Hoe werkt magnetische levitatie: magneten, sensoren en zwevende voorwerpen

Hoe werkt magnetische levitatie? Een magneet stoot een andere magneet af, maar die afstoting alleen is nooit voldoende om een voorwerp stil in de lucht te houden: er is een systeem nodig dat de positie voortdurend corrigeert. Bij een leviterende lamp wordt deze taak uitgevoerd door sensoren en elektromagneten die in de voet zijn verborgen. Hieronder volgt het principe, de varianten en de beperkingen.

Waarom kan een magneet alleen niet zweven?

Een magneet kan niet stabiel boven andere vaste magneten zweven: dat is een natuurkundige wet, geen fabricagefout. De Britse wiskundige Samuel Earnshaw bewees dit in 1842: geen enkele opstelling van permanente magneten of stilstaande ladingen kan een voorwerp in alle richtingen in een stabiel evenwicht houden.

In de praktijk kan de afstoting zo worden afgesteld dat deze precies het verticale gewicht van het voorwerp compenseert. Maar zodra het voorwerp slechts een millimeter opzij verschuift, duwt de kracht het nog verder weg en kantelt het. Iedereen kan dit controleren met twee koelkastmagneten: ze stoten elkaar af, maar als u ze omdraait, plakken ze aan elkaar.

Om dit stelling te omzeilen, zijn er vier oplossingen: actieve elektronische afstelling, diamagnetische materialen, supergeleiders of de snelle rotatie van het voorwerp. Bijna alle decoratieve voorwerpen maken gebruik van de eerste.

Hoe werkt magnetische levitatie in een decoratieve voet?

Een leviterende voet combineert een permanente magneet, die het gewicht draagt, met elektronica die voorkomt dat het voorwerp opzij wegglijdt. De bol of het beeldje bevat zelf ook een magneet; het paar 'magneet in de voet / magneet in het voorwerp' zorgt voor de opwaartse kracht.

De ringvormige magneet: de kracht die tilt

In het midden van de voet stoot een ringvormige magneet de magneet in het voorwerp af. Deze afstoting compenseert de zwaartekracht op een exacte hoogte, de luchtspouw, die bij decoratieve modellen vaak tussen de 1 en 3 centimeter bedraagt. Hoe zwaarder het voorwerp, hoe lager het bij de voet komt te hangen, tot aan de maximale draagkracht van het systeem.

Sensoren en elektromagneten: de correctielus

Onder de ring bevinden zich vier kleine spoelen, de elektromagneten, die in paren tegenover elkaar staan. Een Hall-sensor, die een magnetisch veld omzet in elektrische spanning, detecteert de kleinste afwijking van het voorwerp. Een circuit past vervolgens de stroom in de spoelen aan om het weer in het midden te brengen.

Deze 'meten, corrigeren'-lus werkt continu, veel te snel voor het menselijk oog om de beweging waar te nemen. Juist deze lus omzeilt Earnshaws stelling: het evenwicht is niet statisch, maar wordt voortdurend in stand gehouden. Daarom valt het voorwerp ook zodra de stroom wordt uitgeschakeld.

Levitatie van bovenaf: het hangende voorwerp

Bij een tweede ontwerp bevindt de elektromagneet zich boven het voorwerp, in een boog. De magneet trekt het voorwerp omhoog en de sensor verlaagt de stroom zodra het te hoog komt. Deze opstelling komt minder vaak voor bij decoratie en is te herkennen aan de poortvormige structuur.

Hoe komt het licht in een zwevende bol?

Bij de meeste zwevende lichtbollen wordt de leddraad draadloos gevoed via inductie. Een zendspoel in de voet creëert een wisselend magnetisch veld; een ontvangstspoel in het voorwerp vangt dit op en zet het om in stroom, net als bij een draadloze telefoonoplader.

De afstand tussen de twee spoelen blijft klein, wat verklaart waarom de verlichting alleen werkt wanneer het voorwerp boven de voet zweeft. Wanneer de bol op een tafel wordt geplaatst, ver van zijn voet, wordt het weer een eenvoudig levenloos voorwerp.

Waarom kan het voorwerp om zijn as draaien?

Een leviterend voorwerp draait lang omdat het nergens op wrijft: alleen de luchtweerstand remt het. Een lichte duw met de hand is voldoende om een langzame rotatie in gang te zetten die minutenlang kan aanhouden.

Sommige presentatievoeten houden deze rotatie in stand met een kleine ventilator die lucht op het voorwerp blaast, andere maken gebruik van de spoelen. Het resultaat is hetzelfde: een zachte rotatie zonder zichtbare motor, die de indruk versterkt dat het voorwerp buiten de gewone wereld staat.

Welke andere vormen van magnetische levitatie zijn er?

Er zijn vier hoofdwijzen om een voorwerp met magnetisme te laten zweven. Ze zijn niet allemaal geschikt voor thuis, maar ze illustreren dezelfde natuurkundige wetten.

Diamagnetische levitatie heeft een beroemd beeld voortgebracht: in 1997 liet een team van onderzoekers van de Universiteit van Nijmegen in Nederland een levende kikker zweven in een magnetisch veld van ongeveer 16 tesla, wat honderdduizenden keren sterker is dan het aardmagnetisch veld. Het lichaam, dat voornamelijk uit water bestaat, wordt zwak afgestoten door een veld dat zo krachtig is.

Supergeleiders werken daarentegen alleen bij zeer lage temperaturen. Wanneer ze worden gekoeld met vloeibare stikstof tot ongeveer −196 °C, bevriezen ze de veldlijnen en houden ze een magneet op zijn plaats, zelfs ondersteboven. Voor andere natuurkundige experimenten die de intuïtie tarten, leest u ons artikel over fascinerende natuurkundige verschijnselen en de voorwerpen die ze in scène zetten om uw ontdekking te verdiepen.

Hoe kan een trein rijden zonder zijn rails te raken?

Een maglevtrein zweeft dankzij elektromagneten of supergeleidende magneten boven zijn baan. Omdat hij de rails niet raakt, heeft hij geen wielen of mechanische wrijving nodig, waardoor hij zeer hoge snelheden kan bereiken.

Er bestaan twee families. De lijn in Shanghai, geopend in 2004, maakt gebruik van aantrekking: elektromagneten die aan de trein zijn bevestigd en onder de rail zich bevinden, trekken de trein omhoog. De afstand van ongeveer één centimeter wordt voortdurend gecontroleerd, volgens hetzelfde principe als bij onze zwevende voorwerpen. Het Japanse systeem maakt gebruik van supergeleidende magneten en afstoting; in 2015 bereikte het tijdens een testrit 603 km/u, het wereldrecord voor een trein.

De voet op een bureau en de trein van 600 km/u volgen dus hetzelfde principe: een magnetische kracht die het gewicht compenseert en een systeem dat het geheel in het midden houdt.

Hoe kunt u een leviterend voorwerp neerzetten zonder dat het valt?

Het laten zweven van een voorwerp vraagt vooral om geduld: u moet het evenwichtspunt boven het midden van de voet vinden en het voorwerp vervolgens loslaten zonder het te duwen. De eerste pogingen mislukken vaak, dat is normaal.

Veelgestelde vragen