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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