Magnetisches Schweben

Es ist faszinierend und wirkt fast magisch, wenn man sieht wie die kleine Kugel entgegen unserer Erfahrung einfach in der Luft schwebt. Warum fällt diese Kugel nicht nach unten?

 

 

Im Prinzip ist es ganz einfach, die Kugel schweben zu lassen: von Newton wissen wir, dass die Schwerkraft die Kugel in Richtung Erde zieht. Um das zu verhindern, brauchen wir eine zweite unsichtbare Kraft, die genau in gegengesetzter Richtung wirkt. Auch das ist im Prinzip ganz einfach: mit einem starken Elektromagneten können wir die Kugel so stark nach oben ziehen, dass sie trotz der Schwerkraft nicht mehr nach unten fällt. Doch wenn wir den Strom durch den Elektromagneten verändern um die Magnetkraft einzustellen, müssen wir sehr vorsichtig sein: ist der Strom und damit die Magnetkraft zu klein, fällt die Kugel nach unten, ist der Strom zu groß wird die Kugel nach oben zum Magneten gezogen.

Es mag zwar theoretisch möglich sein auszurechen oder auszuprobieren, bei welcher Stromstärke die Kugel in der Schwebe bleibt, in der Praxis wird das jedoch nicht funktionieren: wenn die Kugel schwebt reicht schon ein kleiner Luftzug oder eine kleine Erschütterung um das empfindliche Gleichgewicht aus Schwerkraft und Magnetkraft zu stören. Wir müssen daher die Kugel ständig im Auge behalten und blitzschnell den Strom verringern, wenn die Kugel nach oben steigt und  vergrößern, wenn sie nach unten fällt.

Da es wohl nur wenigen Menschen gelingen wird, diese Aufgabe zu meistern, müssen wir ein technisches System entwickeln, das den Strom durch den Magneten automatisch so einregelt, dass die Kugel in der Schwebe bleibt: wir müssen also einen sogenannten Regelkreis aufbauen, wie er im Bild dargestellt ist.

 

RK_Schwebende_Kugel

 

Um das Prinzip des Regelkreises zu verstehen, beginnen wir beim Istabstand oben rechts im Diagramm: damit ist der Abstand der Kugel vom Elektromagneten gemeint, den der Regler ständig messen muss. Hierzu dient der Sensor, der in fotografierten Versuchsaufbau mit Hilfe einer Lampe und einer Solarzelle aufgebaut ist: je weiter die Kugel vom Magneten entfernt ist, desto mehr Licht fällt auf die Solarzelle.

Wird der so berührungsfrei gemessene Istabstand vom Sollabstand subtrahiert ergibt sich die sogenannte Regeldifferenz. Diese ist ein einfaches Maß dafür, wieweit die Kugel vom Sollabstand entfernt ist. Ist die Regeldifferenz negativ, also die Kugel zu weit vom Magneten entfernt, muss der Regler den Magnetstrom vergrößern, bei positiver Regeldifferenz entsprechend verringern. Die Kunst bei der Entwicklung des Regelkreises ist es, den Regler so auszulegen, dass er weder zu stark noch zu schwach auf eine vom Sollabstand abweichende Kugelposition reagiert. Ist das gelungen, kann der berechnete Spulenstrom mit Hilfe einer Leistungselektronik im Elektromagneten eingestellt werden und die Kugel schwebt!

Die Entwicklung des Regelkreises für das magnetische Schweben der Kugel ist eine typische mechatronische Aufgabenstellung, bei der Know-How aus den Bereichen Mechanik (Kugelbewegung), Elektrotechnik (Elektromagnet, Sensor, Leistungselektronik) und Informationstechnik (Regelalgorithmus) kombiniert werden, um ein faszinierendes System zu schaffen, das mehr ist als nur ein Spielzeug oder Blickfang: Technische Anwendung findet das Prinzip des magnetischen Schwebens zum Beispiel bei der reibungsfreien magnetischen Lagerung von Wellen oder bei der Magnetschwebebahn Transrapid.

 

Weitere Informationen erhalten Sie von: Prof. Dr.-Ing. Stefan Hillenbrand

Ein Gedanke zu “Magnetisches Schweben

  1. Pingback: Projektseite “Magnetisches Schweben” online | Studiengang Mechatronik | Hochschule Pforzheim

Schreibe einen Kommentar