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Levitron

Das ist ein so genannter Magnetschwebekreisel oder Levitron. Über einer Basis ausgroßen Ringmagneten schwebt ein kleiner Kreisel, der ebenfalls aus einem Ringmagneten besteht. DerKreisel wird in allen 3 Dimensionen im Raum stabilisiert und in seiner Lage gehalten, so dass er völligfrei im Raum schwebt. Das widerspricht eigentlich dem Theorem von Earnshaw, das eine statischeLevitation verbietet.

FunktionDer Kreiselmagnet ist so gepolt, dass er sich von den Basismagneten abstößt. Durch die Rotation desKreisels wird ein seitliches Ausbrechen verhindert. Kippt der Kreisel seitlich weg, wird er an dieser Stellevom Magneten stärker abgestoßen und er richtet sich wieder auf. Nach der Kreiseltheorie kommt es dabeizu einer Präzessionsbewegung. Durch ständige Abstoßvorgänge ergibt sich eine Taumelbewegung um dasmagnetische Zentrum der Basis. Dieser Bewegung kann der Kreisel aber nur in einem gewissenGeschwindigkeitsbereich folgen. Da er durch Wirbelstrom- und Hystereseverluste abgebremst wird, fällter schließlich wieder herunter. Um zu zeigen, dass der Luftwiderstand nicht allein für das Abbremsen verantwortlich ist, wurde diesesLevitron auch in einer Vakuumglocke betrieben. Dabei ergibt sich zwar eine längere Schwebezeit, abertrotzdem fällt der Kreisel schließlich herunter. Unter Normaldruck läuft dieses Modell ca. 1 bis 2 Minuten,im Vakuum maximal 5 Minuten. Auch wenn zum Auspumpen der Vakuumglocke einige Zeit benötigtwird, ist das Endvakuum noch während der Laufzeit des Kreisels erreicht. Wenn dann keine Verluste mehrauftreten würden, wie man vielleicht annehmen würde, sollte er wesentlich länger weiterlaufen. Zum Levitron gibt es auch zwei US-Patente mit den Nummern 5,404,062 und 4,382,245.

Aufbau und DimensionierungDie Magnete der Basis stammen alle aus alten Lautsprechern. Ich habe einfach alles zusammengekratztwas da war, um die nötige Feldstärke zu erreichen. Es müsste auch mit zwei oder drei großen 102 mmRingmagneten funktionieren. Der Kreiselmagnet stammt von einer Magnetfirma (sieheBezugsquellenliste). Zwischen die Magnete habe ich zur Feldstärkeregulierung Aluminiumplatten gelegt.Dazu kann aber auch jedes andere, unmagnetische plattenförmige Material verwendet werden. DasKreiselinnenteil ist aus Nylon Kunststoff gedreht. Auch hier können andere Materialien verwendetwerden. Wichtig ist nur das Gewicht möglichst gering zu halten. Zum Starten des Kreisels wird noch einePlatte benötigt, mit der man dann den Kreisel in die richtige Position hebt. Dazu eignet sich am besteneine Plexiglasplatte, da man dann den Kreisel genau in der Mitte des großen Ringmagneten positionierenund andrehen kann. Für die grundsätzliche Dimensionierung eines Magnetschwebekreisels muss folgendes beachtet werden: 1.) Wenn sich der Kreisel dicht über den Basismagneten befindet, sollte er angezogen (!) werden, dennsonst ist ein Starten fast unmöglich. Die anziehende Kraft, die von der Unterseite der Basis kommt, musssich kurz über der Hebeplatte in eine abstoßende umwandeln. Sonst ist der Kreiselmagnet falsch gepolt.Dieses Verhalten kann aber nur dann erreicht werden, wenn der Innendurchmesser des Basismagnetengrößer ist als der Außendurchmesser des Kreisels. 2.) Wenn es beim Anheben des Kreisels keinen Punkt gibt, bei dem er kurzzeitig zu schweben versucht,

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oder weit in die Höhe springt, dann ist die Feldstärke der Basis zu gering. Dann kann man entweder einenzweiten Magneten dazu schalten, oder dünnere Abstandsplatten verwenden. 3.) Hat man mit den Platten einen Punkt eingestellt, bei dem der Kreisel nicht mehr all zu hoch wegspringt, dann muss man den Feinabgleich mit Beilagescheiben am Kreisel durchführen. Dazu eignen sicham besten Kunststoffscheiben, da diese keine Abbremsung durch Wirbelströme verursachen. Durchlangsames Erhöhen des Gewichtes, sollte der Abhebevorgang so eingestellt werden, dass der Kreiselgerade noch in die Höhe gezogen wird. Denn sonst hoppelt er auf und ab, was wiederum nur dieSchwebezeit verkürzt. 4.) Magnete sind temperaturabhängig. Wenn man also nach stundenlangen Versuchen eine optimalfunktionierende Einstellung gefunden hat, muss diese am nächsten Tag nicht unbedingt funktionieren.Durch das Anfassen werden die Magnete warm, was zu einer Abschwächung des Magnetfeldes führt.Kühlen sie dann ab, steigt ihr Feld wieder an. Allgemein gilt, je kälter es ist, umso mehr Beilagescheibenmuss man am Kreisel anbringen.

