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Vorwort - Schwebender Magnet - (Erklärung)

Im Internet oft unter Anti-Gravitation zu finden. Nur weil etwas schwebt hat es nix mit Antigravitation zu tun. Jeder massenbehafteter Körper unterliegt der Gravitation. Es werden hier, in diesem Beispiel, nur Kräfte ausgeglichen. Gravitationskräfte werden mit magnetische Kräften kompensiert.


Die schwebende Kugel - Levitron

Der fertige Aufbau der schwebenden Kugel:
Hier nun die selbst gebaute Schwebevorrichtung (Levitron) um eine magnetische Kugel (Neodym ø19) in der Schwebe zu halten. Im Fuß befindet sich die Elektronik zum Regeln und oben ein Elektromagnet und der benötigte Sensor. Die Spannungsversorgung erfolgt durch ein Steckernetzteil 15V Gleichspannung. Der Stromverbrauch ist sehr gering.


Der mechanische Aufbau der Schwebevorrichtung

 
Die Teileliste zum Bau der schwebenden Kugel:
Links: Die Spule (Elektromagnet) bildet das Herzstück des Levitrons ( siehe magnetische Flussdichte in Spulen).
Rechts: Die Grundplatte aus Aluminium ø99mm indem auch die benötigte Elektronik untergebracht wird. Außerdem die zwei Stützen aus Messing zum halten der Kuppel. In den seitlichen Schlitzen verlaufen später die "versteckten" Kabel zur Versorgung der Spule und die Anschlüsse vom Magnetsensor.

Das Gehäuse des Levitrons mit der Ansicht von unten:
Auf einer Lochrasterplatine (siehe weiter unten) findet die Elektronik zum regeln der elektromagnetischen Spule Platz. Die Kabel zur Versorgung der Kuppel werden durch die zwei Bohrungen geführt (Sensor und Spule).

Die Kuppel für die elektromagnetische Spule:
Sie ist aus Aluminium gefräst worden was erstaunlicher Weise keinen Einfluss auf die Funktionsweise des Levitrons hat. Der Hallsensor SS495 wird durch eine Gummischeibe fixiert und hält sich somit in der Spitze der Kuppel. Die Form spielt dabei überhaupt keine Rolle, somit ist ein kleiner Abstand zur Spule gewährleistet und aus optischen Aspekt wirkt der Schwebeabstand etwas größer.

Die Elektronik des schwebenden Magneten (Levitron):
Die Elektronik zum Levitron ist schnell auf einer Lochrasterplatine aufgelötet. Der Schaltplan für die schwebende Kugel findet ihr weiter unten. In der Kuppel sitzt nun die Spule samt Stahlkern und Zusatzmagnet (Neodym). Der Stahlkern verstärkt das Magnetfeld sowie der oben aufgesetzte Magnet (wäre der Stahlkern etwas länger könnte man auch auf den oberen Magneten verzichten).

Levitron (hinter den Kulissen):
Die Platine wurde von unten mit vier Schrauben M3 befestigt.
Auf dem rechten Bild sieht man schön wie die Messing-Stege geschlitzt worden sind (6mm tief und 2mm breit) um die nach oben führenden Kabel verstecken zu können. Je zwei Kabel wurden in einem Schrumpfschlauch gesteckt (ohne zu schrumpfen) und anschließend in die Schlitze gedrückt.

Buchtipp - Tolle Nachschlagewerke nicht nur für den Hobbybastler


Der Schaltplan und schematischer Aufbau

 
Der Schaltplan des Levitrons ist sehr einfach gehalten:
Ein 5Volt-Regulator 78L05 Datenblatt) der als Spannungsversorgung für den Hallsensor SS495 ( Datenblatt) dient und auch die Referenzspannung für den OPV bereitstellt, welche über ein Regler einstellbar ist. Damit lässt sich dann auch die Höhe des Schwebens einstellen.
Der OPV UA741 oder LM348 ( Datenblatt) fungiert als Differenzverstärker.

Als Leistungsverstärkung sorgt ein IRF4905 ( Datenblatt) für die Ansteuerung der Spule. Die Schaltung wird mit 12V- 16V betrieben und zieht gerade einmal um die 60mA (Magnet in der Schwebe). Ohne Magnet steigt der Strom enorm an. Versuche wurden bei mir mit einem Labornetzgerät gemacht und so war der Strom auf 500mA begrenzt. In diesem Zustand erwärmt sich die Spule zunehmend so das ein Dauerbetrieb nicht zu empfehlen ist. Um dies dennoch zu umgehen empfielt sich eine Strombegrenzung einzubauen.


