NWW - Levitation

Schwebende Gegenstände

durch Magnetkraft

Gruppe: Cornel Engeli, Stefan Bollinger, Lukas Ruppen

Betreuende Lehrkraft: B.Brunner

KSK-Kantonsschule Kreuzlingen

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Inhaltsverzeichnis

1. Zusammenfassung........................................................... 3

1.1 Deutsch....................................................................... 3

1.2 English........................................................................ 3

2. Einleitung........................................................................ 4

3. Material und Methoden................................................... 4

4. Resultate.......................................................................... 6

5. Diskussion....................................................................... 7

5.1 1. Versuch.................................................................. 7

5.2 2. Versuch.................................................................. 8

5.3 3. Versuch.................................................................. 9

5.4 4. Versuch................................................................ 11

5.5 5. Versuch................................................................ 12

6. Literaturverzeichnis ...................................................... 12

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1. Zusammenfassung

1.1 Deutsch

Im Rahmen einer naturwissenschaftlichen Woche der Kantonsschule Kreuzlingen wurde die

Magnetische Levitation untersucht. Das Ziel der Arbeit war es einen magnetischen Gegenstand

schweben zu lassen. Die Gravitation sollte durch einen Elektromagneten aufgehoben werden.

Mithilfe einer optischen Lampe und eines Lichttransistors wurde die Lage des Gegenstandes

kontrolliert. Und je nach dem, ob der Gegenstand zu hoch oder zu tief schwebte (also entweder die

Gravitations- oder die Magnetkraft überwiegte) wurde das Magnetfeld in seiner Stärke

ausgeglichen. Dies konnte auch kurzzeitig erreicht werden.

Beim dritten Versuchsaufbau funktionierte es nicht, da man den Gegenstand nur durch eine Spule

halten konnte. Somit war das Magnetfeld sehr inhomogen.

Beim vierten Versuchsaufbau, war das Problem, ein zu homogenes Magnetfeld. Dadurch konnte der

Gegenstand beliebig verrutschen und kam dadurch ausserhalb der Reichweite des Sensors.

Bei dem fünften und dem letzten Versuch konnten wir die Probleme mehr oder weniger beheben.

Das grösste Problem stellte der Zusammenhang zwischen Spulenstärke und Genauigkeit der

Sensoren dar . Dies konnte leider nicht erreicht werden.

1.2 English

In context of the sience week at the Kantonsschule Kreuzlingen, there were made researches about

magnetic levitation. The main aim of the research was to make a magnetic objekt to hover in the air.

The gravitation field should be reversed with an electrical magnet. Through help from a lamp and a

phototransistor the position of the objekt could be controlled. Depending on the hight and depth of

the floating objekt (or if gravitation- or magnetic field prevailed), the magnetic field was equalised

in its force.This could be reached, but only temporary.

In the third experiment it didn’t work because there we only held the objekt in the air with one

inductor.

In the fourth one, the problem was the too homogeneous magnetic field. Therby the object floated

out of the area of the sensor.

In the fith and last experiment we could solve most of these Problems. The biggest Problem was the

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context between the force of the magnetic field and the exactness of the lightsensor. But

unfortunately we couldn’t really reach this aim.

2. Einleitung

Levitation (lat. Levitas= Leichtigkeit) beschreibt das Phänomen, bei dem man einen Gegenstand auf

der Erde schweben lassen kann. Zwischen dem 15. und 18. Jahrhundert war die Levitationslehre in

Europa sehr bekannt. Dabei sollte der menschliche Körper durch seelische Befreiung der

Gravitation entfliehen. Dieses Phänomen ist jedoch auf naturwissenschaftlicher Basis nicht

belegbar.

Aus physikalischer Sicht ist Levitation mit Hilfe von Magnetkraft aber möglich. Dabei wird durch

ein Magnetfeld die Erdanziehungskraft aufgehoben. Der Magnet stösst den Gegenstand ab, oder

zieht ihn wie in unserem Versuchsaufbau an.