AbmessungenWenn man nicht genau diese Magnete auf Lager hat, würde jedem empfehlen, das hier vorgestellte Modellnicht nachzubauen. Gleich große Magnete für die Basis sind sicher eine sauberere Lösung. Dazu würdeich zwei oder drei Magnete mit 102 mm Außendurchmesser empfehlen. Aber für einen ersten Überblick folgen hier die Abmessungen meiner Magnete:

Kreisel:Ferritmagnet: Innendurchmesser: 17 mm, Außendurchmesser: 35 mm, Dicke:8 mm Gewicht des Kreisels mit Kunststoffinnenteil: 32 g

Oberer Basismagnet: Ferritmagnet: Innendurchmesser: 51 mm, Außendurchmesser: 102 mm,Dicke: 10 mm

Obere AL-Platten: Zwei 4 mm dicke AL-Platten

Mittlerer Basismagnet: Ferritmagnet: Innendurchmesser: 36 mm, Außendurchmesser: 90 mm, Dicke:17 mm

Untere AL-Platten: Zwei 4 mm dicke AL-Platten

Unterer Basismagnet: Ferritmagnet: Innendurchmesser: 33 mm, Außendurchmesser: 86 mm, Dicke:11 mm

Mit Hilfe eines optischen Drehzahlmessers habe ich noch die Geschwindigkeit des Kreisels beimAbheben und kurz vor dem Herunterfallen gemessen. Die Angaben sollen nur als Richtwert dienen undmüssen von anderen Modellen nicht unbedingt eingehalten werden. Maximalgeschwindigkeit: ca. 1220 U/min - Mit höherer Drehzahl ist kein Abheben möglichMinimalgeschwindigkeit: ca. 1030 U/min - Bei geringerer Drehzahl fällt er herunter

Startgeschwindigkeit: ca. 1500 U/min - Mindestgeschwindigkeit beim Andrehen auf demBasismagnet

Eines ist klar, je größer dieser Bereich ist, umso länger läuft der Kreisel. Mit diesen Werten ergab sich beioptimalem Start des Kreisels eine Laufzeit von ca. 1 bis 2 Minuten. Die Drehzahlen erscheinen auf denersten Blick zwar sehr hoch, werden aber von jedem händisch gestartetem Kreisel leicht erreicht. Die Schwebehöhe beträgt bei diesem Modell etwa 3 bis 4 cm. Interessant ist, dass der Kreisel mit der Zeitrelativ stark absinkt, bevor er dann endgültig herunterfällt. Es ist mir aber nicht gelungen, ihn schon ingeringer Höhe abheben zu lassen !

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Die Verwendung von mehreren Basismagneten hat den Vorteil, dass man eventuelle Ungleichmäßigkeitenin der Magnetisierung durch Verschieben der Magnete zueinander ausgleichen kann. Das ist z.B. dann derFall, wenn der Kreisel nach kurzer Schwebezeit immer in die gleiche Richtung ausbricht. Auch die sonstnötige exakte horizontale Ausrichtung kann man sich dadurch ersparen. Ich kann nur jeden dazu ermuntern, mit verschiedenen Konfigurationen zu experimentieren. DerParameterbereich für eine erfolgreiche Levitation (lat. Aufhebung der Schwerkraft) ist zwar sehr klein,lässt sich aber wie man sieht, mit Magneten aus der Bastelkiste durchaus erreichen. Geben Sie nicht sofort auf ! Ich hatte erst nach zwei Tagen probieren Erfolg.

BedienungDer Startvorgang ist bei diesem Modell etwas schwierig, doch wenn man es einige Male gemacht hat, istes keine Kunst mehr. Das Andrehen des Kreisels sollte möglichst in der Mitte des großen Ringmagneten,und ohne seitliches Anstoßen erfolgen, weil sonst der Kreisel zu stark taumelt und auf einen der großenMagnete springt. Wenn der Kreisel dann halbwegs ruhig läuft, kann man versuchen, die Plexiglasplatte langsam anzuheben.Man wird dann schnell feststellen, dass er bald wieder zu taumeln beginnt. Dann muss man die Platte einStück absenken, damit er sich wieder stabilisieren kann. Wenn die Drehzahl dann ihren optimalen Werterreicht hat, kann man sie weiter anheben. Es gibt für jede Höhe eine Drehzahl bei der er stabil läuft. Sindalle Parameter richtig gewählt, so gibt es eine Höhe, bei der sich der Kreisel von der Platte löst und dannfrei im Raum schwebt.

