Levitation

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Ein Elektromagnet läßt Gegenstände aus Eisen schweben.

Vor ca. 30 Jahren sah ich im Deutschen Museum in München eine Stahlkugel in der Größe einer Billardkugel unter einem Elektromagneten schweben. Die Regelung wurde über eine seitliche Beleuchtung gemacht. Der Schatten der Kugel wurde mit einer Fotozelle detektiert. Das wollte ich zuhause nachbauen. Nach einigem hin und her ist es mir wirklich gelungen. Den Originalschaltplan habe ich vor einiger Zeit wiedergefunden, er sieht ziemlich primitiv aus:

Original Analogschaltplan

Das Prinzip war klar: Mehr Licht auf dem Sensor BPW34 bedeutete eine absinkende Kugel, also mehr Strom im Elektromagnet. Weniger Licht mußte natürlich zum Gegenteil führen. Das System war am Anfang nicht so recht stabil zu bekommen. Aber dann hat der 68nF-Kondensator die Erlösung gebracht. Damit hat die Schaltung dann prima funktioniert, ich konnte problemlos mehrere Stahlkugeln untereinander hängen, oder eine Stahlwelle, die man dann drehen konnte. Der Elektomagnet wurde allerdings schnell recht warm, so daß man nicht sehr lange damit herumspielen konnte.

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Später im Studium habe ich dann erfahren, daß ich einen PD-Regler gebaut hatte. Der D-Anteil kommt vom Kondensator. Die Theorie konnte nun das erklären, was ich durch Ausprobieren vorher herausgefunden hatte.

Vor einiger Zeit kam bei mir der Wunsch auf, das Ganze nochmals schöner aufzubauen, so richtig wohnzimmertauglich und natürlich zeitgemäß mit einem Mikrocontroller. Dadurch ist es z.B. möglich, den Elektromagneten bei fehlender Kugel abzuschalten, was die analoge Regelung nicht machen würde. Sie würde vielmehr den Strom auf Maximum erhöhen, was nur noch die Problematik mit der Erwärmung verschärft.

Funktionsweise

Dieses Foto zeigt nochmals die Funktionsweise der Schwebe. Von rechts beleuchtet eine LED eine Fotodiode in der linken Stütze. Die Kugel wirft einen Schatten, der bewirkt, daß je nach Höhe, mehr oder weniger Licht auf die Fotodiode fällt. Der Magnet oben, wird anhand des Fotodiodensignals so gesteuert, daß die Höhe der Kugel konstant ist, auch wenn z.B. noch weitere Kugeln unten angehängt werden.

Das Video oben zeigt nun das Ergebnis des zweiten Anlaufs meiner Aktivitäten in Sachen Levitation.

Im Video sieht man auch eine Konsequenz aus der Methode mit Licht die Höhe zu bestimmen: Die Quetschzange kann ich drehen, da die obere Kante einen Schatten liefert, der in allen Lagen gleich aussieht. Die Kombizange hingegen, öffnet sich ein wenig. Daher würde beim Drehen um 90° der Spalt mehr Licht durchlassen, was dazu führen würde, daß die Zange angehoben wird. Da der Spalt so tief geht, würde die Zange ziemlich unsanft oben an den Magneten stoßen.

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