Ein grosses Problem stellt die Instabilität des Gegenstandes dar. Diese führt zu einer starken

Rotationsbewegung, die sich so lange steigert bis das Objekt schliesslich aus dem Kraftfeld heraus

kommt und abstürzt. Unser Gegenstand wird durch zwei weitere Magnete aktiv stabilisiert.

Der Gegenstand wird dadurch unter Kontrolle gebracht und beginnt nicht zu rotieren.

3. Material und Methoden

Materialliste:

• Netzteil 3x

• Transistor BC 550 2x

• Transistor BD 137 3x

• Optische Lampe 12V 1x

• geregelter Widerstand 0-10000 Ohm 1x

• geregelter Widerstand 0-42 Ohm 1x

• geregelter Widerstand 0-152 Ohm 1x

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• fester Widerstand 470 Ohm 2x

• fester Widerstand 1000 Ohm 1x

• Ein/Aus Schalter 1x

• 1N4007 Diode 1x

• Verbindungskabel div.

• Spannungs- Strommessgeräte 4x

• Phototransistor 1x

• Stativfuß 9x

• Draht und Schnur -

• Permanentmagnet div.

• Laptop 1x

• Verniersensor 1x

• Tesaklebeband div.

• „Bleikügeli“ -

• Spule 500 Windungen ¦ max. 2.5 A 2x

• kleine Spule 600 Windungen 4x

• Klemme zum Arretieren der Apparatur div.

• Stab zum Arretieren der Apparatur div.

• U-förmiger Eisenkern 2x

• großer, normaler Eisenkern 2x

• kleiner, normaler Eisenkern 4x

• metallener Gegenstand div.

• Holz zur Fixierung -

• Sag ex -

• Schraubzwinge div.

• Wasserwaage 2x

• kleine Glühbirne 3x

• LDR Sensor 1x

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• LED Lampe 1x

• Wissen über Elektronik und Magnetismus von B. Brunner 1x

• Inspiration von B. Brunner 1x

• Inspiration von D. Zurmühle 1x

• Grundkenntnisse aus Physikunterricht 3x

4. Resultate

Hypothese 1: „Ein Magnetischer Gegenstand schwebt, wenn man die Erdanziehungskraft durch

eine entgegenwirkendes Magnetfeld aufgehoben und der Gegenstand aktiv stabilisiert wird.“

Die Hypothese konnte bewiesen werden, allerdings konnte dieser Zustand nicht stabil hergestellt

werden.

Abbildung 1: Der Magnet ist noch auf der

Startstütze

Abbildung 2: Der Magnet schwebt kurzzeitig

Abbildung 3: Der Magnet fällt wieder zurück auf die

Startstütze (er hoppst auf und ab)

Abbildung 4: Der Magnet hebt sich zu stark und wird

immer weiter angezogen

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Abbildung 5: Der Schwebende Magnet wird vom

oberen Magneten völlig erfasst und angezogen.

Hypothese 2: „Die Rotation ist durch zwei

weitere Elektromagneten kontrollierbar,

welche sich gegenseitig aufheben.“

Konnte nicht mehr untersucht werden, da

wir Hypothese 1 nicht ausführen konnten.

sehr wahrscheinlich, würde dies aber extrem

schwierig bis unmöglich werden würde, da

der schwebende Zustand sogar durch

kleinste Kräfte gebrochen werden kann.

5. Diskussion

5.1 1. Versuch

Unser Erster Versuchsaufbau sah so aus: Wir

hängten eine Elektromagnetspule, verstärkt durch

einen Eisenkern in die Luft und wollten damit ein

Magnetfeld erzeugen. Dieses sollte auf einen

magnetischen Gegenstand eine Kraft auswirken, die

genau entgegengesetzt und gleich stark wie die

Gravitationskraft der Erde sein sollte.

Wir wussten, dass ein Magnetfeld, je weiter es von

seinem Kern entfernt ist abnimmt. So wollten wir

den Gegenstand in die optimale Höhe bringen und

danach sollte die Gravitationskraft der Erde genau

durch das Magnetfeld aufgehoben werden. Leider

nimmt das Magnetfeld unproportional ab.

Was bedeutet, dass der Gegenstand, sobald er auch

nur durch einen Lufthauch oder eine andere noch so kleine Kraft abgelenkt wird aus dem

Gleichgewicht kommt, und entweder vom Magnetfeld zu stark angezogen wird und nach oben

spickt, oder zu Boden fällt.

