Vor einiger Zeit bin ich ganz zufällig auf das Prinzip eines Bismut-Levitators gestoßen und war natürlich sofort begeistert. Naheliegend war natürlich, mir selbst einen Levitator zu bauen. Es ist so ziemlich die einzige mir bekannte Möglichkeit, ein Objekt dauerhaft schweben zu lassen, ohne dabei Energie in Form von Strom, Kühlung etc. hineinzustecken.
Inhaltsverzeichnis
Video vom Bau des Bismut Levitators
In dem folgenden Video sieht man den gesamten Aufbau im Schnelldurchlauf, sowie den Bismut-Levitator "in Betrieb":
Wie kann man etwas schweben lassen?
Die meisten Leute, die schon einmal mit Magneten herumgespielt haben, werden bestimmt auch versucht haben, einen Magneten irgendwie schweben zu lassen. Doch leider stellt man ziemlich schnell fest, dass es einfach nicht gelingt, einen dauerhaften Schwebezustand nur mit Dauermagneten herzustellen. Bereits 1842 hat Samuel Earnshaw bewiesen, dass es kein statisches Magnet- oder elektrisches Feld gibt, das Objekte in einem stabilen Gleichgewicht halten kann (→ siehe Earnshaw-Theorem).
Aber wie kann man dennoch einen Magneten zum Schweben bringen? Prinzipiell fallen mir da zwei Möglichkeiten ein:
- Zum einen kann ein Magnet (oder auch nur eine simple Eisenkugel) mit Hilfe eines elektronisch geregelten Elektromagneten zum Schweben gebracht werden.
- Zum anderen gelingt dies auch mit Hilfe diamagnetischer Stoffe (→ siehe Diamagnetismus).
Ein diamagnetischer Stoff verhält sich grundsätzlich genau gegensätzlich zu einem para- bzw. ferromagnetischen Stoff. Er wird sowohl vom Süd-, als auch vom Nordpol eines Magneten abgestoßen. Dieser diamagnetische Effekt ist allerdings so gering, dass man davon kaum etwas merkt. Am besten ausgeprägt ist dieser Effekt bei Bismut oder pyrolytischem Graphit (mit Ausnahme von Supraleitern).
Prinzipieller Aufbau eines Bismut Levitators
Der prinzipielle Aufbau muss folgendermaßen aussehen:
Oben befindet sich ein Permanentmagnet, der den unteren Magneten anzieht. Ohne die Bismut-Platten würde der untere Magnet entweder nach oben gezogen werden oder er würde nach unten fallen. Jedenfalls würde er nicht in einer festen Position bleiben (wie zuvor bereits beschrieben). Werden nun die beiden Bismut-Platten entsprechend der Skizze angebracht, so stabilisieren diese den Magneten, da beide Platten den Magneten abstoßen. Die optimalen Abstände der einzelnen Platten und Magnete müssen durch Versuche herausgefunden werden. Die Abstände zwischen dem unteren Magneten und den beiden Bismut-Platten müssen allerdings relativ klein sein, da der Magnet mit zunehmendem Abstand zu den Platten nur noch sehr schwer stabilisiert werden kann.
Konstruktionszeichnungen
Bevor man mit dem Bau beginnen kann, muss man sich natürlich erst noch ein paar Gedanken über den Aufbau machen. Dazu habe ich den Bismut-Levitator in CAD erstellt.
Die Konstruktionszeichnungen als PDF gibt es hier: Bismut-Levitator: Konstruktionszeichnungen
Arbeitsschritte für Bau des Levitators
Bismutplatten herstellen
Zuerst wurde das gekaufte Bismut in einer Metallschüssel mit dem Bunsenbrenner erhitzt. Entstanden ist diese Platte:
Danach habe ich mit meiner CNC-Fräse aus der großen Bismut-Platte zwei kleinere Platten ausgefräst und diese anschließend abgeschliffen und poliert:
Magnethalterung herstellen
Damit die Position des oberen Haltemagnets variiert werden kann, wurde der Neodym-Magnet an ein Gewinde geklebt, das von einer Bananenbuchse stammt. Der Magnet besitzt eine Haltekraft von 6,7 kg und hat einen Durchmesser von 15 mm, sowie eine Höhe von 8 mm.
Holz ausfräsen und Bogen beschriften
Alle weiteren benötigten Teile wurden aus einer 18 Millimeter dicken Holzplatte gefräst und der Holzbogen wurde anschließend noch mit der CNC-Fräse beschriftet.
Gefräst werden mussten:
- Bodenplatte
- Bogen
- Bismut-Halterung
- Drehknopf
Den G-Code für das Fräsen des Bogens gibt es hier: G-Code: Bogen
Den G-Code für das Beschriften des Bogens gibt es hier: G-Code: Bogen-Beschriftung
Hierzu muss ich noch kurz erwähnen, dass der erste Buchstabe mit diesem G-Code mehrmals gefräst wird, da ich aus Versehen den Buchstaben wohl ein paar mal zu oft angeklickt habe, aber das macht ja nichts, außer dass es etwas länger braucht.
Holz schleifen und lackieren
In diesem Arbeitsschritt wurden die gefrästen und beschrifteten Einzelteile aus Holz mit Hilfe von Schleifpapier und einem Exzenterschleifer abgeschliffen und anschließend mit einer dunklen Holzlasur angestrichen (Farbe: Teak). Auf dem folgenden Foto ist das Holz allerdings noch unbehandelt.
Montage des Bismut Levitators
Als erstes wurden die Bismut-Platten in die Bodenplatte bzw. in die Bismut-Halterung gepresst und mit ein bisschen Sekundenkleber fixiert. Anschließend kamen Holzdübel mit ordentlich Holzleim in die dafür vorgesehenen Bohrungen in der Bodenplatte.
Danach wurde der Bogen mit der Bodenplatte verleimt und die Mutter von der Magnethalterung mit 2-Komponenten-Kleber in die mittige Bohrung im Bogen eingeklebt.
Bilder vom fertigen Bismut-Levitator
Hier sieht man schließlich den fertigen Bismut-Levitator:
