Versuche zur Stoßmagnetisierung

Versuchsaufbau Das ist der Laboraufbau einer Stoßmagnetisierungsanlage. Links im Hintergrund ist ein Teil des Regeltrafos zu sehen, daneben das 24V Netzgerät. Ganz links ist der Ladewiderstand, daneben die beiden Kondensatoren und davor der Hauptschütz zu sehen. Durch einen Druck auf den Taster im Vordergrund entladen sich die Kondensatoren über die Spule rechts im Bild. Dadurch entsteht für kurze Zeit ein extrem starkes Magnetfeld. Mit diesem Aufbau wurde versucht, Ferritmagnete so zu magnetisieren, dass sich in ihnen eine so genannte magnetische Blase bildet. Bis jetzt ist das zwar noch nicht gelungen, aber es ist immerhin möglich mit diesem einfachen Aufbau einen Ferritmagnet komplett umzumagnetisieren. Das heißt, wo vorher der Nordpol war, ist nachher der Südpol. Das Feld eines so behandelten Magneten ist nachher auch genauso stark wie bei einem "unbehandelten" Magneten.

!! Achtung vor dem Nachbau !!
In dieser Schaltung werden hohe Spannungen in Verbindung mit Kondensatoren verwendet. Eine Berührung eines aufgeladenen Kondensators oder netzspannungsführenden Teilen kann lebensgefährlich sein! Es ist immer ein Entladewiderstand am Kondensator anzubringen. Die Schaltung sollte auch nie direkt vom Netz versorgt werden. Denn dann sind nach dem Gleichrichter beide Pole des Kondensators "heiß", denn der Außenleiter wechselt immer die "Seite" (!!!).
Beim Umgang mit dieser Schaltung ist immer Vorsicht geboten, denn einen aufgeladenen Kondensator kann man nicht abschalten!

Schaltungsbeschreibung
SchaltungDie Schaltung ist recht einfach. Sie besteht aus dem Regeltrafo mit nachgeschalteten Gleichrichter. Es sollte unbedingt ein von Netz galvanisch getrennter Regeltrafo verwendet werden. Über einen 220 Ohm Widerstand werden zwei Kondensatoren geladen. Hier wurden zwei parallelgeschaltet, um eine höhere Kapazität zu erreichen. Es empfiehlt sich auch den kleineren Kondensator näher bei der Spule anzubringen. Es ergibt sich dadurch eine größere Anstiegsgeschwindigkeit des Magnetfeldes, da ein kleinerer Kondensator auch eine geringere Induktivität aufweist. Will man eine noch höhere Anstiegsgeschwindigkeit erreichen sollten kleine MK oder MP-Kondensatoren parallel geschaltet werden. Dann ist es aber auch sinnvoll eine kleinere Hauptspule zu verwenden, da ihre Induktivität den Stromanstieg ebenfalls begrenzt. Grundsätzlich gilt aber immer, eine höhere Spannung ergibt auch einen schnelleren Stromanstieg in der Spule. Als Hauptschütz sollte einer mit großen Kontaktflächen verwendet werden. Der Nennstrom ist dabei gar nicht so wichtig, da es sich nur um kurze Belastung handelt und mit dem fließenden Strom von einigen hundert Ampere ist sowieso jeden Kleinschütz überfordert. Da er diesen Strom aber nicht abschalten muss, hält es auch einige Zeit aus. Zur eigenen Sicherheit sollte der Steuerkreis für den Schütz nur mit Kleinspannung betrieben werden und auf keinen Fall mit einem Pol des Kondensators verbunden werden.

Messungen an der Schaltung
OszillogrammUm eine Vorstellung von der Größe der hier fließenden Ströme zu gewinnen, wurde eine Strommessung mit einem Speicheroszilloskop durchgeführt. Dazu wurde ein 1 Milliohm Shuntwiderstand in die Zuleitung zur Magnetisierungsspule eingebaut. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand wurde mit einem Tektronix 2212 aufgezeichnet.
Das Oszillogramm zeigt einen stark gedämpften Schwingungsvorgang. Dieser entsteht in dem Parallelschwingkreis, der aus den Kondensatoren und der Magnetisierungsspule besteht. Die Frequenz dieser Schwingung beträgt etwa 45 Hz.
Die erste Spitze erreicht eine Spannung von 196mV. Das entspricht bei 1 Milliohm einem Strom von 196A! Der Stoßvorgang ist somit ein Schwingungsvorgang. Um das erzeugte Magnetfeld möglichst stark zu machen, sollten unnötig viele Schwingungen durch richtige Wahl der Spule vermieden werden.