So scheiterte unser erster Versuch kläglich.

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5.2 2. Versuch

Also suchten wir nach neuen Ideen. Auf

einer Internetseite fanden wir Versuche,

bei denen die Gravitationskraft nicht durch

einen Magneten von oben, der den

Gegenstand anzieht, aufgehoben wird.

Sondern durch einen Magneten, die von

unten den Gegenstand abstossen, und

somit die Gravitationskraft ausgeglichen

wird. Dies schien uns eine Geniale Idee, da

der Gegenstand nun nicht mehr nur an

einem Ortsein muss, sondern einfach

immer ausbalanciert wird.

Sobald er zu hoch schwebt, wird er durch

die Erde wieder ins Magnetfeld gezogen,

und dann wieder nach oben gehoben. Uns

so weiter und so fort. Da das Magnetfeld

einer Spule allerdings nicht Homogen verläuft, wussten wir das der Gegenstand immer wieder zur

Seite ausbrechen würde. Damit dies nicht geschieht setzten wir weitere Magnetspulen und/oder

Permanentmagneten ein, die ihn von schräg unten, von allen Seiten ins Magnetfeld zurückdrücken,

sobald er entweichen will.

Wir haben eine Magnetspule mit Eisenkern als "Hauptträger" genutzt und entweder kleinere Spulen

mit Eisenkernen, oder Permanentmagneten als Seitenstabilisatoren genutzt. Das Problem bei diesem

Aufbau war, dass es nun einen polaren Gegenstand Brauchte, sprich einen Permanentmagneten.

Dieser blieb allerdings nicht verkehrt herum im der Luft, sondern drehte sich und zog sich mit

doppelter Kraft zur Erde hin. Wir probierten die verschiedenen Magneten mit unmagnetischen

gewichten zu beschweren, doch es half nichts. der Gegenstand drehte sich von mal zu mal wieder

und krachte auf die Spulen.

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5.3 3. Versuch

Als wir schon eine gewisse Zeit mit

herstellen von verschiedenen Flugkörpern

und Neuanordnung der Seitenstabilisatoren

zugebracht hatten, und noch nicht der kleinste

Erfolg in sicht war, schlug uns unser

Betreuer, Herr Brunner, vor ersten Versuch

noch einmal aufzubauen. Doch dies mal

sollten wir einen Lichtsensor einbauen. Auf

den Gegenstand wird eine Lampe gerichtet

und auf der Anderen Seite ist ein Lichtsensor.

Sobald der Gegenstand zu hoch ist und mit

einem Schatten den Sensor überdeckt, wird

das Magnetfeld abgeschwächt und der

Gegenstand wird wieder mehr von der

Gravitationskraft beeinflusst, und senkt seine

Höhe.

Am Anfang lief wieder einmal gar nichts, da das Magnetfeld zu wenig reagierte. Als wir Herr

Brunner das Problem schilderten, zeigte er uns ein uns bisher unbekanntes Prinzip. Eine so

genannte Darlington Schaltung. Bei dieser wird der Strom, welcher der Lichtsensor je nach Höhe

des Gegenstandes erhöht oder verkleinert, vervielfacht. Im Maximum brachten wir einen

Unterschied von einem Ampère (maximale Belastung war 2.5 Ampère) hin. Dies bedeutete für das

Magnetfeld einen maximalen Unterschied von fast 5 mille Tesla, was fast dem an und abstellen des

Magnetfeldes entspricht! Die Veränderung diese Differenzen des Stroms konnten wir durch

Regelwiderstände beeinflussen. Ein erster Regelwiderstand regulierte den Strom der direkt in die

Spulen floss. Ein weiterer Regelwiderstand erlaubte es uns die Differenz bei beleuchtetem und

unbeleuchtetem Lichtsensor regulieren. Das ganze konnten wir auf solch extreme Unterschiede

bringen, da wir 3 Darlington Schaltungen koppelten. So kann das Magnetfeld viel stärker

beeinflusst werden.

