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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Levitation von nichtmagnetischen
Festkörper-,
Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina
gemäß Oberbegriff der
Ansprüche
1, 2, 4 und 6, sowie ein Verfahren zur Levitation von nichtmagnetischen
Festkörper-,
Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina
gemäß Oberbegriff der
Ansprüche
11, 12 und 18, sowie die Verwendung der Vorrichtungen gemäß Oberbegriff
der Ansprüche 14
und 15, außerdem
die Verwendung des Verfahrens gemäß Oberbegriff des Anspruchs
16.
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Vorrichtungen
zur Levitation von nichtmagnetischen Festkörpern sind bekannt (
US 4,123,675 ). Sie weisen
eine als Ferrofluid bezeichnete magnetische Flüssigkeit auf, die in einem
umschlossenen Raum untergebracht ist. Diesem sind Magnete zugeordnet.
Der Fest körper
wird innerhalb des Ferrofluids durch magnetische Kräfte in der
Schwebe gehalten. Eine Vorrichtung zur Levitation von nichtmagnetischen
Festkörpervolumina
ist auch aus der europäischen
Patentanmeldung
EP
0 357 268 A2 bekannt. Sie weist einen eine magnetische
Flüssigkeit
enthaltenden Raum auf, dem Magnete so zugeordnet sind, dass im Inneren
des Raumes der Festkörper
in einer vorbestimmten Position gehalten und bei Verlagerung in
diese zurückgeführt wird.
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Es
hat sich herausgestellt, dass bei der Erzeugung eines freischwebenden
Freiraums in einer magnetischen Flüssigkeit exakt definierte Zustände sichergestellt
werden müssen,
um die Levitationswirkung sinnvoll nutzen zu können. Dies ist bei den bekannten
Vorrichtungen nicht oder nur bedingt möglich.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Levitation zu schaffen,
bei der die Einstellung und/oder Schaffung eines exakt definierten Zustands
des Freiraums möglich
ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung der eingangs genannten Art
geschaffen, die die in Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist. Die Vorrichtung
weist einen umschlossenen Raum auf, in dem eine magnetische Flüssigkeit
vorhanden ist. Diese wird einem Magnetfeld unterworfen, das so ausgebildet
ist, dass im Inneren des Raums mindestens ein freischwebender Freiraum
gebildet wird. Mit freischwebend soll hier ausgedrückt werden,
dass der Freiraum allein durch die magnetische Flüssigkeit
in einer bestimmten Position gehalten wird und dass keine weiteren
Hilfsmittel eingesetzt werden müssen,
das in den Freiraum eingeschlossene Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumen zu stabilisieren.
Der Freiraum wird dabei in einer vorbestimmten Position gehalten
und in diese zurückgeführt, falls
er aufgrund äußerer Einflüsse verlagert wird.
Wesentlich ist dabei, dass das im Freiraum vorhandene Volumen nicht
magnetisch ist, daher von der magnetischen Flüssigkeit in einen Bereich verdrängt wird,
in dem die Summe der magnetischen Kräfte Null wird. Die Vorrichtung
zeichnet sich dadurch aus, dass der umschlossene Raum durch einen
würfelförmigen Körper gebildet
wird, an dessen Ecken und/oder Seiten Magnete angeordnet sind. Durch
diese gleichförmige
Anordnung der Magnete ergibt sich ein symmetrisches Magnetfeld,
mit dem eine magnetische Flüssigkeit
so beeinflusst wird, dass ein exakt definierter umschlossener Freiraum geschaffen
wird.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird außerdem eine
Vorrichtung vorgeschlagen, die die in Anspruch 2 genannten Merkmale
umfasst. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Wandung des Raumes
an mindestens einer Berührungsstelle
mit dem Freiraum eine Öffnung
aufweist, über
die der Freiraum zugänglich
ist. Eine derartige Vorrichtung ist nur dann realisierbar, wenn
der Freiraum exakt in einer gewünschten
Position gehalten wird.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird außerdem eine
Vorrichtung vorgeschlagen, die die in Anspruch 4 genannten Merkmale
umfasst. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass dem umschlossenen Raum
eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung
zugeordnet ist. Damit ist es möglich,
den Freiraum in einer exakten Position zu halten und dessen Zustand
bezüglich
einer Temperatur exakt herzustellen und/oder einzuregeln.
