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Hintergrundinformationen zum magnetischen Schweben

Magnete schweben nicht einfach so

Ein von S. Earnshaw 1848 aufgestelltes Theorem besagt, dass es nicht möglich ist, nur unter Verwendung von Permanentmagneten ein vollständig freies Schweben zu bewerkstelligen. Das hat sicher schon jeder bemerkt, wenn er mit Magneten herumgespielt hat. Es ist nicht möglich z.B. einen Magnet durch Ausnutzung der abstossenden Kraft auf einem anderen so auszubalancieren, dass er frei schwebt. In diesem Fall ist er horizontal instabil, d.h. er wird seitlich wegkippen, sich schliesslich umdrehen und dann vom unteren Magneten angezogen werden. Im anderen Fall, wenn man versucht einen kleinen Magnet durch einen grösseren hochzuheben, gelingt es nicht ihn in einer stabilen Lage frei im Raum zu halten. Jetzt ist er vertikal instabil und er wird entweder auf dem oberen Magneten kleben bleiben oder zu Boden fallen. Auch unter Zuhilfenahme weiterer Magnete ist es nicht zu bewerkstelligen, den schwebenden Magnet zu stabilisieren. Das liegt in der Tatsache begründet, dass sich die magnetischen Feldlinien immer verkürzen wollen. Der Magnet wird also irgendwann leicht seitlich wegkippen und so dem Feld eine geringere Distanz bieten, auf der dann eine größere Kraft wirkt, die ihn noch weiter kippt usw. In der Praxis sieht das dann so aus, dass der Magnet immer an einem anderen kleben bleibt.

Wie wir im Folgenden sehen werden hatte S. Earnshaw mit seinem Theorem nicht ganz recht.

Magnetisches Schweben dank Diamagnetismus

Eisen wird von einem Dauermagneten stark angezogen. Es gibt Stoffe welche von einem Magnetfeld immer abgestossen werden. Diesen Effekt nennt man Diamagnetismus.

 

Beispiele von diamagnetischen Stoffen:

  µr
Stickstoff 1-3 10-10
Wasser 1-7.2 10-7
Wismut 1-1.4 10-5
Graphit 1-1.6 10-4
Pyrolytisches Graphit in der Ebene 1-8.5 10-5
Pyrolytisches Graphit senkrecht zur Ebene 1-4.5 10-4

 

Pyrolytisches Graphit ist mit Abstand am stärksten diamagnetisch. Der Effekt ist aber im Vergleich zur anziehenden Wirkung von Eisen nur sehr schwach. Es braucht sehr starke Neodym-Magnete damit Graphit oberhalb von Dauermagneten in der Schwebe gehalten werden kann. Ein Beispiel dafür ist quadro_12.

 

Es ist auch möglich Dauermagnete über oder unter diamagnetischen Stoffen schweben zu lassen. Dazu muss aber der grösste Teil der Gewichtskraft mit einem zusätzlichen Magneten kompensiert werden.

Skizze:

 

Kraftverlauf:

 

Ein Beispiel dafür ist diana_26.

 

Pyrolytisches Graphit ist auch sonst ein spezielles Material. Hier einige Angaben ohne Gewähr.

Dichte 2.2 103 kg m-3
Ausdehnungskoeffizient in der Ebene 5 10-7 K-1
Ausdehnungskoeffizient senkrecht zur Ebene 6.5 10-6 K-1
Thermische Leitfähigkeit in der Ebene 400 Watt / m / K
Thermische Leitfähigkeit senkrecht zur Ebene 3.5 Watt / m / K
Spez. el. Widerstand in der Ebene @ 300 K 5 10-6 V / A / m
Spez. el. Widerstand senkrecht zur Ebene @ 300 K 6 10-3 V / A / m
Temperaturbeständigkeit
(Oxydation ab 650 °C)
3200 K

 

Magnetisches Schweben mit Supraleitern

Supraleiter sind Stoffe, welche Strom fast widerstandslos leiten. Alle heute bekannten supraleitenden Stoffe müssen stark gekühlt werden damit sie supraleitend werden. Kommt man mit einem Permanentmagneten in die Nähe eines Supraleiters, wird im Supraleiter ein Stromfluss induziert. Im Gegensatz zu einem sonstigen elektrischen Leiter bleibt dieser Stromfluss über lange Zeit bestehen. Das so entstandene Magnetfeld stösst den Dauermagneten weg. Ein Permanentmagnet kann daher über einer supraleitenden Platte schweben.

Magnetisches Schweben mit Levitron

Es ist möglich, dass ein rotierender Magnet über einer grossen Magnetplatte schwebt. Ein schönes Beispiel dafür ist das Levitron levitron_omega. Das Schweben dauert aber nur solange wie der rotierende Magnet genügend schnell dreht. Beim Levitron maximal ca. 3 Minuten.

Impressionen: Ansporn zum Experimentieren

Zwischen den vergoldeten Magnetwürfeln mit abwechselnden Polen schwebt ein dreieckiger Graphitstab. (Manche Bleistiftminen (HB) schweben auch).

 

Bildquelle: Kay Kublenz, DE. Besten Dank!

Grossformat
Oben ist ein grosser Magnet. Ein kleiner Magnetwürfel wird zwischen zwei Graphitplatten stabilisiert.

 

Bildquelle: Kay Kublenz, DE. Besten Dank!

Grossformat
"Quadro 15" Marke Eigenbau.

 

Bildquelle: Kay Kublenz, DE. Besten Dank!

Grossformat
Magnet zwischen Graphit, Kurzfilm magnet.wmv

Graphit über Magnet, Kurzfilm, graphit.wmv

Quelle: Bernd Hauck, DE. Besten Dank!

 

Eine Facharbeit zum Thema Magnetisches Schweben von Jens K.

magn_schweben_facharbeit_k.pdf (350 kB)

 

 


   

Last Change: 2008-05-21     Zulu v2.1.8