Необходимые компоненты
- Плата Arduino Nano (купить на AliExpress). Можно использовать любую плату Arduino, но шилд в данном проекте приведен для платы Arduino Nano.
- Электромагнит диаметром 25 мм, работающий от 12 В.
- Linear Hall Effect Sensor 49E (датчик Холла 49E) (купить на AliExpress). Не используйте переключатель Холла (hall effect switch).
- Darlington High Power Transistor TIP 120 (транзисторная пара Дарлингтона) (купить на AliExpress).
- Резистор 1 кОм (купить на AliExpress).
- Высокоскоростной диод 1N4007 (купить на AliExpress).
- Источник питания 12 В 1 А.
- SparkFun Pushbutton switch 12mm (кнопочный переключатель).
- Макетная плата.
- Соединительные провода.
Стабильность
Теорема Ирншоу доказывает, что использование только парамагнитные материалы (Такие как ферромагнитный железо) статическая система не может устойчиво левитировать против силы тяжести.
Например, простейший пример подъемника с двумя простыми дипольные магниты отталкивание очень нестабильно, поскольку верхний магнит может скользить вбок или переворачиваться, и оказывается, что никакая конфигурация магнитов не может обеспечить стабильности.
Тем не мение, сервомеханизмы, использование диамагнитный материалы, сверхпроводимость, или системы, включающие вихревые токи позволяют достичь стабильности.
В некоторых случаях подъемная сила обеспечивается магнитной левитацией, но устойчивость обеспечивается механической опорой, несущей небольшую нагрузку. Это называется .
Статическая стабильность
Статическая стабильность означает, что любое небольшое смещение от стабильного равновесия вызывает результирующую силу, которая толкает его обратно к точке равновесия.
Теорема Ирншоу убедительно доказали, что невозможно устойчиво левитировать, используя только статические макроскопические парамагнитные поля. Силы, действующие на любой парамагнитный объект в любых комбинациях гравитационный, электростатический, и магнитостатические поля сделает положение объекта в лучшем случае нестабильным по крайней мере по одной оси, и он может быть в неустойчивое равновесие по всем осям. Однако существует несколько возможностей сделать левитацию жизнеспособной, например, использование электронной стабилизации или диамагнитный материалы (поскольку относительная магнитная проницаемость меньше единицы); можно показать, что диамагнитные материалы стабильны по крайней мере вдоль одной оси и могут быть стабильными по всем осям. Проводники могут иметь относительную проницаемость для переменных магнитных полей ниже единицы, поэтому некоторые конфигурации, в которых используются простые электромагниты, управляемые переменным током, являются самостабильными.
Динамическая стабильность
Динамическая стабильность возникает, когда система левитации способна гасить любое возможное вибрационное движение.
Магнитные поля консервативные силы и поэтому в принципе не имеют встроенного демпфирования, и на практике многие схемы левитации имеют недостаточное демпфирование, а в некоторых случаях — отрицательное демпфирование. Это может позволить существовать режимам вибрации, которые могут привести к выходу объекта из стабильной области.
Демпфирование движения осуществляется несколькими способами:
- внешнее механическое демпфирование (в опоре), например приборные панели, сопротивление воздуха и Т. Д.
- гашение вихревых токов (проводящий металл под влиянием поля)
- настроенные массовые демпферы в левитирующем объекте
- электромагниты управляемые электроникой
Не веришь? Смотри вживую на этом видео:
В комплект LePlant входят два магнитных элемента – декоративная платформа и специальный , заделанный под дерево. Ну и адаптер питания, который подаёт переменный ток в конструкцию.
И всё, ничего лишнего.
Горшочек 12-гранной формы имеет диаметр 90 мм. Помещается в ладонь. Выглядит просто и со вкусом.
А подставка горшка сделана из массива дуба, небольшая – 15 на 15 см. Это достаточно увесистое устройство, но в компактном корпусе. Его можно расположить на любом подоконнике или даже балконе.
LePlant отлично себя чувствует на любой поверхности и не царапает стекло. Поэтому такую платформу можно установить даже на стеклянный стол
, но мне больше нравится на подоконнике.