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Schließlich wird
zur Lösung
dieser Aufgabe eine Vorrichtung vorgeschlagen, die die in Anspruch 6
genannten Merkmale aufweist und sich dadurch auszeichnet, dass der
Freiraum als Blase ausgebildet ist. Mit dieser Vorrichtung ist es
möglich,
einen in exakter Position angeordneten Freiraum zu erzeugen, der
mit einem beliebigen Gas gefüllt
werden kann. Dabei kann auch durch die Größe der Blase so vorgegeben
werden, dass diese die Seitenwände des
Raumes nicht berührt,
also frei von mechanischen Kräften
gehalten wird.
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Bevorzugt
wird ein Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung, das sich dadurch auszeichnet, dass der Freiraum
innerhalb der magnetischen Flüssigkeit
die Wandung des umschlossenen Raumes nicht berührt. Damit wird sichergestellt,
dass der Freiraum von der Wandung in keiner Weise beeinflusst wird,
so dass die Vorrichtung beispielsweise für die Kristallzüchtung einsetzbar
ist, wobei hier ein von äußeren mechanischen
Einflüssen
unbeeinträchtigtes
Kristallwachstum angeregt werden kann.
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Bevorzugt
wird weiterhin ein Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung, das sich dadurch auszeichnet, dass die Magnete
als Permanentmagnete ausgebildet und daher besonders preiswert realisierbar sind.
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Weitere
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es außerdem,
ein Verfahren zur Levitation von nichtmagnetischen Festkörper-, Gas-
und/oder Flüssigkeitsvolumina
zu schaffen, das die Einstellung und/oder Schaffung eines exakt
definierten Zustands des Freiraums möglich ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe werden Verfahren vorgeschlagen, die die in den Ansprüchen 10,
11 oder 12 genannten Merkmale aufweisen und sich dadurch auszeichnen,
dass ein exakt definierter Zustand des Freiraums innerhalb eines
umschlossenen Raums möglich
ist.
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Bei
diesen Verfahren kann ein Festkörper-, Gas-
und/oder Flüssigkeitsvolumen
auf besonders einfache Weise in der Schwebe gehalten werden. Dazu
wird eine magnetische Flüssigkeit
in einem umschlossenen Raum einem Magnetfeld ausgesetzt, so dass
sich im Inneren des Raumes mindestens ein freischwebender Freiraum
bildet, der dadurch entsteht, dass die magnetische Flüssigkeit
angezogen wird, wodurch das nichtmagnetische Volumen von der magnetischen
Flüssigkeit
verdrängt
wird. Durch das Magnetfeld wird der Freiraum in einer bestimmten
Position gehalten und bei einer Verlagerung des Freiraums in diese
zurückgeführt.
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Die
Erfindung betrifft auch die Verwendung einer Vorrichtung der hier
angesprochenen Art als Beschleunigungssensor. Dazu wird eine Einrichtung zur
Erfassung der Position des Freiraumes vorgesehen, der, wie gesagt,
durch Magnete in einer bestimmten Stellung gehalten wird. Verlagert
sich der Freiraum aufgrund einer Beschleunigung der Vorrichtung,
so wird dies von der Einrichtung zur Erfassung der Position des
Freiraumes erfaßt.
Die Größe der Auslenkung
des Freiraumes wird zur Bestimmung der Beschleunigung herangezogen.
Es ist möglich, die
Beschleunigung in verschiedenen Richtungen vorzugsweise gleichzeitig
zu erfassen.
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Die
Erfindung betrifft auch die Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung
zur wandlosen Kristallzüchtung.
