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Warum beginnt ein schwebender Magnet zu rotieren?
Schon bald nach der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung hat man erkannt, dass ein Magnet oberhalb eines Supraleiters in einer stabilen Position schwebt. In den 1990er Jahren wurde in verschiedenen Laboratorien unabhängig entdeckt (insbesondere auch von C. Palmy und F. Füllemann an der NTB), dass ein schwebender zylinderförmiger Magnet beginnt, um seine Längsachse zu wippen, dass sich das Wippen aufschaukelt und manchmal in eine Rotationsbewegung mündet.
Keywords: Schwebender Magnet, magentische Levitation
Vor einiger Zeit hat mich mein damaliger Kollege Prof. Dr. Claudio Palmy auf dieses Phänomen Aufmerksam gemacht und vorgeschlagen, dass man den Ursachen der Wipp-Bewegung auf den Grund gehen solle. Woher kommt also dieses eigenartige Verhalten? Das ist ein schönes Beispiel, wie eine Multiphysics-Modellierung und Simulation zu neuen Erkenntnissen geführt hat.
Zum Zustandekommen dieses Effektes tragen einige Faktoren bei:
- Durch das Kühlen des Supraleiters entsteht um den Magneten ein Temperaturgefälle (unten ist es kälter als oben).
- Das magnetische Feld des Permanentmagneten ist von seiner Temperatur abhängig. In den Bereichen, in denen sich dieses Experiment abspielt, steigt die Magnetisierung mit sinkenden Temperaturen.
- Durch die Drehung des Magneten findet ein konvektiver Wärmetransport zusätzlich zur Wärmeleitung innerhalb des Magneten statt.
Eine mathematische Modellierung dieser Sachverhalte führt auf ein gekoppeltes System von partiellen Differentialgleichungen. Details sind in den papers zu finden.
Referenzen:
[1] M. Schreiner (2003) The dynamics of a levitated cylindrical permanent magnet above a superconductor, Revista Matemática Complutense, 16, 2003, 495-517
[2] M. Schreiner, C. Palmy, (2004) Why does a cylindrical permanent magnet rotate when levitated above a superconducting plate? Am. J. Phys., 72, 243-248