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Nachdem wir die Richtige Höhe für den Sensor ermittelt hatten, trat ein erstes erfolgreiches

Ergebnis ein. Der Gegenstand, zu der Zeit eine Schraube in einem Sag ex klotz (Das Sag ex bewirkt

einen besseren schatten) bestand, wurde von uns durch einen Nichtmetallischen Gegenstand ins

Magnetfeld gehoben. Als wir die Richtige Höhe erreichten, begann er immer wieder sich zu heben,

bis der Schatten über den Sensor kam, dann senkte er sich wieder ab bis der Sensor wieder frei war.

Das einzige Problem war, dass dies nur funktionierte, wenn der Gegenstand mit dem man ihn ins

Magnetfeld gehoben hatte da blieb, da er immer wieder auf ihm aufschlug und dann wieder nach

oben gezogen wurde. Sobald man die Stütze aber wegnahm, stürzte der Gegenstand ab oder wen

man zu hoch war, spickte er nach oben zur Magnetspule. Danach wechselten wir noch dein

Lichtsensor, wie auch die Lichtquelle mehrmals doch wir hatte immer das gleiche Problem.

Legende:

T1: BC 550

T2: BC 550

T3: BD 137

S1: Spule 500 Windungen ¦ max. 2.5 A

S2: Spule 500 Windungen ¦ max. 2.5 A

X: 1N4007

PT: Phototransystor ¦ BPX 43

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5.4 4. Versuch

Nachdem der 3.

Versuchsaufbau die

erwünschten

Erwartungen nicht

befriedigen konnten,

machten wir uns viele

Gedanken zur

Verbesserung der

Bedingungen. Wir

vermuteten, dass das

Magnetfeld sehr stark

inhomogen und es

extrem schnell

abnahm, was zu einer

starken Instabilität

führte. Darum

kreierten wir ,auf einen

Hinweis von Herr

Brunner, einen mit

Hilfe zweier Spulen

steuerbaren

Hufeisenmagneten.

Dieser bestand aus

Eisenkernen in Form von einem Hufeisen und zwei Stäben .

Man erreichte durch diesen Aufbau zwar ein grosses homogenes Feld, es war jedoch zu homogen,

das der Gegenstand sehr leicht verrutschen kann, dadurch gerät er aus dem Bereich Des

Lichtsensors und wird nicht länger stabilisiert. Wir versuchten dies zu beheben indem wir den

Hufeisenmagneten mit Wasserwaage genau entgegen der Gravitationskraft ausrichteten. Dazu

kommt noch eine aufwendige Installation, da die Einrichtung möglichst nicht schräg sein sollte, was

die Rutschgefahr nicht mehr erhöhen würde. Aus diesen Gründen musste man das Projekt wieder

verwerfen.

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5.5 5. Versuch

Um die Verschiebung des

schwebenden Gegenstandes

einzudämmen befestigten wir

zwischen zwei hufeisenförmigen

Eisenkernen auf einer Seite einen

Eisenstab. Nachdem das ganze

genügend angeschraubt war, erhielt

man ein O-förmiges Gebilde, dass

auf einer Seite offen war. Die Spulen

wurden an den beiden

herausragenden Teilen am offenen

Teil befestigt. Damit wurde

zwischen den beiden Enden des

Hufeisens ein Magnetfeld

geschaffen, das in der Mitte

homogen (gerade Magnetfeldlinien)

und am Rand nicht homogen war, da

die Linien durch die Ränder der

Stäbe gekrümt wurden. Dadurch

wird ermöglicht, das der Gegenstand nicht beliebig abrutscht. Die Schwierigkeiten diese Aufbaus

waren die exakte Zusammenhaltung der einzelnen Eisenkerne (wenn sie nicht exakt zusammen

sind, kann es zu Störungen im Versuchsmagnetfeld kommen) und die Mögliche Behinderung des

Magnetfeldes durch Befestigungsgeräte, wie z.B. Schraubzwingen, da diese magnetisierbare

Bestandteile haben.

6. Literaturverzeichnis

• http://de.wikipedia.org/wiki/Levitation_%28Technik%29

• http://www.hcrs.at/DIAMAG.HTM