Der fliegende Ring: bekannt, doch trickreich
Ein leitender, nichtmagnetischer Ring fliegt an einem verlängerten Eisenkern einer Spule bei Anlegen einer Wechselspannung nach oben. Superzeitlupe offenbart Details.
Die übliche Erklärung dieses Thomsonschen Rings verweist auf den induzierten Strom im Ring, der nach der Lenzschen Regel der Ursache entgegengerichtet ist. Das durch den Strom erzeugte Magnetfeld wird dann von dem der Spule abgestoßen, und der Ring hebt ab. Das ist jedoch nicht die ganze Wahrheit.
Da Wechselspannung anliegt, muss man berücksichtigen, dass der Spulenstrom nach einer Viertelperiode zu fallen beginnt. Dementsprechend sinkt die magnetische Induktion B, und der Strom im Ring kehrt sein Vorzeichen um. Da aber das Magnetfeld des Kerns noch erhalten ist, sollte der Ring jetzt angezogen werden. Aus Experimenten weiß man, dass der Ring mindestens eine volle Periodendauer benötigt, um den Eisenkern zu verlassen, insofern ist die Erklärung für die abstoßende Kraft etwas komplizierter.
Letztlich hat man es mit einem belasteten Transformator zu tun, und es kommt auf die Phasenverschiebung zwischen magnetischem Fluss und Ringstrom an. Letztere wird bestimmt durch das Verhältnis von Ringwiderstand und Ringinduktivität. Das immer auch vorhandene radiale Magnetfeld und der Ringstrom führen dann zu einer axialen Lorentz-Kraft in vertikaler Richtung. Diese Kraft wird über die Beschleunigungszeit im Eisenkern gemittelt berechnet. Die Bewegung ergibt sich dann aus allen angreifenden Kräften. Abbildung 1 zeigt schematisch ein Beispiel, bei dem die magnetische Kraft entlang des Eisenkerns abfällt, was zu einem anfänglich starken Anstieg der Geschwindigkeit, dann einer Phase etwa konstanter oder leicht abfallender Geschwindigkeit führt, bevor der Ring nach Verlassen des Eisenkerns die normale Bahn eines senkrechten Wurfs ausführt.
Abb. 1 Schematische Darstellung a) der beschleunigenden magnetischen Kraft sowie b) der resultierenden anfänglichen Geschwindigkeit des Rings. Deren Maximum ist bei Kräftegleichgewicht mit der Gewichtskraft erreicht.
Im Experiment können verschiedene Parameter variiert werden: Material (meist Aluminium, Legierungen oder Kupfer), Masse, Temperatur und Beschleunigungsstrecke (Länge des Eisenkerns). Für systematische Tests verwendet man aus Rohren geschnittene Ringe mit gleichem Durchmesser und gleicher Dicke, aber unterschiedlicher Zylinderhöhe. Dabei ändert sich dann der Widerstand des Rings, während die Induktivität nahezu unverändert bleibt. Variation der Temperatur ändert die Leitfähigkeit. Abkühlung senkt den spezifischen Widerstand, es fließen größere induzierte Ströme, und es werden höhere Sprunghöhen erreicht.
Das komplizierte Zusammenspiel zwischen Widerstand und Induktivität des Rings führt zu verblüffenden Effekten. So können zwei aufeinander liegende Ringe höher fliegen als ein einzelner Ring.
Zwei aufeinander liegende Aluminiumringe liegen auf dem verlängerten Eisenkern einer Spule. Bei Anlegen einer Wechselspannung schnellt der Ring nach oben (4000 Bilder pro Sekunde (fps), 1/4000 s Belichtungszeit).
Ebenso ergibt sich eine Resonanzkurve der Flughöhe als Funktion von Masse und Temperatur des Rings, das heißt, es gibt optimale Bedingungen für die maximale Flughöhe. Auch können bei wiederholter Verwendung desselben Rings aus Alulegierungen durch die Erhitzung Annealing-Effekte auftreten, wodurch sich der Widerstand im Laufe der Zeit leicht erniedrigt und die Flughöhe steigt.
Einfache Experimente, die wir mit Hochgeschwindigkeits-Kameras gefilmt haben, visualisieren die Vielfalt der Phänomene und geben Anregungen für eigene Versuche.
Michael Vollmer, Klaus-Peter Möllmann, TH Brandenburg
Dieser Beitrag ist Teil eines wesentlich ausführlicheren Artikels (nur zugänglich mit Online-Abo) in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit. Weitere Videos zu diesem Versuch finden Sie als freies Zusatzmaterial unter Supporting Informations. Hochgeschwindigkeits-Videos anderer Experimente präsentieren wir in unserem Youtube-Kanal.