Es ist also möglich,
Kristalle mit Hilfe dieser Vorrichtung zu züchten, ohne daß die Berührung der
wachsenden Kristalle mit einer Wand das Kristallwachstum beeinflussen
könnte.
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Die
Erfindung betrifft auch die Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens
zur wandlosen Kristallzüchtung.
Dazu wird in dem Freiraum eine Flüssigkeit, vorzugsweise eine
gesättigte
Lösung
des zu kristallisierenden Stoffes, eingebracht. Durch zusätzlich in
dem Freiraum angebrachte Additive oder durch eine gezielte Beeinflussung
der Temperatur der in dem Freiraum eingeschlossenen Flüssigkeit kann
der Ausfall von Kristallen beziehungsweise deren Wachstum angeregt
werden.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Levitation nichtmagnetischer
Volumina;
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2 eine
Prinzipskizze für
zwei Möglichkeiten
der Anordnung von Magneten an einem würfelförmigen Raum;
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3 eine
Prinzipskizze einer weiteren Möglichkeit
der Anordnung von Magneten an einem würfelförmigen Raum und
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4 eine
räumliche
Darstellung eines schwebenden Freiraumes.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung 1 umfaßt einen
umschlossenen Raum 3, der hier als Würfel mit gleichen Seitenkanten
ausgebildet ist. 1 zeigt hier die Draufsicht
auf eine der quadratischen Seitenkanten.
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An
den Ecken des Würfels
beziehungsweise Raumes 3 sind Magnete 5, 7, 9 und 11 angeordnet, die
hier als Permanentmagnete ausgebildet sind. Es wird jedoch ausdrücklich darauf
hingewiesen, daß bei
dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
an allen acht Ecken des Raumes 3 derartige Magnete vorgesehen
sind.
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In
dem Raum 3 ist eine magnetische Flüssigkeit 13 eingeschlossen,
die hier punktiert dargestellt ist. Durch die Einwirkung der Magnete
wird die magnetische Flüssigkeit
so angezogen, daß sich
im Inneren des Raumes 3 ein freischwebender Freiraum 15 bildet,
in dem sich keine magnetische Flüssigkeit 13 befindet.
In diesem Freiraum kann sich ein Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumen
befinden.
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Durch
die Magnete wird der Freiraum an einer vorbestimmten Position gehalten.
Bei einer Verlagerung des Freiraumes durch äußere Einflüsse, beispielsweise durch eine
Beschleunigung des Raumes 3, wird der Freiraum in seine
vorbestimmte Ausgangslage zurückgeführt.
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Sofern
eine Betrachtung des Inneren des Raumes 3 vorgesehen ist,
wird dessen Wandung 17 aus einem lichtdurchlässigen Material
hergestellt. Der Raum 3 wird hier von einem Gehäuse 19 umgeben,
das aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise aus Aluminium
besteht und an dem die Magnete 5, 7, 9 und 11 sowie
die übrigen
hier nicht sichtbaren Magnete auf geeignete Weise befestigt sind.
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Anstelle
der hier angedeuteten Permanentmagnete können auch stromdurchflossene
Spulen eingesetzt werden, die ein Magnetfeld ausbilden, welches,
wie die hier dargestellten Magnete, die magnetische Flüssigkeit,
die auch als Ferrofluid bezeichnet wird, anziehen, und somit einen
Freiraum 15 entstehen lassen.
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Besonders
bevorzugt wird jedoch der Einsatz von Permanentmagneten, da auf
diese Weise eine sogenannte Nullpunktdrift vermieden wird, die beispielsweise
darauf beruhen kann, daß sich
die Temperatur des stromdurchflossenen Drahts und damit dessen Widerstand ändert, was
zu einer Veränderung
des Magnetfeldes führt.
