Lernen in Projekten: Elektromagnetismus

Antigravitation ist technisch noch nicht realisiert. Das „Levitationsprojekt: Schwebender Kreisel mit LEDs„[3] ist ein Make-Projekt bezeichnet. Es demonstriert eindrucksvoll Aspekte der drahtlosen Energieübertragung und gesteuerter elektromagnetischer Anziehung. Ohne den magnetischen Teil stellte das Make-Magazin ein ähnliches Projekt als Elektronischer Flaschenteufel schon in 2016 vor.

Nähere Erklärungen zum Bau sowie Schaltpläne finden sich in den obig verlinkten Beiträgen.

Den im „Levitationsprojekt“ schwebenden Kreisel halten gesteuerte Magnetfelder, die von einem Elektromagneten im Kopf des Aufbaus aufgebaut werden. Der Kreisel selbst verfügt über einen Neodym-Magneten, dessen Magnetfeld ein in der Nähe des Elektromagneten angebrachter Sensor misst. Die so festgestellte Intensität wird als Maß für die Entfernung des Kreisels vom Elektromagneten genutzt. Würde der Elektromagnet ständig mit maximaler Intensität arbeiten, klebte der Kreisel fest unter dem Elektromagneten.

Ziel: Erweiterung des Levitationsprojekts

Im Originalprojekt verhält sich der schwebende Kreisel einigermaßen ruhig. Er dreht aber bleibt ortsfest. Der Originalaufbau sieht 2 Elektromagneten vor, von denen nur einer (der obere (Kopf-)magnet) einen Regelkreis aufbaut, der es erlaubt die Schwebehöhe des Kreisel konstant zu halten. Der seitlich angebrachte Pendelmagnet kann für Bewegung im Schwebekreisel sorgen. Er arbeitet ungeregelt.

Eine Erweiterung in drei Schritten soll im Anschluss an die

  1. Verifikation des Nachbaus zunächst eine
  2. mittels Arduino gesteuerte, regelmäßige Auf- und Abwärtsbewegung des Schwebekreisels ermöglichen und
  3. abschließend eine über den im Kopfmagneten arbeitenden Arduino kreisförmige Bahn durch zusätzliche Regelung des Pendelmagneten beschreiben.

Ein erste Vorprojekt soll die genaue und reproduzierbare Bestimmbarkeit des Abstands eines Magneten von seinem Sensor [1] belegen. Hierzu wird ein Aufbau zu Bestimmung des Abstand eines Magneten von einem kompetenten Sensor mithilfe des „Linear Magnetic Hall Module“ KY-024 unter Anwendung eines Arduino NANO realisiert.

Der Aufbau ist entsprechend der Beispiele auf Arduinomodules.info oder sensorkit.en.joy-it.net zu realisieren. Weitere Tests sollen Aufschluss über die Empfindlichkeit des verwendeten Sensormoduls geben. Zunächst ist die Einstellbarkeit der Empfindlichkeit des Sensors zu verifizieren. Das auf dem Sensormodul befindeliche Potenziometer regelt laut Hersteller die Empfindlichkeit des Sensors.

Unter Verwendung des auf höchste Empfindlichkeit eingestellten Sensors ist das Magnetfeld zu ermitteln, das von einem mit 2 A Gleichstrom durchflossenen Draht ausgeht (Hilfsmittel ist ein regelbares, kurzschlussfestes Labornetzgerät). Es ist der minimale Strom zu ermitteln, dessen Magnetfeld vom Sensor zuverlässig erfasst wird. Das Levitationsprojekt verwendet ein Hall Effekt Sensor vom Typ SS495A, welcher als SS495B unmittelbar vom Arduino auszulesen ist. Hier als Arduino-Gaussmeter.

Mit Hilfe eines Kupferdrahtes/ einer Kupferllitze und eines magnetisierbaren Metallbolzens ist ein Elektromagnet aufzubauen. Hierfür wird möglichst viel Draht gleichmäßig so um den Bolzen gewickelt, dass Beginn und Ende des Drahtes zugänglich bleiben. Die Enden können mit Klebefilm auf der Wicklung / dem Bolzen befestigt und über geeignete Kabel mit dem Labornetzgerät verbunden werden. Das sich entwickelnde Magnetfeld ist in Abhängigkeit vom durch den Draht fließenden Strom zu bestimmen und grafisch aufzutragen. Zusätzlich ist in einer Grafik das gemessene Magnetfeld in Abhängigkeit vom Abstand zum Kopf des Metallbolzens aufzutragen. Hieraus leiten sich spätere Regelparameter ab.

Inwiefern hängt das von der Spule entwickelte Magnetfeld vom fließenden Strom und der Anzahl der Windungen der Spule ab?

