Ein kleiner Magnet schwebt völlig frei im Raum zwischen zwei Metallplatten.
Doch so etwas sollte doch eigentlich gar nicht möglich sein. Oder
halten Sie es für selbstverständlich ?
Wenn man ihn leicht anstößt, dreht er sich ganz langsam einige
Minuten lang und demonstriert so eindrucksvoll die geringen Reibungsverluste
eines Magnetlagers. Im Vakuum konnte übrigens
keine wesentlich längere Rotationszeit festgestellt werden. Die Energie
geht hauptsächlich in Form von Wirbelströmen verloren.
Theorem von
Earnshaw
Das von S. Earnshaw 1848 aufgestellte 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. Das ist ganz nebenbei eine interessante Asymmetrie
zwischen Magnetfeld und Gravitation bezüglich der anziehenden und
abstossenden Kraft..
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, oder einen mechanischen
Kontakt sucht, der eine weitere Annäherung verhindert. Es reicht aus,
wenn er sich nur an einem einzigen Punkt abstützt, dann ist das Schweben
stabilisiert.
Wir wissen aber, dass es z.B. mit Supraleitern
bei sehr tiefen Temperaturen sehr wohl möglich ist, ein freies Schweben
zu erreichen. Das zeigt uns der Meißner-Effekt
sehr deutlich. Weiters ist auch beim Levitron
ein freies Schweben, allerdings nur für begrenzte Zeit, zu beobachten
So wurden dem Theorem im Lauf der Zeit immer mehr Ausnahmen hinzugefügt,
was eigentlich schon zeigt, dass es kein wirklich gutes Theorem ist.
Eine weitere Ausnahme sind die diamagnetischen Stoffe. Solche werden
von einem Magnetfeld immer abgestoßen und ähneln daher einem
Supraleiter.
Diamagnetismus
Diamagnetische Stoffe haben ein µr von kleiner 1. Sie besitzen
die seltsame Eigenschaft, von einem Magnetfeld abgestoßen zu werden.
Dabei ist es egal, ob sie dem Nord- oder Südpol genähert werden,
sie erfahren immer eine Abstoßung. Das beruht auf der Tatsache, dass
diamagnetische Stoffe weniger Feldlinien aufnehmen können, als die
Umgebung (meistens Luft). Dadurch werden sie aus dem Feld herausgedrängt.
Man könnte vereinfacht auch sagen, dass diese Stoffe weniger magnetisch
sind als das Vakuum oder Luft.
Einige diamagnetische Stoffe | |
Stoff | relative Permeabilität µr (Einheit 1) |
Vakuum | 1 |
Stickstoff unter Normalbedingungen | 1 - 0,3*10-9 |
Wasser | 1 - 0,72*10-6 |
Wismut | 1 - 14*10-6 |
Stickstoff hat demnach eine ganz leichte Tendenz sich vom Magneten zu entfernen. Im Gegensatz dazu ist Sauerstoff paramagnetisch ,er wird also von einem Magneten angezogen. Um einen Magneten herum herrscht also immer eine etwas höhere Sauerstoffkonzentration. Das könnte eine Erklärung für die heilende Wirkung sein, die den Magneten oft zugeschrieben wird.
Die diamagnetischen Stoffe würden bei einem hinreichend großen Magnetfeld wie ein Supraleiter zu levitieren beginnen. In Labors wurde mit einem Magnetfeld von vielen Tesla Stärke bereits Frösche (Wassergehalt) levitiert. Das Feld muss dazu aber extrem stark sein und das wird von Permanentmagneten nicht erreicht. Jetzt lässt sich aber ein diamagnetischer Soff auch passiv für die Stabilisation der Levitation einsetzen. Er muss also nicht unbedingt selbst schweben. Das hier zur Anwendung kommende Metall ist Wismut.
