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Forum "Technik" - Stahlkugel mit Magnet halten
Stahlkugel mit Magnet halten < Technik < Ingenieurwiss. < Vorhilfe
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Stahlkugel mit Magnet halten: Frage (beantwortet)
Status: (Frage) beantwortet Status 
Datum: 15:11 Di 12.10.2021
Autor: Fl4shM4k3r

Hallo,

angenommen ich habe einen Elektromagneten mit einer Haltekraft von 400N.
Dann kann ich damit in der Theorie einen Körper, der flach an diesem Magneten liegt und max. 40kg wiegt, senkrecht in der Luft halten.

Wie sieht das denn mit einer Kugel aus? Welche Kraft muss ich aufbringen um z.b. eine 5kg Stahlkugel mit einem Elektromagneten in der Luft halten zu können? Die Kugel kann schließlich nicht flach auf der Oberfläche des Magneten liegen.

        
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Stahlkugel mit Magnet halten: Mitteilung
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 11:18 Mi 13.10.2021
Autor: chrisno

Da bin ich skeptisch, ob es eine mit erträglichem Aufwand durchführbare Rechnung dafür gibt.
Es muss das Material angegeben werden, für das die Haltekraft gilt. Nehmen wir an, es ist Stahl.

Dann muss der Magnet noch genauer beschrieben werden.

Soll es ein Permanentmagnet mit über der Kontaktfläche halbwegs konstanter Anziehungskraft pro Flächeneinhait sein? Dann könnte ein grobe Schätzung erhalten werden:
Für jedes Element der Magnetfläche wird die Entfernung zur Kugeloberfläche bestimmt. Die von diesem Element aus wirkende Kraft nimmt mit dem Quadrat der Entferung ab. Allerdings muss noch ein Midestabstand vorgegeben werden, denn sonst wäre die Kraft bei direkter Berührung unendlich groß.

Noch schwieriger wird es, wenn es ich um einen Elektromagneten mit Eisenkern handelt. Dann verbiegen sich die Feldlinien innerhalb des Eisenkerns durch die Wechselwirkung mit der Kugel und auch dies muss mit abgeschätzt werden.

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Stahlkugel mit Magnet halten: Mitteilung
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 22:57 Mi 13.10.2021
Autor: leduart

Hallo
ich glaube, dass es höchstens kleine Unterschiede zwischen Kugel und flachem Aufliegen gibt, da die Kugel ja selbst magnetisiert wird.
Gruß ledum

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Stahlkugel mit Magnet halten: Mitteilung
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 19:00 Do 14.10.2021
Autor: chrisno

Ich wette dagegen, da auch die magnetisierte Kugel in Mittel einen größeren Abstand hat. Vielleicht habe ich demnächst eine Möglichkeit, das experimentell zu überprüfen.

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Stahlkugel mit Magnet halten: Mitteilung
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 19:07 Fr 15.10.2021
Autor: leduart

Es hängt wohl sehr von dem Radius der Kugel im Verhältnis zu Fläche des Magneten ab.

Gespannt auf dein Experiment !
Gruß ledum

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Stahlkugel mit Magnet halten: Mitteilung
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 15:58 Mo 18.10.2021
Autor: Fl4shM4k3r

Das würde mich auch sehr interessieren, wenn du die Möglichkeit dazu hast sowas zu testen.

Der Hintergrund der Frage ist, dass ich eine Vorrichtung bauen möchte, die verschiedene Stahlkugeln (5kg, 2kg, 500g) aus einer definierten Höhe, relativ genau auf einen vorbestimmten Punkt fallen lässt.
Zum Halten und abrupten loslassen der Kugel würde sich vom Prinzip ein Elektromagnet am besten eignen.
Ich bin aber absolut nicht in der Lage einschätzen zu können, wie stark dieser Magnet sein muss und wie er am Besten aussieht.

Bezug
                                                
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Stahlkugel mit Magnet halten: Mitteilung
Status: (Mitteilung) Reaktion unnötig Status 
Datum: 19:52 Mo 18.10.2021
Autor: chrisno

Hi,

wichtig dabei ist, dass es dir nicht auf die Zeitmessung ankommt. Das kontrollierte Ablösen einer Kugel vom Elektromagneten (das ist ja nun klar, dass es einer sein soll) braucht man für ein Experiment zum freien Fall. Da machen wir es so, dass wir den Strom durch den Magneten regeln können, sodass wir den minimalen Strom einstellen können, mit dem die Kugel noch gehalten wird. So etwas würde ich auch für deinen Aufbau empfehlen. Nun könnte eine Kugel auf einer glatten Fläche leicht etwas hin und her rollen. Daher hat dieser Magnet eine ringförmige Kontaktfläche, so dass die Kugel immer zentriert sitzt. Ich meine, dass Leybold so einen Magneten verkauft. Gerade habe ich den aber nur als Teil eines kompletten Versuchsaufbaus gesehen. Außerem wird er kaum die 5 kg halten können.

Für dein Problem mache ich den Vergleich mit einer flachen Kontaktfläche, einmal Kugel, einmal ein planes Gegenstück.

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Stahlkugel mit Magnet halten: Antwort
Status: (Antwort) fertig Status 
Datum: 17:22 Mo 25.10.2021
Autor: chrisno

Heute hatte ich die Gelegenheit,ein wenig zu experimentieren. Das Ergebnis hat mich verblüfft.

Versuchsaufbau:
Ein Elektromagnet ist an Stativmaterial befestigt. Der Eisenkern hat eine etwas rauhe Oberfläche, bedngt durch den Aufbau als Blechstapel, um Wirbelstromverluste bei Transformatorexperimenten zu reduzieren. Die Querschnittsfläche beträgt etwa 1 [mm] cm^2. [/mm] Der Elektromagnet wird mit regelbarer Gleichstromquelle betrieben. Die Stromstärke wird gemessen.
Im zweiten Durchgang wird ein Elektromagnet verwendet, dessen Stirnfläche eine ringförmige Erhöhung hat.
Probekörper sind
- ein Stahlzylinder 73 g und
- eine Stahlkugel   72 g.

Durchführung:
Die Probekörper wurden jeweils an den Elektromagneten gehalten und der Strom so weit erhöht, dass die Probekörper hängen blieben. Dann wurde der Strom langsam reduziert, bis der jeweilige Probekörper herabfiel.

Messwerte am ersten Elektromagneten, dem mit der planen, aber rauhen, Oberfläche:
Grenzstrom für den Zylinder: 1150 mA
Grenzstrom für die Kugel:     800 mA

Messwerte am zweiten Elektromagneten, der ringförmigen Erhöhung:
Grenzstrom für den Zylinder:  285 mA
Grenzstrom für die Kugel:     170 mA

Ergebnis: Wenn der Magnet den Zylinder halten konnte, dann immer auch die Kugel.

Weitere Diskussion:
Die Stahlsorten, aus denen die Probekörper sind, sind unbekannt und sicherlich unterschiedlich. Das kann natürlich einen Effekt, eventuell auch einen sehr deutlichen Effekt haben.
Dass die Ströme zwischen den beiden Elektromagneten sich um eine Größenordnugn unterscheiden, liegt an den deutlich unterschiedlichen Windungszahlen. Daher ist so kein Vergleich zwischen der glatten und der ringförmigen Oberfläche möglich.



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