magnetelemente 13 in zum Gefäß 22 konzentrischen
Kreisen angeordnet; dies stellt das Phänomen des remanenten Magnetismus dar.
-
Wenn der Strom im Leiter 23 nun umgekehrt und allmählich vergrößert
wird, wandern die Magnetelemente 13 von den konzentrischen Kreisstellungen ab und
bilden Schlingen, welche die magnetischen Domänen darstellen. Dies stellt daher
die Erscheinung der Koerzitivkraft dar.
-
Wenn der Strom weiter erhöht wird, kommt es zur magnetischen Sättigung,
wobei zu bemerken ist, daß sich die Stellung der Elemente 13 im Vergleich mit ihren
Stellungen im Gefäß 22 beim ersten Bilden der konzentrischen Ringe um 180° geändert
hat.
-
Wenn der Strom im Leiter 21 periodisch vergrößert, verkleinert oder
umgekehrt wird, kann beobachtet werden, wie die Magnetelemente 13 durch die verschiedenen
Stufen
des remanenten Magnetismus, der Koerzitivkraft und der Sättigung durchgehen und
physikalisch die Erscheinung der magnetischen Hysterese darstellen.
-
F i g. 9 zeigt ein flaches, rundes Gefäß 24, das im allgemeinen dem
Gefäß 22 ähnlich ist, aber einen hölzernen oder Kunststoffteil 25 in der
Form einer Kugel umgibt. Der Teil 25 hat eine Blindbohrung 26, in welcher ein Stangenmagnet
27 durch einen Stopfen 30 gesichert ist. Der Teil 25 stellt die Erde dar, während
der Magnet 27 so angeordnet ist, daß die Stellung seiner Pole die Stellung der magnetischen
Pole der Erde repräsentiert. Die Magnetelemente 13 im Gefäß 24 werden eine Lage
einnehmen, welche die Erscheinung der magnetischen Ablenkung darstellt.
-
Der Kugelteil 25 kann aus zwei Hälften, z. B. aus Kunststoff bestehen
und den Stangenmagnet 27 einschließen. Die Außenseite der Kuge]25 kann eine Karte
der Erde tragen.
-
Wenn ein sehr flacher Behälter 10 verwendet wird und die Magnetelemente
13 aus dem dünnsten ferromagnetischen Draht mit geeigneter Kunststoffbeschichtung
bestehen, wobei die Elemente vorzugsweise eine niedrige magnetische Remanenz haben,
kann der Apparat eine Anzahl von elektrotechnischen Problemen darstellen und lösen,
die normalerweise nur durch höhere Rechenverfahren gelöst werden können.
-
Zu diesem Zweck zeigt F i g. 10 einen Apparat, umfassend zwei parallele,
im Abstand angeordnete Stabmagneten 32, 33, deren -]eiche Pole einander gegenüberliegen,
wobei die Stabmagneten 32, 33 durch Stahl- oder Eisenteile 34. 35 überbrückt werden.
Dieser Aufbau bildet ein »Fenster«, in welchem ein gleichmäßiges Magnetfeld besteht,
dessen Kraftlinien parallel verlaufen; in diesem Fenster 36 ist ein Gefäß 10 mit
Magnetelementen 13 vorgesehen. Wenn nun ein stählernes Stanzstück, das einem Pol
entspricht, und ein anderes Stanzstück, das einem geschlitzten Anker eines Elektromotors
entspricht, zusammen unter das Gefäß 10 nach F i g. 10 gebracht werden, richten
sich die Magnetelemente 13 im Gefäß 10 über dem Spalt zwischen den Stanzstücken
und über den Schlitzen im Anker im allgemeinen so aus, wie die magnetischen Kraftlinien
verlaufen.
-
Magnetische Kraftlinien, elektrische Kraftlinien, aerodynamische Strömungslinien,
hydrodynamische Strömungslinien und Spannungslinien unter elastischer Verzerrung
werden alle nach derselben Differentialgleichung, nämlich nach der Laplace'schen
Gleichung bestimmt. Der in F i g. 10 dargestellte Apparat eignet sich daher zum
Lösen von Problemen in der Hydrodynamik, Aerodynamik, Elektrik, Elastizizät und
in anderen Gebieten.
-
Wenn es beispielsweise erforderlich ist, die Lage der Spannungslinien
in einem Stahlträger zu kennen, der einem Druck unterliegt und in welchem ein Loch
vorgesehen ist, kann dies so geschehen, daß man eine ferromagnetische Scheibe anfertigt,
deren Form der des Lochs entspricht und diese Scheibe unter dem Gefäß 10 anbringt,
welches im parallelen Magnetfeld des Apparats nach F i g. 10 angeordnet ist. Die
Magnetelemente 13 stellen sich dann nach einem Muster ein, das dem Verlauf dieser
Kraftlinien entspricht.