Wismut
Wismut, chemisches Zeichen Bi (engl. Bismuth) ist ein Metall ähnlich
Blei (Datenblatt zu Wismut). Es ist in
reiner Form aber viel härter und spröder, was hauptsächlich
durch die große Kristallstruktur zustande kommt. Hier im Bild sind
die großen Kristalle gut zu erkennen, die sich beim Abkühlen
der Schmelze besonders stark unter der Schlacke (Wismutoxyd) bilden. Es
schmilzt bei 271,3°C unter Verringerung des Volumens bzw. Erhöhung
der Dichte. Das macht sich beim Abkühlen einer Schmelze bemerkbar,
wenn immer wieder die bereits feste Kruste aufbricht und flüssiges
Wismut aus dem Kern herausfließt. Seine Dichte ist mit 9780kg/m³
etwas geringer als die von Blei (11340kg/m³). Es ist im Gegensatz
zu Blei aber nicht giftig. Das macht es zu einem idealen Material für
Munition für Jäger. Unter dem Begriff "umweltfreundliche Munition"
ist es in Waffengeschäften erhältlich. Es kann aber auch wesentlich
billiger von Metallfirmen (siehe
Bezugsquellenliste)
bezogen werden.
Bei Firmen wird es meist in solchen Blöcken angeboten. An der Bruchkante
ist wieder schön die Kristallstruktur zu erkennen und diese Bruchfläche
lässt vermuten, wie spröde es wirklich ist. Wismut ist mit der
Ordnungszahl 83 das letzte stabile Element im Periodensystem.
Alle Elemente höherer Ordnungszahl sind schon radioaktiv. Wismut ist
das diamagnetischste aller Metalle und zeigt daher Effekt, wie sie von Supraleitern
bekannt sind. Bezeichnend dafür ist auch, dass Supraleiter zum
Teil aus Wismut-/Bleioxidverbindungen hergestellt werden. Wismut ist
schlecht wärmeleitend und
hat einen sehr hohen elektrischen Widerstand, es ist genau betrachtet
eigentlich
schon ein Halbmetall. Damit einher gehend hat es auch den
stärksten
Halleffekt aller Metalle. Es ist also ein Metall mit einigen seltsamen
Eigenschaften und es wird sogar behauptet, dass es das Bindeglied zur
Antigravitation
darstellt. Was mich in diesem Zusammenhang überrascht hat, ist die
Tatsache, dass im Periodensystem das Element 115 genau unter Wismut
steht.
Element 115 ist jenes Material, dass angeblich auch in UFOs gefunden
wurde
und an deren Antrieb beteiligt sein soll.
Halleffekt
Der Halleffekt (Edwin Hall, 1879) von Wismut ist so stark, dass
er bereits mit einfachen Mitteln nachgewiesen werden kann. Dazu wird eine
Platte (40x40mm, 8mm dick) aus Wismut an zwei gegenüberliegenden Seiten
an eine Stromquelle (einige Ampere) angeschlossen. An den beiden anderen
Seiten wird mit einem empfindlichen Multimeter die Spannung gemessen. Durch
seitliches Verschieben der Elektroden kann ein Nullabgleich durchgeführt
werden. Nähert man sich jetzt mit einem starken Magneten der Platte,
so ist eine Spannung zu messen, die auch vorhanden bleibt, wenn der Magnetstill
über der Platte steht. (Keine Bewegungsspannung
)
Bei der Ablenkung im Magnetfeld werden auch die
Ladungsträger in einem Leiter vom Magnetfeld beeinflusst. Je nach
Feld- und Stromrichtung sammeln sich die positiven Ladungsträger an
einer Seite und die negativen an der gegenüberliegenden.
Erster Versuch
Bereits mit diesem Wismutblock ist eine diamagnetische Levitation möglich.
Dazu wird er senkrecht aufgestellt und in dem Spalt in der Mitte ein kleiner
Neodym Magnet platziert. Mit dem darüber gelegten großen Ringmagnet
wird der kleine Magnet unter Ausnutzung der anziehenden Kraft gehoben.
Dazu muss der Abstand zwischen den Magneten so eingestellt werden, dass
sich die Magnetkraft und die Gewichtskraft genau aufheben.
Durch die beidseitige Begrenzung mit dem Wismut wird der Magnet stabilisiert.
Er behält jetzt seine Position bei und wird nicht mehr in eine der
beiden Extremlagen geworfen. Die Eigenschaft von Wismut, die Feldlinien
zu verdrängen übt eine kleine abstossende Kraft auf den Magneten
aus. Diese Kraft ist zu klein, um sie zu spüren, wenn man sich mit
einem Magnet in der Hand dem Wismut nähert. Aber für den schon
fast gewichtslos ausbalancierten Magneten reicht diese Kraft aus, um ihn
zu beeinflussen. Wird er zu stark nach oben gezogen, so verkleinert sich
der Abstand zum Wismut, die abstossenden Kraft wird stärker und drückt
ihn wieder nach unten. Fällt er hingegen zu tief, so wird er in gleicher
Weise nach oben gedrückt. Der Magnet ist sozusagen in einem abstossenden
Feld eingeklemmt.