Eine derartige Änderung
würde die
Verlagerung des Freiraumes bewirken, die in manchen Anwendungsfällen unerwünscht ist.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind an zwei
gegenüberliegenden
Außenwänden des
Raumes 3, hier an der Oberseite 21 und an der
Unterseite 23, Einrichtungen vorgesehen, mit der die Temperatur
innerhalb des Raumes beziehungsweise die der magnetischen Flüssigkeit 13 beeinflußbar ist.
Beispielhaft sind hier Peltier-Elemente 25 und 27 vorgesehen,
mit deren Hilfe eine Kühlung oder
Heizung des Raumes beziehungsweise der Flüssigkeit möglich ist.
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2 zeigt
in einer ersten Prinzipskizze zwei Möglichkeiten der Anordnung von
Magneten an einem würfelförmigen Raum.
Links in 2 sind übereinander zwei Würfel perspektivisch
dargestellt. Durch Pfeile ist angedeutet, daß bei dem oberen Würfel an
den sechs Seitenflächen
Magnete mit paarweise entgegengesetzter Polung angeordnet sind.
In der unteren Darstellung sind an einem Würfel acht Magnete mit paarweise
entgegengesetzter Polung durch Pfeile angedeutet. Bei einer derartigen
Anordnung von sechs beziehungsweise acht Magneten an einem würfelförmigen Raum 3 stellt
sich innerhalb des Wür fels
ein Magnetfeld ein, das sich aus der rechten Darstellung in 2 ergibt.
Dort sind die Feldbeziehungsweise Isolinien des Levitationspotentials
H2 in der z-/x-Ebene eingezeichnet. Die
Orientierung der x-, y- und z-Achsen ist in den Würfeldarstellungen
links in 2 wiedergegeben. Die Achsen schneiden
die Seitenflächen
des Würfels
senkrecht in ihren Mittelpunkten.
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3 zeigt
eine Prinzipskizze einer weiteren Möglichkeit der Anordnung von
acht Magneten an einem links in 3 dargestellten
Würfel,
die eine paarweise parallele Polung aufweisen. Im Inneren des würfelförmigen Raumes 3 stellt
sich wiederum ein magnetisches Potential ein, dessen Feld- beziehungsweise
Isolinien in der z-/x-Ebene rechts in 3 dargestellt
sind. Auch hier schneiden die x-, y- und z-Achsen die Seitenflächen des
würfelförmigen Raumes 3 jeweils
senkrecht in ihren Mittelpunkten.
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4 zeigt
schließlich
einen innerhalb einer magnetischen Flüssigkeit schwebenden Freiraum, der
sich bei einer Anordnung von acht Magneten gemäß 3 ergibt,
also bei acht paarweise parallel gepolten Magneten, die jeweils
an den Ecken eines würfelförmigen Raumes 3 angeordnet
sind. In 4 ist erkennbar, daß innerhalb
des würfelförmigen Raumes 3 ein
freischwebender Freiraum 15 gebildet ist, der vollständig von
der magnetischen Flüssigkeit 13 umgeben
ist. Durch eine entsprechende Wahl des magnetischen Potentials kann
der Freiraum 15 so ausgebildet werden, daß sich senkrecht
zu den Mit telpunkten der Seitenflächen verlaufende, freischwebende
Kanäle 29 ergeben, über die
der Freiraum 15 von außen
zugänglich
ist, sofern in den Seitenwänden
des würfelförmigen Raumes 3 entsprechende Öffnungen
vorgesehen sind. Der innere Bereich des Freiraumes schwebt frei
innerhalb des Raumes 3, ohne die Seitenwände des
Würfels
zu berühren.
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Durch
die entsprechende Festlegung des magnetischen Feldes, beispielsweise
durch eine Veränderung
der Position der Magnete 5, 7, 9 und 11 im Bereich
der Ecken des Raumes 3 können die Kanäle 29 quasi
verschoben werden und dadurch auch die Position des Freiraumes 15.