Energieversorgung des Kreisels sicherstellen

Eine am Boden liegende Drahtspule versorgt den schwebenden Kreisel mit Energie. Hierzu erzeugt die Drahtspule ein elektrisches Wechselfeld, das auf den Kreisel einwirkt, dort empfangen und zu einer Spannung konvertiert wird, welche die LEDs zum Leuchten bringt. Elektrische Felder lassen sich mittels eines Arduino, der als EMF-Detektor aufgebaut ist, einfach nachweisen. Im fertigen Aufbau baut die Bodenspule ein hochfrequentes Wechselfeld auf. Im Zuge der Vorabeiten steht der Schwingkreis als kontinuierlicher Sender für die elektromagnetischen Wellen nicht zur Verfügung.

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Von X3ntar in der Wikipedia auf Deutsch – Übertragen aus de.wikipedia nach Commons durch Wdwd mithilfe des CommonsHelper., Gemeinfrei, Link

Mithilfe des Labornetzgerätes lassen sich in einer Drahtspule einzelne elektromagnetische Impulse erzeugen, wie sie die finale als Schwingkreis verwendete Drahtspule in hoher Frequenz aussendet. Hierzu ist die Spule fakultativ unter einen geringen Strom zu setzen. Durch Berühren von losen Drahtenden der Drahtspule mit den Kontakten des Netzgerätes sind derartige Impulse auslösbar. Das so mittels Drahtspule erzeugte elektromagnetische Feld ist mittels Draht / Drahtspule und eines Arduino, der als EMF-Sensor aufgebaut ist, nachzuweisen. Da es sich um Einzelimpulse handelt ist deren Anzahl und Intensität zu messen und im Programm des beschriebenen Aufbaus zu implementieren. Erik Bartmann[2] liefert in seiner Erklärung zur Entdeckung von Einzelereignissen (Entprellen von Tasten mittels Software ab Seite 339) einen gangbaren Weg. Im finalen Aufbau ist der in der Bodenspule fließende Strom der Entfernung des Kreisels von der Bodenspule = Nähe zur Kopfspule anzupassen, damit die Helligkeit der LEDs im groben Rahmen gleich bleibt. Programmgesteuert wäre auch eine Intensitätsverstärkung der Leuchtkraft am oberen und unteren Wendepunkt der Kreisbahn denkbar.

Quellen:

[1] 37 Sensoren Kit von Sertronics

[2] Erik Bartmann: Die elektronische Welt mit dem Arduino entdecken

[3] Levitationsprojekt: Schwebender Kreisel mit LEDs

[] Grove – Electricity Sensor

[] CT Sensors – Interfacing with an Arduino

[] How to Build an Arduino Energy Monitor – Measuring Mains Current Only

Weiterführende Literatur und Grundlagen:

[] Stefan Frings: Einstieg in die Elektronik mit Mikrocontrollern

Sein dreibändiges Werk umfasst nicht in erster Linie den Arduino sondern ist eine verständliche Einführung in das Reich der Elektronik rund um die Mikrocontrollertechnik. Unterschiedliche Mikrocontroller kommen zum Zuge. Die Programmierung nimmt wenig Bezug auf Arduino IDE, sondern nutzt die Vorteile direkter Programmierung.

[] Funduino: Anleitungen für Arduino  Deutschsprachige Einführung (135 Seiten) in den Arduino UNO nebst einigen Sensoren aus den Sensor-Kits. Es wird zur Zeit überarbeitet. Die Webseite hält viele Beispiele für etliche Sensoren, Displays etc. bereit, wobei auch die ESP-Familie zunehmende Würdigung findet.

[] Arduino Language Reference  Dieses Werk ist eine Buchausgabe auf 912 Seiten als PDF, durchsuchbar und herunterladbar. Es enthält interne Verlinkungen.

[] Arduino Language Reference Das Original auf Arduino.cc ist die aktuelle und gültige Referenz zur C++ Sprache und ihren Anpassungen für die Arduino IDE und alle Mikrocontroller, die mit ihr programmiert werden.

[] Arduino Projects Book von Scott Fitzgerald und Michael Shiloh. Mit 175 Seiten bietet diese englischsprachige Einführung Informationen gibt Neulingen Einblicke in die Grundlagen des Arduino und erklärt zudem auf einfache Weise elektronische Bauteile und ihre Funktion im Zusammenhang mit den Projekten.

[] Intro to Arduino von Sparkfun ist ein Präsentation / Bildgeschichte zur Einführung in den Arduino, seine Funktionen und Anwendungen im Zusammenspiel mit dem Starterkitmaterial von Sparkfun.

[] Introduction to Arduino von Alan G. Smith ist ein komplettes Buch aus 2011. Auf 172 Seiten führt Smith Erstinteressierte ausführlich und verständlich in Grundlagen der Programmierung und die Verwendung des Arduino UNO nebst einiger Sensoren ein.

Stephan Schlote Version 0.0.1 vom 17.12.2018