Wees een magneet voor een dag Teach article

Vertaald door Piet Das. Wat gebeurt er in magneten? Deze leuke activiteit voor basisschoolleerlingen helpt hen om dat uit te vinden – door zichzelf in een magnet te veranderen.

Generaties kinderen hebben al ontdekt dat magneten erg leuk zijn om mee te spelen. De manier waarop de onzichtbare kracht van het magnetisme ze naar elkaar toetrekt of ze uit elkaar duwt is zo intrigerend – een actieve kracht die uit het niets lijkt te komen. Magneten zijn ook nuttig – ze kunnen dingen bij elkaar houden, maar het is gemakkelijk om ze weer van elkaar te breken: de locomotief en rijtuigen van een speelgoedtrein, magnetische letters van het alfabet, koelkastmagneten, sluitingen van kastjes en ga zo maar door – en niet te vergeten de magneten in elektronische apparaten.

issue38_magnets
Afbeelding met dank
aanGeek3; bron: Wikimedia
Commons 

Maar wat leren kinderen over magnetisme als ze er alleen maar mee te spelen? Welke ideeën vormen ze zich over de aard van magneten – zoals hun magnetische polen en interne structuur – als ze proefjes doen met staafmagneten?

Op een bepaald niveau zijn de regels van hoe magneten zich gedragen eenvoudig te ontdekken en te begrijpen: tegengestelde polen – noord of zuid – trekken elkaar aan, terwijl soortgelijke polen niet tegen elkaar te drukken zijn: ze stoten elkaar af. Maar er is een veel voorkomende misvatting over staafmagneten: dat je de noord- en zuidpool van een magneet kan scheiden door hem in het midden door de helft te breken. In feite ontstaan zo gewoon twee nieuwe magneten, elk met een eigen noord- en zuidpool – zoals je kunt aantonen door dit experiment te doen.

Natuurlijk stimuleert het ontwerp van staafmagneten – met N noord aan één einde en een Z zuid aan de andere – deze misvatting, omdat het suggereert dat de polen bij elk uiteinde van de magneet liggen. Daardoor ondervinden leraren vaak dat het moeilijk te verklaren is waarom de polen niet op deze wijze kunnen worden gescheiden. Er zijn weliswaar enkele simulaties en video’s die kunnen helpen om dit duidelijk te maken (zie de bronsectie aan het eind van dit artikel), maar wij zijn van mening dat de beste manier om het verschijnsel te verklaren is: leerlingen een activiteit laten uitvoeren die de interne structuur van magneten laat zien.

We hebben deze activiteit uitgevoerd met kinderen van 10-12 jaar, maar het zou ook nuttig kunnen zijn met een beetje jongere kinderen. De activiteiten plus discussie kost meestal minder dan een uur.

Eerst laten we zien hoe een niet gemagnetiseerd materiaal er uitziet en dan magnetiseren we het. Na het magnetiseren bediscussiëren we de interne structuur van de magneet. Tenslotte “breken” we de magneet en bespreken wat er gebeurt is.
 

Wat zit er in een magneet?

Deze activiteit helpt kinderen te begrijpen dat magneten een interne structuur hebben – niet alleen maar een noordpool aan de ene en een zuidpool aan de andere kant.

Dus wat vertelt de wetenschap ons over de binnenkant van magneten? Magnetisme komt van de structuur van de atomen in een stof – dat is waarom sommige stoffen (zoals ijzer en staal) magnetisch zijn, maar de meeste zijn dat niet. Elk atoom in een magnetische stof is een magnetische dipool, als een kleine magneet, die samenvalt met de richting van een magnetisch veld – zoals de naald van een kompas dezelfde richting krijgt als het aardmagnetisch veld.

Als een stuk ijzer niet is gemagnetiseerd, wijzen de magnetische dipolen erin in willekeurige richtingen. In de hele stof zullen ze elkaar opheffen en zullen ze zich niet als een magneet gedragen. Maar door ijzer in een sterk magnetisch veld te plaatsen worden de magnetische dipolen aangemoedigd in dezelfde richting te gaan liggen, waardoor het materiaal een magneet wordt: nu heeft het een noord- en een zuidpool en kan het andere objecten gemaakt van magnetische stoffen aantrekken. Dit komt door de interne structuur, waarbij de dipolen zijn uitgelijnd – zoals we uitbeelden in de activiteit.

Materialen

  • Minstens 10 leerlingen
  • Rood / blauwe vestjes, een voor elke leerling

De vestjes zijn rood aan de ene kant (voorkant) en blauw aan de (achter)kant. Je kunt deze maken door 30 x 30 cm vierkanten van rode en blauwe stof te gebruiken en door ze op tape aan elkaar te naaien voor de schouderbanden (figuur 1). Als alternatief kun je vierkanten gebruiken van rood en blauw papier die met spelden vastgemaakt zijn aan hun normale shirts.

Figuur 1: Rode en blauwe vestjes.
Afbeelding met dank aan Katarína Krišková

Werkwijze

Elke leerling stelt een klein deel van een magneet voor, zoals een magnetische dipool. Deze dipool kan niet verdeeld worden in helften – net als een persoon niet kan worden verdeeld in twee delen.

Activiteit 1: Voor het magnetiseren

Elke leerling moet een vestje aandoen, let erop dat aan de voorkant de rode zit en aan de achterkant de blauwe.

Bij het begin van de activiteit gaan de leerlingen achter elkaar staan, zodat ze twee of drie parallelle rijen vormen. Vraag hen om in willekeurige richtingen te kijken. Dit betekent dat je vanuit elke richting geen  enkele dominante kleur (rood of blauw) (figuur 2) ziet.

