PHYSIK: Metalkugel mit Magnet schweben lassen
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Hallo. Ich versuche die ganze Zeit eine Metalkugel schweben zu lassen.
Versuchsaufbau:
+ - --------------°°---------- | | | |-|--------- | |N| | | | <==== Strommagnet | |S| ---------------|-| ################################### ^ | Fe Die Kugel=======> /-\ \-/ | Fh "Beobachtung:
Die Eisenkugel wird an das Magnet angezugen und bleibt an der Platte, die zwischen dem Magneten und der Eisenkugel ist, angezuogen hängen. Wenn man die Volts verkleinert, fällt Sie runter. Die Volt, bei denen die Eisenkugel hängt, sind 5,2 V und die Volts, bei denen die Kugel runtefällt, betragen 5,1 V.Deutung:
Erst muss Fh<Fe sein, damit die Kugel sich absetzt. Dann Fe=Fh damit die Kugel schwebt.Frage:
Die Kugel senkt sich sehr schnell ab. Deshalb kann man sie langsamer absenken lassen und wie kriegt man hin, dass Fe=Fh ist?
Ich habe das auch mit Wechselspannung und zwei magneten (von unten und von oben) probriert. Die Kugel fällt runter. Was man noch versuchen kann, ist die Kugel auf einem Luftstrahl schweben zu lassen. Kann mir jemand helfen?Jester: Mit Code-Tags funktioniert auch die Formatierung
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Danke...
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Das geht schon mit einem Elektromagneten... Aber das ist ein sehr schöner Fall für den Einsatz eines Reglers
Ohne ist das natürlich nciht stabil zu bekommen.
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Was war das denn nochmal?
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Ein Regler vergleicht den Sollwert mit dem Istwert und leitet einen Stellvorgang ein um Istwert=Sollwert herzustellen. Stichwort PID-Regler, oder, für diese Aufgabe vielleicht auch gut geeignet, Fuzzy-Regler.
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So nen Regler für eine schwebende Kugel haben wir mal mit Simulink simuliert. Ist schon keine ganz einfache Sache, wenn man das auch noch in die Realität umsetzen will.
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So schwer kann's nicht realisierbar sein, steht auf meinem Schreibtisch... eine Erdkugel, die schwebt. Kostet im Versand 24,95 EUR.
Will damit sagen: die notwendige Elektronik lässt sich mit wenigen Elementen realisieren. So von wegen Fuzzy...
Viel wichtiger ist es, daß System zu verstehen.
Wir können es ja mal untersuchen... was offensichtlich ist, daß man den Strom in der Spule als Stellgröße benutzt, um die Kraft des Magnetfeldes zu beeinflussen. Kein Problem.
Außerdem müssen die Kräfte
Kraft nach unten ist mg
Kraft nach oben kommt vom Magneten Fm = 1/2 µ0 H^2 A mit H = NI/Länge der Spuleim Gleichgewicht sein, das ist also unser eingeschwungener Regelkreis.
Als Regler einen PI-Regler. D-Anteil macht die Sache zu instabil, I brauchen wir, um Soll=Ist Endlage zu erreichen.
Was ich jetzt bloß noch nicht sehe ist welche Größe man in diesem System als Meßgröße nimmt - man muß ja Soll- und Istwerte vergleichen. Welchen Istwert nimmt man für die Messung? Die durch die Bewegung beim Einschwingen in der Spule induzierte Spannung?
Das würde irgendwie Sinn machen... denn wenn der Arbeitspunkt erreicht ist, wird die induzierte Spannung Uind = 0, d.h. Uind ist proportional zur Kräftedifferenz, und diese muß ja zu 0 gemacht werden. Könnte man mit einer zweiten Spule messen... bin mir nur nicht sicher, ob das funzt - wenn man den Strom in der 1. Spule stellt, wird ja in der 2. Spule auch eine Spannung induziert, die nicht von einer mechanischen Bewegung der aufgehängten Kugel kommt. Das gibt Probleme.
Vorschläge dazu?
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Marc++us: Sicher, die Kräfte müssen im Gleichgewicht sein, das ist aber nicht die Bedingung die wir primär erreichen wollen. Damit hast du ja gerade mal die Beschleunigung der Kugel geregelt, nichtmal die Geschwindigkeit. Die Kugeln wird dir also regelmäßig abhauen. Wir wollen einen Positionsregler.
Zur Messgröße fällt mir auch nichts ein (jedenfalls solange wir keine Extrasensoren zulassen), da ich in Magnetfeldern nicht so bewandert bin.
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Ich habe so ein Teil auch bei mir stehen.
Es gibt noch eine Lichtschranke daran womit der Abstand zum Magneten festgestellt wird.Ich habe die komplette Schaltung auch mal in einem Buch über Operationsverstärker gesehen.
Die Kugel darf auch nicht zu schwer sein sonst schafft das der Magnet nicht. Ist so ein Teil wie die Leutchtreflektorkugeln in den Discos (weiss nicht genau wie die heissen, aus dem Alter bin ich raus). Darin ist dann an der einen Seite noch ein kleiner Magnet.
Ich wollte mir das Teil mal bauen. Ist aber am Elektromagnet und der Kugel gescheitern. Alle Kugeln die ich hatte waren zu schwer. Der Rest waren Standard OP.Falls jemand Interesse daran hat, gebt mir die email-Adresse. Ich werde das die Tage dann mal suchen und einscannen.
Ist allerdings alles analog. Nix mit Software.
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Das kenne ich auch... steht irgendwo noch im Schrank, habe ich mir mal vor 1995 gekauft. Stimmt, diese Variante mit der "Disco"kugel hat eine Lichtschranke.
Aber die Erdkugel die ich jetzt habe besitzt diese nicht! Dort wird also eine andere Meßgröße benutzt, es muß irgendeine Ableitung einer Größe aus dem Magnetfeld sein... evtl. irgendwas mit Hall-Sensor?
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Bashar schrieb:
Marc++us: Sicher, die Kräfte müssen im Gleichgewicht sein, das ist aber nicht die Bedingung die wir primär erreichen wollen. Damit hast du ja gerade mal die Beschleunigung der Kugel geregelt, nichtmal die Geschwindigkeit. Die Kugeln wird dir also regelmäßig abhauen. Wir wollen einen Positionsregler.
Hatte ich gar nicht gesehen den Beitrag.
Will ich wirklich einen Positionsregler? Eigentlich nicht. Die Position ist mir doch egal.
Ich will einen Kräfteregler, ich will die Magnetkraft regeln. Das Kräftegleichgewicht habe ich im eingeschwungenen Zustand.
Wozu ich die Geschwindigkeit der Kugel regeln soll ist mir schleierhaft.
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Marc++us schrieb:
Ich will einen Kräfteregler, ich will die Magnetkraft regeln. Das Kräftegleichgewicht habe ich im eingeschwungenen Zustand.
Die "Magnetkraft" bzw. die Kraft auf die Kugel durch den Magneten ist aber nicht nur vom Strom durch die Spule sondern auch von der Entfernung der Kugel abhängig.
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Wenn man das Teil in Betrieb nimmt, muß man die Kugel ungefähr an den richtigen Ort hinhalten, bis die Regelung die Kugel übernimmt. D.h. die Regelung funktioniert nur für eine kleine Umgebung um die Zielposition herum.
Ich behaupte also mal der Einfachheit halber, daß die Entfernung eine Konstante ist und die einzige Einflußgröße auf die magnetische Kraft hier die Stromstärke in der Spule ist.