Levitron – Magnetisches Schweben

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LevitronDas Levitron besteht aus einem magnetischen Kreisel und einer magnetischen Basis. Dreht man den Kreisel an, so schwebt dieser frei über der Grundplatte, denn das untere Ende des Kreisels wird von dieser abgestoßen – ein absolut verblüffendes Phänomen.

Die Erfindung des Levitrons

Die Fähigkeit von rotierenden, magnetischen Kreiseln über anderen Magneten zu schweben wurde von dem amerikanischen Erfinder Roy Harrigan Ende der 70er Jahre entdeckt. Bis dahin galt das magnetische SchwebenLevitron kaufen für Permanentmagente als unmöglich. 1983 erhielt Harrigan für seine Erfindung das Patent.

10 Jahre später wurde Bill Hones von der Firma Fascinations auf das Patent aufmerksam, denn auch er beschäftigte sich mit dem Thema magnetisches Schweben. Kurz darauf trat er mit Harrigan in Kontakt und erhielt von diesem sogar einen Prototypen zur Verfügung gestellt. Obwohl auch über eine Zusammenarbeit zur Vermarktung des Levitrons gesprochen worden sein soll, kam es dazu jedoch nicht.

Stattdessen beantragte Bill Hones mit seinem Vater ebenfalls ein Patent für ein dem Harrigan-Modell sehr ähnliches Gerät. Auch ihnen wurde ein Patent erteilt und sie begannen das neue Produkt ab 1994 mit großem Erfolg unter dem Namen Levitron zu vermarkten. Als Erfinder des Levitrons gaben sie sich selber aus. Das ist heute jedoch nicht mehr der Fall.

Das Erstaunliche an der Erfindung dieses Physikspielzeugs ist, dass so viele verschiedene Faktoren für ein erfolgreiches magnetisches Schweben korrekt eingestellt und aufeinander abgestimmt sein mussten. Dies gilt für folgende Parameter:

  • die Stärke des Magnetfeldes von Basis und Kreisel und die richtige Geometrie. Es gilt: Der Nordpol des Kreisel wird vom Nordpol der Basis abgestoßen aber vom Südpol der Basis angezogen. Der Südpol des Kreisel hingegen wird vom Südpol der Basis abgestoßen und vom Nordpol angezogen.
  • das Gewicht des Magnetkreisel, denn nur mit dem korrekten Gewicht schwebt der Kreisel auch in der richtigen Höhe, um wiederum den kleinen Bereich im Raum bzw. im Magnetfeld der Basis zu treffen, in dem ein stabiles magnetisches Schweben überhaupt möglich ist. Das Gewicht hängt dabei jedoch auch von äußeren Faktoren wie zum Beispiel der Temperatur ab. Aus diesem Grund muss das Levitron auch in der heute käuflichen Variante vor jeder Benutzung neu einjustiert werden. Aus diesem Grund wird es mit verschiedenen Gewichten (von 0,06 bis 3 g) geliefert. Kleinste Änderungen in der Temperatur führen nämlich dazu, dass auch das Magnetfeld sich verändert und: je wärmer es ist, desto schwächer wird das Magnetfeld.
  • die Drehgeschwindigkeit ist von großer Bedeutung, denn dreht der Kreisel zu schnell oder zu langsam wird er instabil und fällt. Laut Hersteller kann der Kreisel bei ca. 20 bis 26 Umdrehungen pro Sekunde eine besonders stabile Position einnehen. Bei mehr als 30 oder weniger als 18 Umdrehungen pro Sekunde wird er hingegen instabil. Das bedeuetet, dass sich der Kreisel weder zu schnell noch zu langsam drehen darf.
  • die Basis muss gerade stehen, sonst kippt der Kreisel zur Seite

Man kann sich kaum vorstellen, wie kompliziert es war, all diese Faktoren richtig einzustellen und wieviel erfolglose Versuche Harrigan hinter sich gebracht haben musste, bevor er endlich ein stabiles Schweben zustande brachte.

Wie funktioniert das Levitron?

Mit der Funktionsweise dieses Physikspielzeugs beschäftigen sich zahlreiche wissenschaftliche Abhandlungen. Dies liegt vor allem daran, dass das magnetische Schweben bis zur Entdeckung des Levitrons – wie schon erwähnt – für Permanentmagnete als unmöglich galt, denn es widerspricht dem Earnshaw-Theorem. Dieses Theorem besagt vereinfacht gesagt, dass man keinen magnetischen Aufbau finden kann, über dem ein weitererer Magnet stabil schwebt.

Das Levitron funktioniert jedoch trotzdem, weil sich das Earnshaw-Theorem bei genauer Betrachtung auf ruhende Permanentmagnete bezieht. Bei rotierenden Magneten kommt eine weitere Kraft ins Spiel, die für Stabilität sorgt: das Drehmoment. Das auftretende Drehmoment wiederum hat seine Ursachen in der so genannten Drehimpulserhaltung.

So vermögen Kreisel sich – auch wenn die Schwerkraft oder eine magnetische Kraft an ihnen zieht – immer wieder neu aufzurichten. Am Ende fällt der Magnetkreisel, weil er durch die Reibung der Luftmoleküle immer langsamer wird und dadurch schließlich instabil läuft.

Anleitung

Man startet den Kreisel auf der Schwebehilfe. Dreht der Kreisel stabil, so hebt man die Schwebehilfe vorsichtig an, bis der Kreisel abhebt und zu schweben beginnt. Am besten stützt man die Hände seitlich ab (s. Video). Selbst wenn der Kreisel instabil zu laufen scheint, so kann er sich beim Anheben noch stabilisieren.

Springt der Kreisel zur Seite weg, steht die Grundplatte schief. Diese muss dann nachjustiert werden.

Springt der Kreisel nach oben weg, so ist er zu leicht und benötigt mehr Gewicht. Das Gegenteil ist der Fall, wenn er gar nicht abheben will.

Sobald der Kreisel schwebt, dreht man die Schwebehilfe um, so dass der Magnetkreisel in der Kuhle landen kann.

Achtung: Bis der Kreisel stabil läuft braucht es etwas Geduld und Geschicklichkeit. Um zu verhindern, dass der Magnetkreisel beim Sturz Schaden nimmt, kann man etwas Weiches um das Levitron herum legen. Fällt der Kreisel auf das Holz, kann dies zu Macken führen. Ggf. muss man das Holz beim Üben schützen.

Video zum Levitron

 

Quelle:
CREATIVE GIFTS, INC., FASCINATIONS TOYS & GIFTS, INC. and WILLIAM HONES, Plaintiffs-Appellees v. UFO, MICHAEL SHERLOCK and KAREN SHERLOCK, Defendants-Appellants., No. 99-2247, UNITED STATES COURT OF APPEALS TENTH CIRCUIT
Artikel von Martin D. Simon, UCLA Department of Physics, veröffentlicht in American Journal of Physics, April 1997

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