Wie funktioniert magnetische Levitation: Magnete, Sensoren und schwebende Objekte

Wie funktioniert magnetische Levitation? Ein Magnet stößt einen anderen Magneten ab, aber diese Abstoßung allein reicht nie aus, um einen Gegenstand unbeweglich in der Luft zu halten: Es braucht ein System, das seine Position ständig korrigiert. Bei einer schwebenden Lampe übernehmen diese Aufgabe Sensoren und in der Basis versteckte Elektromagnete. Hier ist das Prinzip, seine Varianten und seine Grenzen.

Warum kann ein einzelner Magnet nicht schweben?

Ein Magnet kann nicht stabil über anderen festen Magneten schweben: Das ist ein physikalisches Gesetz, kein Herstellungsfehler. Der britische Mathematiker Samuel Earnshaw bewies dies 1842: Keine Anordnung von Permanentmagneten oder ruhenden Ladungen kann einen Gegenstand in allen Richtungen stabil im Gleichgewicht halten.

In der Praxis kann man die Abstoßung so einstellen, dass sie genau das Gewicht des Gegenstands in vertikaler Richtung ausgleicht. Doch sobald sich der Gegenstand nur um einen Millimeter zur Seite verschiebt, drückt die Kraft ihn noch weiter weg, und er kippt um. Jeder kann das mit zwei Kühlschrankmagneten überprüfen: Sie stoßen sich ab, dann dreht man sie um und sie haften zusammen.

Um dieses Theorem zu umgehen, gibt es vier Auswege: eine aktive elektronische Regelung, diamagnetische Materialien, Supraleiter oder die schnelle Rotation des Gegenstands. Fast alle Dekorationsgegenstände nutzen den ersten Weg.

Wie funktioniert die magnetische Levitation einer dekorativen Basis?

Eine Levitationsbasis kombiniert einen Permanentmagneten, der das Gewicht trägt, mit Elektronik, die verhindert, dass der Gegenstand zur Seite entgleitet. Der Globus oder die Figur enthält selbst einen Magneten; das Paar „Basis-Magnet / Gegenstands-Magnet“ erzeugt den Auftrieb.

Der Ringmagnet: die Kraft, die hebt

In der Mitte der Basis stößt ein ringförmiger Magnet den im Gegenstand befindlichen Magneten ab. Diese Abstoßung gleicht die Schwerkraft in einer präzisen Höhe aus, dem Luftspalt, der bei Dekorationsmodellen oft zwischen 1 und 3 cm liegt. Je schwerer der Gegenstand ist, desto tiefer sinkt er zur Basis hin, bis die Tragkraft des Systems erreicht ist.

Sensoren und Elektromagnete: der Korrekturkreislauf

Unter dem Ring befinden sich vier kleine Spulen, die Elektromagnete, paarweise einander gegenüber. Ein Hall-Sensor, der ein Magnetfeld in elektrische Spannung umwandelt, erkennt selbst die geringste Abweichung des Gegenstands. Ein Schaltkreis passt dann den Strom in den Spulen an, um ihn wieder zu zentrieren.

Dieser „Messen, korrigieren“-Kreislauf läuft kontinuierlich und viel zu schnell, als dass das Auge die Bewegung wahrnehmen könnte. Er umgeht das Earnshaw-Theorem: Das Gleichgewicht ist nicht statisch, sondern wird in jedem Moment aufrechterhalten. Deshalb fällt der Gegenstand auch herunter, sobald der Strom abgeschaltet wird.

Levitation von oben: der aufgehängte Gegenstand

Eine zweite Konstruktion platziert den Elektromagneten über dem Gegenstand, in einem Bogen. Der Magnet zieht den Gegenstand nach oben, und der Sensor reduziert den Strom, sobald er zu hoch steigt. Diese Konstruktion ist bei Dekorationsartikeln seltener und lässt sich an ihrer bogenförmigen Struktur erkennen.

Wie gelangt das Licht in einen schwebenden Globus?

