Im Jahr 2021 entdeckte der türkische Wissenschaftler Hamdi Ucar eine neuartige Form der Magnetschwebebahn, bei der ein schnell rotierender Magnet einen nahegelegenen Magneten zum Schweben brachte. Dieses Phänomen, das der klassischen Physik widersprach, wurde von Professor Rasmus Bjørk und seinem Team repliziert und untersucht. Sie fanden heraus, dass sich der schwebende Magnet mit dem rotierenden Magneten ausrichtet und so ein Gleichgewicht erzeugt, das einem Kreisel ähnelt. Bildnachweis: SciTechDaily.com
Wissenschaftler der Technischen Universität Dänemark (DTU) haben die zugrunde liegende Physik eines neu entdeckten Phänomens der Magnetschwebebahn bestätigt.
Im Jahr 2021 veröffentlichte ein Wissenschaftler aus der Türkei eine Forschungsarbeit, in der er ein Experiment beschrieb, bei dem ein Magnet an einem Motor befestigt wurde, wodurch dieser sich schnell drehte. Als dieser Aufbau in die Nähe eines zweiten Magneten gebracht wurde, begann der zweite Magnet zu rotieren und schwebte plötzlich in einer festen Position einige Zentimeter entfernt.
Während magnetische Levitation nichts Neues ist – das bekannteste Beispiel sind wahrscheinlich Magnetschwebebahnen, die auf einer starken magnetischen Kraft für Auftrieb und Antrieb basieren –, gab das Experiment den Physikern Rätsel auf, da dieses Phänomen weder in der klassischen Physik noch in irgendeiner anderen beschrieben wurde bekannter Mechanismus der Magnetschwebebahn.
Demonstrierte Magnetschwebebahn mithilfe eines Dremel-Werkzeugs, das einen Magneten mit 266 Hz dreht. Der Rotormagnet ist 7x7x7 mm3 und der Schwimmermagnet 6x6x6 mm3 groß. Dieses Video zeigt die in der Forschung beschriebene Physik. Bildnachweis: DTU.
Mittlerweile ist es das allerdings. Rasmus Bjørk, Professor an der DTU Energy, war von Ucars Experiment fasziniert und machte sich daran, es mit dem MSc-Studenten Joachim M. Hermansen nachzubilden und dabei herauszufinden, was genau vor sich ging. Die Replikation war einfach und konnte mit handelsüblichen Komponenten durchgeführt werden, aber die Physik dahinter war seltsam, sagt Rasmus Bjørk:
„Magnete sollten nicht schweben, wenn sie nahe beieinander sind. Normalerweise ziehen sie sich gegenseitig entweder an oder stoßen sie ab. Aber wenn man einen der Magneten dreht, kann man, wie sich herausstellt, dieses Schweben erreichen. Und das ist das Seltsame daran. Die Kraft, die auf die Magnete einwirkt, sollte sich nicht ändern, nur weil man einen von ihnen dreht, es scheint also eine Kopplung zwischen der Bewegung und der Magnetkraft zu bestehen“, sagt er.
Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Physik-Rezension angewendet.
Mehrere Experimente zur Bestätigung der Physik
An den Experimenten waren mehrere Magnete unterschiedlicher Größe beteiligt, das Prinzip blieb jedoch dasselbe: Indem sie einen Magneten sehr schnell drehten, beobachteten die Forscher, wie ein anderer Magnet in unmittelbarer Nähe, sogenannte „Floater-Magnete“, mit der gleichen Geschwindigkeit zu rotieren begann, während er sich schnell festhielt eine Position, in der es schwebte.
Sie fanden heraus, dass der Schwimmermagnet beim Einrasten in der Nähe der Drehachse und in Richtung des gleichen Pols des Rotormagneten ausgerichtet war. So blieb beispielsweise der Nordpol des schwebenden Magneten, während er sich drehte, in Richtung des Nordpols des feststehenden Magneten gerichtet.
Dies unterscheidet sich von dem, was aufgrund der Gesetze der Magnetostatik zu erwarten war, die erklären, wie ein statisches Magnetsystem funktioniert. Es stellt sich jedoch heraus, dass genau die magnetostatischen Wechselwirkungen zwischen den rotierenden Magneten für die Gleichgewichtslage des Floaters verantwortlich sind, wie Co-Autor und Doktorand Frederik L. Durhuus anhand von Simulationen des Phänomens herausfand. Sie beobachteten einen erheblichen Einfluss der Magnetgröße auf die Levitationsdynamik: Kleinere Magnete erforderten aufgrund ihrer größeren Trägheit höhere Rotationsgeschwindigkeiten für die Levitation und schwebten umso höher.
„Es stellt sich heraus, dass der schwebende Magnet sich mit dem rotierenden Magneten ausrichten möchte, sich dafür aber nicht schnell genug drehen kann. Und solange diese Kopplung aufrechterhalten wird, wird es schweben oder schweben“, sagt Rasmus Bjørk und fährt fort:
„Man könnte es mit einem Kreisel vergleichen. Es bleibt nicht stehen, es sei denn, es dreht sich, wird aber durch seine Drehung in seiner Position arretiert. Erst wenn die Rotation Energie verliert, wird die Schwerkraft – oder in unserem Fall der Druck und Zug der Magnete – groß genug, um das Gleichgewicht zu überwinden.“
Referenz: „Magnetische Levitation durch Rotation“ von Joachim Marco Hermansen, Frederik Laust Durhuus, Cathrine Frandsen, Marco Beleggia, Christian RH Bahl und Rasmus Bjørk, 13. Oktober 2023, Angewandte körperliche Untersuchung.
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.044036