 

Das Funktionsprinzip schwebender Magnet:
Ein Elektromagnet (Spule) wird eingeschaltet. Es wird der Schwebemagnet angezogen. Nähert sich die Kugel dem Magnetsensor (Hallsensor), so reagiert dieser und schaltet den Elektromagneten wieder aus. In der Folge sinkt die Kugel wieder ab. Der Magnetsensor schaltet in diesem Moment erneut den Elektromagneten ein und der Vorgang beginnt von vorne. Dies geschieht ca. 70mal in der Sekunde.

Gewonnene Erkenntnis:
Die Spule ohne "Eisenkern" ist sehr schwach. Es müssten enorme Ströme fließen was die Spule unnötig aufheizt.
Mit Kern ist die Spule wesentlich effektiver. Nachteil ist aber dass der Schwebemagnet den Kern anzieht.
Positiv: Dadurch erhöht sich aber der Abstand von Spule zum Schwebemagnet bei gleich bleibender Leistung des Elektromagneten.
Negativ: Die Schwebeposition ist nicht mehr so stabil wie ohne Kern.
Der obere Magnet verstärkt noch einmal die Funktion des Kerns, somit konnte ich die Kugel ø19mm auf einen Abstand von 21mm zum schweben bringen. Hier ist die Schwebeposition sehr labil. Eine Erschütterung lässt die Kugel abstürzen oder sie wird nach oben gezogen. Kleinere Magneten lassen sich nicht mehr zum schweben bringen dazu müsste der obere Magnet entfernt werden und unter Umständen der Kern etwas nach oben geschoben werden.

Der Sensor SS495A:
Je nach stärke des Magnetfeldes gibt der Sensor eine Spannung aus. Somit kann eine genaue Abstimmung vorgenommen werden. Die Position sollte genau mittig zur Spule liegen und mit etwas Abstand zur Spule (Versuche ergeben die genauen Daten).



Fotos vom fertigen Levitron

 
Spielereien mit den schwebenden Magneten:
Sehr komisch! Der Witzbold muß auch immer dabei sein.
Die oben liegende Kuppel mit der Spule und dem Sensor ist nur von den Messing-Stegen geklemmt worden. Ein O-Ring sorgt für zusätliche Stabilität. In der kleinen Ausbeulung sitzt der Hallsensor SS495. Die Kuppel ist mit einem Alu-Deckel verschlossen worden, der nur drauf liegt.

Schwebendes Objekt:
Tja was soll man da sagen. Der Magier bei seiner Arbeit :-)

Freies Schweben:
Im Garten wirkt die schwebende Kugel schon sehr dekorativ!
Die schwerelose Kugel:
Das Levitron mal etwas größer! Immer wieder ein Hingucker.

Faszination Schweben:
Da kann man sich nicht genug satt sehen. Die Kabel in den Schlitzen wurden mit Schrupfschlauch (ungeschrumpft) abgedeckt was man sehr gut auf dem rechten Bild erkennen kann.


Technische Zeichnungen zum Aufbau der schwebenden Kugel (Drawings)








Video  der schwebenden Kugel    Mein Kanal bei YouTube



 
  Produktion:
Musik:
 
Andreas Titze
Karl-Heinz Knop Light2Art
 
 

Vom Komponist geschaffene, kunstvoll ästhetische und unnachahmliche Lampen aus Glas und Achat.



 

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Eingesandte Nachbauten von anderen Levitrons


   Levitron von Bernd:

- altes Mikroskop als Gestell
- größere Spule (CuL 0,28)
- 27mm Schwebedistanz
- Coole Gauss-Anzeige
- Schaltfrequenz 30Hz


Levitron von Mikado:
Aus einem 20mm Buchenbrett wurden 20mm Leisten abgesägt. Für die benötigen Kabel wurden die Leisten mit Bohrungen Ø6mm versehen. Die Spule hat 32 mm und ist mit 0,22 mm Draht bewickelt. Auf der Spule liegt mit Ø12mm ein Dauermagnet, der in den Deckel hineinragt. Die Elektronik wurde auf einer Streifenraster-Platine realisiert.

   Levitron von Ulrich:

- Spule 100 Ohm
- 18V 90mA

- Tausch von C2 auf 47nF
- nur noch 12V 50 mA



       



Kaufempfehlung zum Thema  "Schwebende Objekte"



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