Levitation - Sheydin Design

Elektromagnetische Levitation
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3.1. Grundlagen
Um über Anwendungen magnetischer Levitation nachdenken zu können,
ist es wichtig im Ansatz zu verstehen, was Elektromagnetismus
eigentlich ist, wie es funktioniert und wie man damit der Gravitation
entgegenwirken kann.
Gravitation und Elektromagnetismus gehören neben der starken und der
schwachen Kernkraft zu den vier Grundkräften der Physik, den fundamentalen
Wechselwirkungen. Diese beiden Kräfte waren schon in der
klassischen Physik Newtons bekannt. Nachdem im 20. Jahrhundert
Radioaktivität und Atomkerne entdeckt wurden, kamen die schwache
und die starke Wechselwirkung dazu. Diese beiden anderen auf subatomarer
Ebene wirkenden Kräfte interessieren uns jedoch nicht, wenn wir
verstehen wollen, wie makroskopische Dinge schweben können. Der
Elektromagnetismus bzw. die Elektrodynamik beschäftigt sich mit bewegten
elektrischen Ladungen, den Elektronen, und dadurch entstehenden
magnetischen Kraftfeldern, die im weiteren Verlauf der Arbeit von
großem Interesse sind. Die Elektrostatik ist gewissermaßen ein Spezialfall
und beschäftigt sich mit ruhenden elektrischen Ladungen und
ihren Feldern. Um mit magnetischer Levitation arbeiten zu können und
über Anwendungen nachzudenken, muss man sich demnach mit dem
Zusammenhang und der Wechselwirkung von Gravitation und Elektromagnetismus
beschäftigen.
3.1.1. Gravitation
Die Gravitation macht sich dadurch bemerkbar, dass sich frei im Raum
bewegliche Dinge zur Mitte der schweren Masse hin zeigen. Die Gravitationskraft
zwischen zwei Massen ist im Gegensatz zu elektrischen
und magnetischen Kräften immer anziehend. Nach Isaac Newton
wächst die Gravitationskraft zwischen zwei Objekten mit dem Produkt
ihrer Massen. Wenn zwei Massen klein sind, ist die Gravitation zwischen
ihnen gering. Die Erde hat eine relativ große Masse, die wir in
Form der Erdanziehung erfahren. Dies ist jene Kraft, welcher die magnetische
Levitation entgegenwirken kann.
Newton beschreibt, dass sich die Gravitation zwischen zwei Massen
quadratisch in ihrem Abstand verringert. Das heißt der doppelte Abstand
zwischen zwei Massezentren verringert die Kraftwirkung der
Gravitation um einen Faktor von vier. Der dreifache Abstand verringert
die Kraft mit einem Faktor von neun usw. Das ist das sogenannte Abstandsgesetz.
Auf der Erdoberfläche ist die Gravitationskraft relativ konstant. Da der
Abstand zum Massezentrum der Erde relativ groß ist, ist die Differenz
der Gravitation beispielsweise auf dem Mount Everest kaum bemerkbar,
jedoch mit Instrumenten messbar. Eine Distanz von der Erde von
über 300 km entspricht einer Entfernung vom Massezentrum der Erde
um 5 % und entspricht damit einer Reduktion der Gravitationskraft um
lediglich 10%. 25 Astronauten sind nahezu schwerelos, doch das nur
aufgrund des freien Falls. Der Unterschied zu Fallschirmspringern besteht
lediglich in der Abwesenheit des Luftwiderstands. Die konstante
Geschwindigkeit eines Shuttles lässt die Astronauten sozusagen »um
die Erde fallen«.
Abb. 19: Freier Fall
Die Einsteinsche Relativitätstheorie
beschreibt
zwar die Gravitation
als eine relative geometrische
Eigenschaft
des Raumes, ändert
aber nichts an Newtons
klassischer Beschreibung
von deren Wirkung
im Alltag. Diese
Newtonsche Mechanik
wird erst aufgrund des
Zusammenhangs von
Raum und Zeit in großen
Maßstäben unpräzise.
25 vgl. Livingston 2011, S.20f.