Bei den meisten leuchtenden schwebenden Globen wird die LED drahtlos über Induktion mit Strom versorgt. Eine Sendespule in der Basis erzeugt ein magnetisches Wechselfeld; eine Empfängerspule im Gegenstand erfasst es und wandelt es in Strom um, ähnlich wie bei einem kabellosen Handyladegerät.

Der Abstand zwischen den beiden Spulen bleibt gering, was erklärt, warum die Beleuchtung nur funktioniert, wenn der Gegenstand über der Basis schwebt. Auf einem Tisch platziert, fern von seiner Basis, wird der Globus wieder zu einem einfachen, inerten Gegenstand.

Warum kann sich der Gegenstand um sich selbst drehen?

Ein schwebender Gegenstand dreht sich lange, weil er an nichts reibt: Nur der Luftwiderstand bremst ihn. Ein leichter Impuls der Hand reicht aus, um eine langsame Rotation in Gang zu setzen, die viele Minuten dauern kann.

Einige Präsentationsständer halten diese Rotation mit einem kleinen Ventilator aufrecht, der auf den Gegenstand bläst, andere nutzen die Spulen. Das Ergebnis ist dasselbe: eine sanfte Rotation ohne sichtbaren Motor, die den Eindruck eines Gegenstands aus einer anderen Welt verstärkt.

Welche anderen Arten der magnetischen Levitation gibt es?

Es gibt vier große Arten, einen Gegenstand mit Magnetismus schweben zu lassen. Nicht alle lassen sich zu Hause anwenden, aber sie verdeutlichen dieselben physikalischen Gesetze.

Die diamagnetische Levitation lieferte ein berühmtes Bild: 1997 ließen Forscher der Universität Nimwegen in den Niederlanden eine lebende Frösche in einem Feld von etwa 16 Tesla schweben, das Hunderttausende Male intensiver ist als das Erdmagnetfeld. Der Körper, der hauptsächlich aus Wasser besteht, wird von einem so starken Feld schwach abgestoßen.

Supraleiter hingegen funktionieren nur bei sehr niedrigen Temperaturen. Bei flüssigem Stickstoff auf etwa −196 °C gekühlt, frieren sie die Feldlinien ein und halten einen Magneten an Ort und Stelle, selbst wenn er verkehrt herum ist. Für weitere physikalische Experimente, die der Intuition trotzen, führt unser Artikel über faszinierende physikalische Phänomene und die Gegenstände, die sie inszenieren die Entdeckungsreise fort.

Wie kann ein Zug ohne Kontakt zu den Schienen fahren?

Ein Magnetschwebetrieb, oder Maglev, schwebt dank Elektromagneten oder supraleitenden Magneten über seiner Strecke. Ohne Kontakt zur Schiene hat er weder Räder noch mechanische Reibung, was es ihm ermöglicht, sehr hohe Geschwindigkeiten zu erreichen.

Zwei Familien existieren nebeneinander. Die in 2004 eröffnete Strecke in Shanghai nutzt Anziehung: An den Zug befestigte Elektromagnete unter der Schiene ziehen ihn nach oben, mit einem ständig kontrollierten Abstand von etwa einem Zentimeter, dasselbe Prinzip wie bei unseren schwebenden Gegenständen. Das japanische System nutzt supraleitende Magnete und Abstoßung; es erreichte 2015 bei einem Testlauf 603 km/h, den Rekord für einen Zug.

Die auf einem Schreibtisch platzierte Basis und der 600 km/h schnelle Zug folgen also demselben Prinzip: eine magnetische Kraft, die das Gewicht ausgleicht, und eine Steuerung, die das Ganze zentriert hält.

Wie setzt man einen schwebenden Gegenstand ab, ohne ihn fallen zu lassen?

Das Aufschweben erfordert vor allem Geduld: Man muss den Gleichgewichtspunkt über der Mitte der Basis finden und den Gegenstand dann loslassen, ohne ihn zu drücken. Die ersten Versuche scheitern oft, das ist normal.

Häufige Fragen