Die Frage nach der fehlenden Regelbewegung
Mann könnte auch sagen, das Wismut fungiert als Regler, wenn auch
auf eine sehr geschickte, passive Art. Es gibt ja auch diese elektromagnetischen
Levitationsgeräte, die über eine optische Rückkopplung und
einen elektronischen Regler einen Elektromagnet ansteuern und so das Schweben
stabilisieren. Sie sind eine beliebte Aufgabenstellung in Schulen, um die
Schüler zuerst mit der Regeltechnik zu quälen und ihnen dann
einreden zu können, was nicht für tolle Sachen damit zu erreichen
seien. An eine einfache und viel genialere Lösung wie diese, denkt
natürlich niemand !
Der Aufwand mit dem Elektromagnet ist völlig unnötig, wie
ich immer wieder betone. Denn der Versuch mit dem Diamagnetismus zeigt
uns, dass ein freies Schweben überhaupt keine Energiezufuhr benötigt.
Bei den elektrisch betriebenen Geräten werden demnach 100% der zugeführten
Energie unnötigerweise in Wärme umgesetzt ! Wo soll uns denn
der Fortschritt hinführen, wenn alles immer so kompliziert und gegen
die natürliche Harmonie gebaut wird ?
Doch der Gedanke an den perfekten Regler Wismut führt uns zu einer
völlig anderen Sichtweise der Levitation und Antigravitation. In der
Praxis sieht man bei der diamagnetischen Levitation absolut keine Regelbewegungen,
was bei den elektronischen Geräten aber schon der Fall ist und schon
allein dadurch zeigt, wie primitiv diese Lösung ist.
Doch wenn wir uns das Verhalten des schwebenden Magnetes mit dem Wismut
noch mal vorstellen, müssen wir unweigerlich zu dem Schluss kommen,
dass auch diese Regelung nur funktionieren kann, wenn es eine minimale
Regelabweichung gibt, also der Magnet sich auf und ab bewegt. Die unweigerliche
Instabilität ist ja durch die Eigenschaften des Magnetfeldes selbst
schon vorgegeben. Tatsache ist aber, dass absolut nichts sichtbar ist und
ich mir auch fast sicher bin, dass keine derartige Bewegung messbar ist.
Denn eine Bewegung würde Energie benötigen, um die Masse zu beschleunigen.
Durch die Luftreibung würde dann ständig Energie verbraucht und
wenn keine von außen zufließen kann, würde der Magnet
irgendwann aufhören sich zu bewegen und so die Regelung versagen.
Ich bin der Meinung, die Regelbewegung muss hier in einer höheren
Ebene gesucht werden. Es gibt sehr viele Theorien zur Antigravitation.
Doch jene, wonach die Antigravitation als eine schwingende Gravitationswelle
aufgefasst wird, finde ich in diesem Zusammenhang sehr interessant. Vielleicht
ist es deshalb bis jetzt noch nicht gelungen Antigravitation zu erzeugen,
weil alle nach einer abstossenden Gravitationskraft suchten und nicht nach
einer schwingenden Gravitation. Doch genau das könnte hier der Fall
sein. Die offenbar fehlende Regelbewegung im mechanischen Sinne könnte
sich hier in einer Schwingung höherer Qualität, als eine Art
schwingende Gravitation im Bereich des schwebenden Magneten äußern.
An Versuchsergebnisse in dieser Richtung wäre ich sehr interessiert.
Praktischer Aufbau
Der praktische Aufbau eines solchen Gerätes sieht nicht viel anders
aus. Alle Teile sollten aus einem unmagnetischen Material sein (hier Messing
und Kunststoff), da sonst Verzerrungen im Magnetfeld auftreten, die das
Schweben ungünstig beeinflussen können. Der Ringmagnet ist zur
leichteren Einstellung auf einer Gewindestange mit Kontra-Flügelmutter
montiert. Eine solche Einstellung sollte immer vorgesehen werden, da schon
allein durch Temperaturschwankungen die Magneten ihre Stärke verändern.
Aber auch große Eisenteile in der näheren Umgebung beeinflussen
die Lage des Schwebemagneten.