Hier sieht man einen erfolgreichen Startvorgang. Das Video zeigt nur den letzten Teildes Abhebevorganges. Um den Kreisel zu starten, muss man von ganz unten beginnen und langsamanheben. Ein weiteres Video zeigt den Schwebevorgang in Großaufnahme Bei meinem Modell konnte ich feststellen, dass man den Kreisel meistens zu schnell andreht und dannlange warten muss, bis er die richtige Geschwindigkeit erreicht hat. Man soll beim Stabilisieren auch nichtzu lange auf einen ganz ruhigen Lauf warten, denn eine gewisse Taumelbewegung muss der Kreiselausführen. Das ist notwendig, um sich vom Magneten abstoßen zu können, um eine Präzessionauszuführen. Einen ganz ruhig laufenden Kreisel kann man sogar über den Schwebepunkt heben. Wenn erdann aber aus dem Gleichgewicht kommt, springt er schlagartig davon. Der Kreisel scheint sich im Schwebepunkt in einer Art mechanischer Resonanz zwischen denMagnetkräften und der Schwerkraft zu befinden, die nur in einem relativ kleinen Parameterfenster auftritt.Um das optimal einstellen zu können, muss man einfach experimentieren, das Verhalten des Kreiselsrichtig interpretieren und weiter verwerten. Oder anders ausgedrückt, die Fragen an die Natur in derSprache stellen, in der man ihre Antworten dann auch verstehen kann.

Elektrischer AntriebDie mit einem Levitron erreichte Levitation ist zwar sehr eindrucksvoll, aber nur von kurzer Dauer, weilder Kreisel durch Luftreibung und Wirbelströme abgebremst wird. Wenn man sich an dem Anblick desschwebenden Kreisels länger erfreuen will, ist es möglich, ihn elektrisch in Rotation zu halten. Wer einerein passive, magnetische Levitation vorzieht, sollte sich die diamagnetische Levitation ansehen.

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Zum Testen des elektrischen Antriebs wurde ein fertiges Levitron aus demSpielzeuggeschäft verwendet (blaue Magnetplatte). Die dreidimensionale Spulenanordnung stammt vonden Versuchen mit dem 3D Iarga Funktionsmodell und wurde einfach auf die Magnetplatte gestellt.Grundsätzlich würde für den Antrieb ein einzelnes Spulenpaar ausreichen, so wie es auf der Seite vonMartin Simon. vorgeschlagen wird. Durch das Magnetfeld der horizontalen Spulen wird der Kreisel leichtgekippt, also seine natürliche Taumelbewegung unterstützt. Wenn das genau im Takt seinerRotationsfrequenz geschieht, kann ihm Energie zugeführt werden.Dazu werden die Spulen der Z-Achse (vorne - hinten) durch einen Audioverstärker gesteuert, der an einenFrequenzgenerator angeschlossen ist. Eingespeist wird ein sinusförmiges Signal. An dem Spulenpaar derY-Achse (links - rechts) wird zusätzlich ein Oszilloskop zur Messung der Rotationsfrequenz des Kreiselsangeschlossen. Die orthogonale Anordnung der Spulen erlaubt es gleichzeitig eizuspeisen und zu messen,da der speisende Strom keine Spannung in der Messspule induziert. Das macht optische Messungenüberflüssig und erleichtert die Synchronisation derart, dass sie händisch einzustellen ist.Bei der Einstellung muss unter Beobachtung von Strom und Rotationsfrequenz eine Phasenkopplung derbeiden Signale erreicht werden. Dazu misst man nach dem händischen Starten des Kreisels mit den Y-Spulen seine Rotationsfrequenz. Dann stellt man genau diese Frequenz ein und speist sie über denVerstärker auf die Z-Spulen. Es wird sich eine Schwebung an den Y-Spulen zeigen. Die Frequenz mussdann langsam nachgestellt werden, bis die Phasen beider Signale starr zueinander sind. Dann ist derKreisel synchron zu der eingespeisten Frequenz und es kann Energie auf den Kreisel übertragen werden.Es ist dann sogar möglich, ihn durch vorsichtiges Erhöhen der Frequenz zu beschleunigen.Unter Optimierung von Frequenz und Stromstärke findet man einen oder mehrere Punkte, wo der Kreiselsehr ruhig läuft. Mit einer solchen Einstellung hatte ich nach einer Laufzeit von über einer Stunde denVersuch abgebrochen, ich nehme an, er wäre auf unbestimmte Zeit weitergelaufen.

Hier noch die wichtigsten Eckdaten für den elektrischen Antrieb des gekauften Levitrons:

Spulen Durchmesser: 95 mm270 Windungen mit 0,5 mm Lackdraht

Strombereich: Min: 0,3A - darunter Verlust der KopplungMax 1,5 A - darüber zu instabil

Frequenzbereich: Min: 25 Hz - darunter fällt er herunterMax: 34 Hz - darüber zu instabil

Der Magnetismus gehört zu jenen Bereichen, die sicher noch nicht vollständig erforscht sind. Das zeigtschon allein die Tatsache, dass der Magnetschwebekreisel erst vor wenigen Jahren entdeckt wurde. Hinterden magnetischen Kräften verbirgt sich sicherlich mehr als nur Feldlinien und Kraftwirkungsgesetze.

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