StoßmagnetisierungDer rechteckige Ferritmagnet ist zwischen den beiden Spulen zu sehen. Die Spulen sind in Serie geschaltet um die Entladung länger andauern zu lassen. Wichtig ist dabei, die Spulen so zu schalten, dass sie sich einander anziehen, denn sonst springt einem die obere Spule mitsamt dem Versuchsaufbau entgegen. Bei dem Magnetisierungsvorgang kann es vorkommen, dass Teile des Magneten durch die auftretenden Kräfte abspringen. Diese fliegen dann mehr oder weniger schnell herum. Man sollte dabei also nicht unbedingt mit der Nase an der Spule kleben.
Auf diese Art kann man sehr gut einen Magneten stärken, der durch die vielen Fallversuche beim Bau des Levitrons schon schwach geworden ist. Für einen Ringmagneten ist eine Spule zu empfehlen, deren Innendurchmesser etwas größer als der Außendurchmesser des Magneten ist.


MPEG-Video 273kB Jedes leitende Metall, dass auf die Spule gelegt wird, wird durch das plötzlich ansteigende Feld und die dadurch im Material auftretenden Wirbelströme weggeworfen. Für Versuche in normalen Räumen sind nur kleine Al-Stücke zu empfehlen. Für diesen Versuch wurden die 2300µF nur auf ca. 100V geladen.

StoßinduktionKupfer ist viel besser leitend und eine Scheibe mit Loch in der Mitte ist die idealste Form für Kreisströme. Eine übriggebliebene Kupferscheibe von der N-Maschine passte genau auf die Spule. Bei voller Ladung von 325 V und nach einem erwartungsvollen Druck auf den Taster sprang sie mit einem stampfenden Geräusch fast einen Meter hoch. Doch wenn sie dann erst wieder herunterkommt.....

MPEG-Video 466kBMan kann das noch weiter steigern, wenn man größere Kondensatoren nimmt. Bei diesem Freilandversuch wurden insgesamt 25900µF auf 325V geladen. Die Scheibe flog fast zwei Meter hoch und das alles mit einer unmagnetischen Kupferscheibe ! Ein Stein wurde unter die Spule gelegt um einen besseren Untergrund für den Rückstoß zu liefern. Als die Spule nur im Gras lag, flog die Scheibe nur noch halb so hoch. An dem Knall und den Bewegungen der Spule kann man erkennen, wie groß die Kräfte sind.
Die Höhe lässt sich übrigens mit Hilfe des Videos sehr gut berechnen. In Frame 13 bei Zeitindex 0,52s hebt die Scheibe ab. Man sieht auch einen Funken in der Klemme unter der Spule. In Frame 41 bei Zeitindex 1,64s berührt die Scheibe den Boden. Das gibt eine Flugzeit von 1,12s. Daraus lässt sich die Scheitelhöhe mit der Formel h=1/2*g*(t/2)² berechnen. Das ergibt dann genau 1,53m.

Das zeigt eindrucksvoll, welche Energien in einem Kondensator gespeichert sind. Man kann dazu auch alte Festplattenscheiben verwenden. Diese sind zwar aus Aluminium, aber springen genau so gut, weil sie leichter sind. Die Höhe ist vorwiegend von der Dicke der Scheiben abhängig. Man kann auch mehrere dieser Scheiben übereinander legen, um die Sprunghöhe zu vergrößern. Die Höhe scheint quadratisch mit der Dicke anzusteigen.

Theoretischer Hintergrund: "Der induzierte Strom ist immer so gerichtet, dass sein Magnetfeld der Induktionsursache entgegenwirkt." Das ist die Lenz'sche Regel und in jedem Physikbuch zu finden. Auf unsere Kupferscheibe angewandt heißt das: Ein ansteigendes Magnetfeld  induziert in der Scheibe Kreisströme, deren Magnetfeld versucht, das der Spule aufzuheben. Dazu muss es umgekehrt gepolt  sein und wirkt dadurch abstoßend auf das induzierende Feld.

Weitere Versuche: Mit einem so starken Magnetfeld müsste es auch möglich sein, die diamagnetischen Eigenschaften von Wasser nachzuweisen. Ich hatte dabei nur das Problem, dass die Spule durch innere Kräfte mehr Stöße verursacht, als das Wasser selbst. Die Wellenbildung, die ich beobachten konnte, kam ausschließlich von der mechanischen Schockwelle in der Spule.
Man müsste das Wasserglas mechanisch von der Spule entkoppeln, um eine Wellenbildung durch das Magnetfeld nachzuweisen.
Vorsicht mit Wasser in Verbindung mit Strom !!!

