Die Magnetkanone. Spielwiese

Abstract

Der Effekt ist so überraschend, dass man einen Trick vermutet. Mit Recht, denn die benutzten Kugeln sehen zwar gleich aus, aber eine oder gar mehrere von ihnen haben es in sich: Sie sind magnetisch (Abbildung 1). Die heranrollende Kugel wird durch die Magnetkugel auf kurzer Strecke stark beschleunigt und prallt mit großer Geschwindigkeit auf die Anordnung der ruhenden Kugeln, ohne dass man die Heftigkeit so richtig bemerkt. Die Kugeln auf der rechten Seite werden zwar ebenfalls von der magnetischen Kugel angezogen und festgehalten, die äußere Kugel aufgrund des größeren Abstandes jedoch weniger stark. Daher reicht der Impuls der aufprallenden Kugel aus, um die letzte Kugel aus dem Magnetfeld zu befreien und mit großer Geschwindigkeit wegzuschießen [1, 2, 3]. Eine noch größere Geschwindigkeit lässt sich erzielen, wenn auch die anrollende Kugel magnetisch ist -zwei Magnetkugeln ziehen sich fast doppelt so stark an, wie Magnet-und Stahlkugel. Eine weitere Geschwindigkeitssteigerung erreicht man, wenn man die Kugeln in mehreren getrennten Gruppen anordnet und so für eine Kaskade von Stößen sorgt (Abbil-W enn man eine Anordnung von gleich großen Stahlkugeln in eine Rinne legt und eine weitere von außen auf die Anordnung aufprallen lässt, fliegt die letzte der Stärke des Stoßes entsprechend mehr oder weniger weit fort. Der Rest bleibt liegen. Darüber wundert man sich kaum noch. Man kennt diesen Vorgang von dem bekannten Kugelstoßpendel namens Newtons Cradle oder Newtons Wiege. Großes Erstaunen löst man aber normalerweise aus, wenn die letzte Kugel wie von einem Gewehr geschossen mehrere Meter weit fliegt, obwohl die andere Kugel nur ganz sacht gegen die Reihe gerollt wurde. Das scheint nicht mit dem Energiesatz verträglich zu sein. Spielwiese Die Magnetkanone CHRISTIAN UCKE | H.-JOACHIM SCHLICHTING Zur Beruhigung: Hier geht es nicht um Militärisches. Mit den heutzutage günstig erhältlichen magnetischen Kugeln aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) und Stahlkugeln lässt sich schnell eine Art Minibeschleuniger bauen, der manchmal auch als Gaußsche Kanone bezeichnet wird. 152 | Phys. Unserer Zeit | 3/2009 (40)

Testing a simple model for the magnetic cannon

“…The method used was similar to the one presented in references [2,3]. The potential energy difference is equal (in absolute magnitude) to the work done on the incoming ball minus that on the ejected ball.…”

“…To examine the transition from this configuration to that with 1 ball on the LHS and 2 on the RHS, the potential energy for the other configuration can also be calculated in the same way, and then, by inserting our results to equation (3), the velocity of the final ball after it is ejected can be found.…”

“…Rabchuk [1] presented a method of measuring the kinetic energy of the incoming and ejected ball and calculated the changes in potential energy during the motion of the ball using a finite element magnetics software. Kagan [2], as well as Ucke and Schlichting [3], used a different method to measure both the kinetic and potential energy differences and obtained an estimate for the energy losses in the system. Finally, McDonald [4] presented a simple model for estimating the velocity of the ejected ball.…”

Magnetic cannon: The physics of the Gauss rifle

“…The magnetic cannon, sometimes referred to as the Gauss rifle is a simple device that accelerates a steel ball through conversion of magnetic energy into kinetic energy [1][2][3][4] . The energy conversion at work is reminiscent of other electromagnetism-based accelerating device, such as rail-guns 5 .…”