Zwischen den beiden Wismutplatten wird ein Abstand von genau 5,5mm
(lichte Weite) durch Abstandhalter eingestellt. Das ist wichtig, da bei
einem größeren Abstand der Schwebemagnet wieder anfängt
instabil zu werden. D.h. er schwebt dann nicht mehr zentrisch in der Mitte,
sondern ist einer der beiden Platten näher. Er kann dann nicht mehrkontinuierlich
in der Lage eingestellt werden. Er bleibt z.B. an der oberen Platte hängen
(immer noch frei schwebend) und fällt dann bei einem Einstellversuch
schlagartig hinunter, um über der unteren Platte zu schweben. Der
Abstand zwischen den Platten kann nur erfolgreich erhöht werden, wenn
der große Hebemagnet weiter entfernt wird. Dann ist der Feldverlauf
linearer und die Verkürzungswirkung der Feldlinien, die ja diese Hysterese
erzeugt, nicht mehr so ausgeprägt. Das bedingt natürlich auch,
dass der Hebemagnet immer stärker werden muss, um den kleinen Magnet
zu halten. Das wird rasch unwirtschaftlich. Mit einem 40mm dicken Ringmagneten
konnte der Abstand zwischen den Platten nur auf 6mm gesteigert werden.
Es ist aber interessant zu beobachten, dass der Schwebevorgang durch einen
größeren Abstand vom Haltemagnet begünstigt wird.
Wismutplatten: | 20x20mm, 6mm dick, in 5,5mm Abstand montiert |
Schwebemagnet: | Neodym-Scheibe: 6mm Durchmesser, 3mm dick |
Haltemagnet: | Ferrit-Ringmagnet: ID:33mm, AD:76mm, 10mm dick |
Abstand Schwebemagnet - Haltemagnet: | ca. 50mm |
Vorschläge für weitere Versuche
Neben Wismut ist auch noch Graphit sehr diamagnetisch. Das lässt sich
leicht an dem Modell demonstrieren. Nimmt man eine dünne Bleistiftmine
(0,5mm aus einem Druckblei) und schiebt sie unter den schwebenden Magneten,
so steigt er ein wenig nach oben. Schiebt man sie darüber, so sinkt
er nach unten. Das zeigt sehr schön die Tendenz des Magneten, sich
von diamagnetischen Stoffen zu entfernen. In dem Video wurde der Magnet
zusätzlich in Drehung versetzt, um zu zeigen, dass er nicht von der
Mine berührt wird. Interessant ist, dass er sich trotz der sehr dünnen
Mine doch merklich nach oben hebt.
Nicht alle Minen sind für diese Experiment geeignet. Sie enthalten
je nach Härte und Hersteller unterschiedliche Zusatzstoffe. Wenn Eisen
oder sonst ein ferromagnetisches Material dabei ist, wird der Magnet natürlich
von der Mine angezogen.
Ein Vorschlag zu einer anderen Konstruktion des Experimentes: Man könnte
viele solche Graphitminen nehmen und sie zu einem Block zusammenschichten,
den dann mit Gießharz festigen und das anstelle des Wismuts verwenden.
Vorher muss man natürlich mit einem Magnet testen, ob die Minen wirklich
nur aus reinem Graphit bestehen und nicht vom Magneten angezogen werden.
Eine interessante Idee wäre der Aufbau eines Radiometers.
Es könnten an dem schwebenden Magnet die Schaufeln befestigt werden.
Der Haltemagnet muss dann auf einem entsprechenden Arm montiert werden. Durch
die extrem geringe Reibung, müßte so eine Lichtmühle auch
bei normalen Luftdruck arbeiten können.
Obwohl die diamagnetischen Kräfte von Wismut sehr schwach sind,
so zeigen sie uns doch, wie Antigravitation aussehen könnte. Der Drang
der Natur kein freies Schweben zuzulassen, wird durch das schwerste (größte
Massenzahl) aller stabilen Elemente aufgehoben. Es bleibt zu hoffen, dass noch schwerere
Elemente noch viel ausgeprägtere Eigenschaften haben. Bis jetzt ist
Element 115 noch nicht nachgewiesen worden. Davor und danach aber schon
Elemente mit mehr oder weniger kurzen Halbwertszeiten, die in Richtung
115 aber interessanterweise länger werden. Bleibt zu hoffen, dass
Element 115 stabil und wirklich der Schlüssel zur Antigravitation
ist.