Dauerkalender

Elektronisches Perpetuum mobile

Zwei Magnete, je nachdem wie sie zueinander positioniert werden, ziehen sich an oder stoßen sich ab. Das Verhalten ist davon abhängig, ob die Plus- oder Minuspole der Magneten aufeinander einwirken. Dabei ziehen sich entgegengesetzte Pole an, gleichnamige dagegen stoßen sich ab. Diese Eigenschaft wird in unserem weiteren Versuch, in dem wir eine einfache Perpetuum mobile – Imitation konstruieren, genutzt. Zwei Magnete, ein Dauer- und Elektromagnet werden in unserer Testkonstruktion so eingebaut, dass sie sich, sobald der Elektromagnet aktiviert wird, gegenseitig abstoßen.

DM-Dauermagnet, EM-Elektromagnet, HS-Hall-Sensor

Es wird ein Pendel, eine Art Schaukel aufgebaut. In unterem Bereich des Pendels, das für einen Beobachter stets sichtbar bleibt, befindet sich ein Dauermagnet. In dem Sockel der Konstruktion werden ein Elektromagnet und ein Positionsschalter untergebracht. Beide Komponenten sind so montiert, dass sie in Einwirkbereich des Dauermagnetes kommen, wenn der Dauermagnet seine unterste Position erreicht. So der Elektromagnet als auch der Positionsschalter inklusive unserer Schaltung sollen für einen Beobachter unsichtbar bleiben.

Da ein Perpetuum mobile – Konstrukt nach physikalischen Gesetzten nicht möglich ist, benötigt unsere Schaukel noch eine Schaltung, die dafür sorgt, dass das Pendel mit Zusatzenergie versorgt wird, um stets in Bewegung zu bleiben.

Schaltplan

Die Steuerschaltung besteht grundsätzlich aus drei Bauteilen. Als Positionsschalter kommt ein Hall-Sensor zum Einsatz. Er generiert ein Signal, sobald ein magnetisches Feld auf ihn einwirkt. Teil Nummer zwei ist ein Elektromagnet, der ein magnetisches Feld erzeugt, sobald durch seine Spule Strom fließt. Als dritte Komponente kommt ein kleiner Mikrocontroller zum Einsatz, der das Ein- und Ausschalten des Elektromagnets mit dem Signal des Positionsschalters koordiniert.
Die Funktionalität der Schaltung ist nicht kompliziert. Beim Pendeln kommt der Dauermagnet wiederholend in die unterste Position der Pendelkonstruktion. Sein Magnetfeld wirkt in diesem Moment auf den Hallsensor ein. Der Sensor generiert ein Signal, mit dem er informiert, dass der Dauermagnet seine unterste Position erreicht hat. Daraufhin schaltet der Mikrocontroller den Elektromagneten kurz ein. Das so generierte magnetische Feld des Elektromagnets wirkt jetzt auf den Dauermagnet. Da die Magneten so angebracht sind, dass ihre gleichnamigen Pole aufeinander wirken, wird der Dauermagnet abgestoßen. Seine Bewegung bekommt auf diese Weise einen neuen Schwung und das Pendeln geht weiter.

Testschaltung

Die weiteren Komponenten der Schaltung stellen lediglich Erweiterungen dar, die keinen Einfluss auf den eigentlichen Ablauf haben. Der Transistor T1 fungiert in der Schaltung als Schalter, mit dem der Mikrocontroller den Elektromagneten ein- und ausschaltet. Er ist notwendig, da die Stromaufnahme des Elektromagnetes zu hoch ist, um direkt von dem Mikrocontroller geschaltet zu werden. Eine Leuchtdiode mit ihrem Vorwiderstand visualisiert lediglich die kurze Zeitspanne, in der das Positionssignal erkannt und der Elektromagnet ein- und ausgeschaltet wird. Widerstand R2 ist ein Pullup-Widerstand.

Programm

 
int E_Magnet = 1;                                   // Ausgang Elektromagnet
int Hallsensor = 3;                                 // Eingang Hall-Sensor
int LED = 4;                                        // Ausgang Anzeige LED

int Wartezeit_bis_EIN = 25;                         // Wartezeit bis Magnet eingeschaltet wird
int Einschaltdauer = 50;                            // Einschaltdauer  des Magneten

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void setup(void)   {                                           
  
    pinMode (E_Magnet, OUTPUT);                     // Pin-Konfiguration (Ausgang)
    pinMode (LED, OUTPUT);                          // Pin-Konfiguration (Ausgang)
    pinMode (Hallsensor, INPUT);                    // Pin-Konfiguration (Eingang)
}

// *******************************************************************************************
void loop(void) {

        if (digitalRead(Hallsensor) == LOW) {       // Hall-Sensor meldet Position unten
            digitalWrite(LED,HIGH);                 // Leuchtdiode EIN
            delay(Wartezeit_bis_EIN);               // Verzögerungszeit Magnet EIN
            digitalWrite(E_Magnet,HIGH);            // Magnet EIN
            delay(Einschaltdauer);                  // Zeit für Einschaltdauer Start
            digitalWrite(E_Magnet,LOW);             // Magnet AUS
            digitalWrite(LED,LOW);                  // Leuchtdiode AUS
        }        
}

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Kurzvideo

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