Dadurch kann erreicht werden, daß möglicherweise auch nur zwei
oder einer der Kanäle
die Wandung des Würfels
berührt. Denkbar
ist es nach dem oben Gesagten auch, die magnetischen Kräfte so zu
wählen,
daß der
Freiraum die Wandung des Raumes 3 nicht berührt. Die
Größe des Freiraumes
kann durch einen unterschiedlichen Füllungsgrad des Raumes 3 mit
magnetischer Flüssigkeit 13 bestimmt
werden.
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Zur
Funktion der anhand der Figuren erläuterten Vorrichtung und zur
Durchführung
des Verfahrens zur Levitation von nichtmagnetischen Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina
ist Folgendes festzuhalten:
Der Raum 3 wird so weit
mit einer magnetischen Flüssigkeit 13 gefüllt, daß dieser
nicht vollständig ausgefüllt ist.
Durch die Anbringung von Magneten 5, 7, 9 und 11 an
den Ecken des würfelförmigen Raumes 3 werden
in das Innere des Raumes magnetische Kräfte eingeleitet. Die Magnete
können,
wie anhand von 2 erläutert, paarweise entgegengesetzt
gepolt oder, wie anhand von 3 erläutert, paarweise
parallel gepolt sein. Bei dem in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung ist die paarweise parallele Polung der Magnte gewählt.
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Durch
die magnetischen Kräfte
wird die magnetische Flüssigkeit 13 angezogen,
so daß sich
im Inneren des Raumes 3 quasi eine Blase beziehungsweise
ein Freiraum bildet, in dem Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina
vorhanden sein können.
Die Volumina werden von der magnetischen Flüssigkeit 13 im Inneren
des Raumes 3 gehalten, so daß diese praktisch frei schwebend
sind. Bei einer Verlagerung des Freiraumes 15 durch eine
Beschleunigung des Raumes 13 erfolgt durch die magnetischen
Kräfte
eine Rückverlagerung
der Blase beziehungsweise des Freiraumes. Wird der Freiraum klein
genug gewählt,
kann dieser die Wände
des würfelförmigen Raumes 3 nicht
berühren,
so daß das von
der magnetischen Flüssigkeit 13 eingeschlossene
Volumen frei von mechanischen Kräften
der Seitenwände
gehalten wird.
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Aufgrund
der hier gegebenen Kräfte
kann die Vorrichtung 1 als Beschleunigungssensor verwendet werden.
Dazu ist es erforderlich, im Zusammenhang mit dem Raum 3 eine
Vorrichtung zur Erfassung der Position des Freiraumes 15 zu
verwenden, beispielsweise entsprechende Sensoren einzusetzen. Diese können vorzugsweise
gleichzeitig die Position des Freirau mes bezüglich der drei Raumachsen ermitteln.
Wird durch Beschleunigung der Vorrichtung 1 der Freiraum 15 verlagert,
kann die Verlagerung mit Hilfe der Einrichtung beziehungsweise der
Sensoren erfaßt
werden. Aus der Größe der Verlagerung
kann in Kenntnis der magnetischen Rückstellkräfte die Beschleunigung der
Vorrichtung 1 bestimmt werden.
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Es
ist darüber
hinaus möglich,
die Vorrichtung und das Verfahren zur wandlosen Kristallzüchtung einzusetzen,
da, wie gesagt, der Freiraum 15 ohne unmittelbare mechanische
Einwirkung der Seitenwände
freischwebend gehalten wird. Zur Kristallzüchtung wird beispielsweise
eine gesättigte
Flüssigkeit
in den Freiraum 15 eingebracht. Dies kann über die
Kanäle 29 erfolgen.
Durch eine Steuerung der Temperatur der im Freiraum vorhandenen
Flüssigkeit mit
Hilfe der Peltier-Elemente 25 und 27 kann ein Ausfallen
und ein Wachstum von Kristallen angeregt werden. Es ist auch möglich, über die
Kanäle 29 entsprechende
Zusatzstoffe in den Freiraum 15 einzubringen.
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Die
Kontrolle des Kristallwachstums kann durch geeignete Mittel, beispielsweise
durch Ultraschall oder Röntgenstrahlung
erfolgen.