In deze situatie vormen de leerlingen een niet-magnetisch materiaal, zoals een stuk staal voordat het in een magneet veranderd is. Net als de leerlingen richten de magnetische dipolen zich naar willekeurige richtingen, zodat het materiaal niet als een magneet werkt.

Figuur 2: Een materiaal voor magnetisatie: leerlingen kijken  willekeurige kanten op.
Afbeelding met dank aan Katarína Krišková

Activiteit 2: Magnetiseren van het materiaal

Figuur 3: Een model maken
van de interne structuur van
een magneet: na
“magnetisatie”, kijken alle
leerlingen in dezelfde
richting – zoals de dipolen in
een magneet.

Afbeelding met dank aan
Katarína Krišková

Wanneer we een magnetisch veld laten inwerken op het niet-gemagnetiseerde materiaal, gaan de magnetische dipolen op een rij in dezelfde richting wijzen. Terwijl ze in hun rijen blijven (die lijken op de vorm van een staafmagneet), worden de leerlingen gedraaid door een externe kracht – de leraar – om in dezelfde richting te gaan staan.

Nu naar voren kijkend, kunnen de leerlingen alleen de blauwe delen van de vesten zien – en achter zich kijkend, alleen de rode delen (figuur 3). (Herinner de leerlingen er aan dat ze alleen hun hoofden draaien om dit te zien – niet hun hele lichaam, waardoor het effect zou verdwijnen.)

De leerlingen zien er nu uit als gemagnetiseerde materiaal – een staafmagneet. Het heeft twee polen, een rode en een blauwe, aangegeven door de kleur van de vesten die kunt zien aan elk eind van de rij. Maar in tegenstelling tot een echte magneet, kunnen we de interne structuur zien: de rode en blauwe polen liggen helemaal door de magneet.

Activiteit 3: De magneet in twee stukken breken

Ten slotte zullen we de magneet in twee stukken “breken”. Dit is gewoon gedaan door elke rij in tweeën te verdelen. Als je bijvoorbeeld twee parallelle rijen van elk acht leerlingen hebt, splits je elke rij na vier leerlingen (houd de parallelle rijen bij elkaar). Vraag de leerlingen om uit elkaar te gaan bij het breekpunt, zodat je uiteindelijk twee verschillende groepen leerlingen hebt.

Leerlingen kunnen dan zien wat er gebeurt na het breken van een staafmagneet: de interne structuur blijft hetzelfde, maar de grootte van de magneet verandert. We scheiden niet de polen van de magneet – we maken gewoon twee kleinere magneten.

Het maakt niet uit hoe we de magneet breken – in de lengte of de breedte. De leerlingen kunnen dit aspect van ‘breken’ van de magneet op verschillende manieren onderzoeken – bijvoorbeeld door elke lange rij intact te houden, maar de rijen uit elkaar te laten bewegen, in plaats van ze in het midden te breken.

Opnamen maken van de acitivteit

Het is een goed idee om wat foto’s te nemen terwijl de activiteit aan de gang is om zo de beste plaatjes van de leerlingmagneten te krijgen in de verschillende situaties. U kunt deze afbeeldingen gebruiken na de activiteit of om in een andere les te bespreken wat er binnenin de magneten gebeurt.

Verantwoording

De activiteit is een initiatief van Science on Stage Slovakiaw1 en verder ontwikkeld tijdens het University Without Borders zomerkamp voor kinderen van 10-12 jaar in juli 2015, op de Pavol Jozef Safarik University in Košice, Slowakije. De activiteit vindt ook plaats in de magnetisme afdeling van het SteelPark science centrum in Košice.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Science on Stage is het netwerk van de Europese natuurwetenschappen, technologie, techniek en wiskunde (STEM), die aanvankelijk in 1999 werd gelanceerd door EIROforum, de uitgever van Science in School. Science on Stage brengt docenten uit heel Europa samen voor het uitwisselen van ideeën en om good practices uit te wisselen met enthousiaste collega’s uit 25 landen.

Resources

  • Lees een eenvoudige uitleg over magneten en hoe ze werken.
  • Bezoek de website van de Universiteit van Colarado Boulder voor de simulatie van een magneet en het veld eromheen, met de mogelijkheid om in de magneten te kijken.
  • Bekijk een video waarin magnetisme op atomair niveau op een simpele manier wordt uitgelegd.
  • Voor informatie over magnetisatie van een materiaal in termen van magnetische domeinen (kleine gebieden die de atomaire dipolen bevatten) en hoe deze veranderen wanneer een materiaal wordt gemagnetiseerd, zie:
  • De website van The National High Magnetic Field Laboratory
  • De website. van The Nondestruction Testing Resource Center
  • Voor twee video’s over magnetisme die conceptueel ingewikkelder zijn dan de activiteit in dit artikel en die wellicht meer geschikt zijn voor leerkrachten of middelbare scholieren zijn, zie:

Institution

Science on Stage

Author(s)

Katarína Krišková is een PhD student van de theorie van het natuurkunde-onderwijs aan de Pavol Jozef Šafárik University in Košice, Slowakije. Haar proefschrift richt zich op de rol van experimenten bij de ontwikkeling van de vaardigheden van bètastudenten in de lagere klassen van de middelbare school. Ze is ook leraar natuurkunde op het gymnasium in Košice.


Review

De in dit artikel beschreven activiteit bevat een goede manier om magnetisme te illustreren en de leerlingen aan te moedigen om te bewegen. Voor oudere leerlingen kan de activiteit leiden tot een discussie over waar we magnetisme in het dagelijks leven tegenkomen, bijvoorbeeld in het magnetisch veld van de aarde of in medische toepassingen.


Erland Andersen, Denemarken




License

CC-BY