Verbesserungsvorschläge
Wenn man noch einmal das Oszillogramm betrachtet, ist zu erkennen, dass der Strom in der Spule auch negative Werte erreicht. Dadurch entsteht natürlich auch ein Magnetfeld in der umgekehrten Richtung, was zu einer Schwächung der Magneten führen kann. Um das zu verhindern, kann man eine Diode in den Stromkreis einschalten. Diese verhindert ein Rückschwingen der Energie aus der Spule in den Kondensator. Um das Verhalten zu testen, wurde eine Versuchsschaltung mit geringerer Spannung aufgebaut. Denn eine Diode in der Magnetisierungsschaltung müsste natürlich auch den vollen Strom von ca. 200A und die Spannung von ca. 400V vertragen können. Da eine solche nicht zur Verfügung stand, wurden kleinere Spannungen verwendet und die Bauteile anders dimensioniert. Das Prinzip ist aber auf jeden Schwingkreis anwendbar.

Der Umschwingkreis:
MeßschaltungDie Schaltung zeigt den Aufbau und die Funktion. Ein 14µF Kondensator wird auf 24V geladen. Wird der Schalter S umgelegt, so entlädt er sich über die Diode und die Induktivität (0.8H = Vorschaltgerät für Leuchtstofflampen).
Zur Strommessung wurde ein Strombildner verwendet, um eine galvanische Trennung zu erreichen. Die Strommessung kann man natürlich auch mit einem Shuntwiderstand machen, dann muss man aber aufpassen, wo man das Oszilloskop erdet und welchen Kanal man invertiert.

Abgebrochene SchwingungIm Oszillogramm ist gut zu erkennen, wie der Kondensator seine Energie in die Drossel abgibt. Das ist bis zum Erreichen des Strommaximums der Fall. Dann versucht die Drossel die Stromrichtung aufrecht zu erhalten und liefert deshalb Energie in den Kondensator zurück, so dass die Kondensatorspannung negativ wird. Sobald der Strom Null ist, kann die Energie nur durch eine Umkehrung der Stromrichtung wieder in die Drossel gebracht werden. Doch das verhindert die Diode und stoppt somit die Schwingung. Die Spannung am Kondensator ist jetzt wieder annähernd 24V aber in umgekehrter Polarität. Dieses Prinzip wird in Stromrichterschaltungen angewandt, um einen Thyristor wieder löschen zu können. Es ist unter dem Namen Thyristorlöschung mit Umschwingkreis bekannt.
 

Der Schwingkreis:
MeßschaltungUm zu zeigen, wie die Schaltung ohne Diode schwingen würde, wurde diese entfernt. Die so entstehende Schaltung stellt dann einen normalen Schwingkreis da.

Gedämpfte SchwingungDas Oszillogramm zeigt eine gedämpfte Schwingung mit einer Frequenz von ca. 50 Hz. Da in dem geschlossenen Schwingkreis sehr wenig Verluste auftreten, schwingt er relativ lange. Sehr schön ist die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung zu erkennen. Immer, wenn die Spannung Null ist, hat der Strom ein Maximum. Dann ist alle Energie in der Drossel. Ist der Strom dagegen Null, so hat die Spannung ein Maximum, alle Energie ist jetzt im Kondensator. Aus den Bauteilwerten kann man übrigens auch die Resonanzfrequenz nach folgender Formel berechnen:

Die errechnete Frequenz stimmt nicht ganz genau mit der gemessenen überein. Aber wie jeder weiß, haben auch Bauteile eine Toleranz und außerdem wurde die Induktivität mit einer Meßbrücke bei 1kHz gemessen. Da das Vorschaltgerät aber einen Eisenkern besitzt, treten bei 1kHz schon sehr große Verluste in ihm auf. Außerdem ist bei einem Eisenkren die Induktivität stark vom Strom abhängig.

Eine Magnetisierungsschaltung hat dagegen relativ hohe Verluste (Ohm'sche Verluste durch den hohen Strom und Hystereseverluste durch die Magnetisierung) und schwingt deshalb nur wenige Perioden. D.h. die Schwingung ist sehr stark gedämpft. Wenn man eine Magnetisierungsschaltung nach diesem Prinzip umbaut, muss man nur darauf achten, wie groß die Spannung am Kondensator nach dem Umschwingen ist. Da meistens Elektrolytkondensatoren verwendet werden, dürfen keine hohen negativen Spannungen entstehen. Um diese abzuleiten, kann man eine Diode mit einem Entladungswiderstand parallel zu den Kondensatoren schalten.

Hohe Ströme können Gewaltiges leisten. Wenn man bedenkt, dass ein einmal magnetisierter Magnet seine Leistung viele Jahre behalten kann, wird klar welche Veränderungen die Ströme im Material hervorrufen müssen.

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