А такое выглядит действительно эффектно. Футуристичное устройство из, казалось бы, далекого будущего оказалось на моем подоконнике. Никакой магии, чистая физика, и лично меня это завораживает.
Видео о часах с левитирующими стрелками (на английском языке)
https://youtube.com/watch?v=mzBelmupeFQ https://business-insight.ru/paryashhiy-v-vozduhe-tsvetochnyiy-gorshok/ https://business-insight.ru/wp-content/uploads/2017/03/levitatsiya-4.jpg https://business-insight.ru/wp-content/uploads/2017/03/levitatsiya-4-300×300.jpg 2017-03-28T21:55:46+03:00 Бизнес инсайт Все для Дома Товары все для дома,лампа,левитация,магнит,товары,ховерборд,цветок,цветочный горшок,часы Бизнес-инсайт: Помните, как играли в детстве с двумя магнитами, поднося их друг к другу одинаковыми полюсами и чувствуя, как они отталкиваются? Для кого-то такая игра осталась в далеких детских воспоминаниях, а кто-то играет до сих пор. И не просто играет, а сделал из этого бизнес. Применений этому свойству магнитов, как. Бизнес инсайт Administrator БИЗНЕС ИНСАЙТ
Не стесняйтесь обращаться к нам, если:
Внешние ссылки [ править ]
- Поезда на маглеве [ постоянная мертвая ссылка ] Аудио слайд-шоу из Национальной лаборатории сильного магнитного поля обсуждает магнитную левитацию, эффект Мейснера, захват магнитного потока и сверхпроводимость
- Магнитная левитация — наука — это развлечение
- Эксперимент с магнитной (сверхпроводящей) левитацией (YouTube)
- Демонстрации сверхпроводящей левитации
- Видеогалерея Maglev
- Как можно приподнять предметы с помощью магнита?
- Левитирующий алюминиевый шар (колеблющееся поле)
- Инструкции по созданию демонстрационной магнитолевой системы с обратной связью с оптическим запуском
- Видео с диамагнитно левитирующими объектами, включая лягушек и кузнечиков.
- Бесщеточный солнечный двигатель с магнитной левитацией Mendocino Ларри Спринг
- Демонстрация левитации в классе …
- Подвеска МАГЛЕВ 25 кг
- Управление подвеской MAGLEV 25 кг с помощью классической стратегии управления
- Подвеска MAGLEV 25 кг с использованием стратегии управления с обратной связью
- Лягушки левитируют в достаточно сильном магнитном поле
- Пример левитации механического ограничения
Магнитная левитация на постоянных магнитах: идеи и опыты
Самый простой и наглядный пример магнитной левитации, которая создается на постоянных магнитах – это так называемый левитрон. Эту игрушку придумал американский изобретатель почти 30 лет назад. В основе конструкции всего два кольцевых магнита. Большой лежит строго горизонтально, а маленький вращается и зависает над ним. Что же его удерживает от падения? За счет чего достигается такой эффект? Игорь Белецкий высказывает на видео идеи практической реализации левитрона и проводит опыты.
Естественно, постоянные магниты направлены друг к другу одноименными полюсами, что и заставляет их отталкиваться. Но для устойчивой магнитной левитации этого мало. Большой кольцевой магнит создает особую форму магнитного поля. Другими словами образуется магнитная впадина или потенциально яма, на дне которой волчок и находят свою устойчивость. Но это всего лишь позволяет ему не свалиться в сторон. Решающим фактором для стабильной левитации является вращение самого волчка, вследствие чего возникает в гироскопический эффект, благодаря нему волчок не опрокидывается, хотя постоянно к этому стремится, и как только трение а воздух притормозит его вращение, сила магнитного притяжения возьмет верх. Было бы заманчиво найти практическое применение такому подвесу. Например, сделать бесконтактный маховик – накопителя энергии. Но беда в том, что что по схеме левитрона, когда большой магнит удерживает маленький, не получается подвесить массивное тело. Сила отталкивания крайне мала – жалкие 30 грамм. Это предел. Нагрузишь больше и система сложится, а увеличивать габариты магнита непрактично и дорого. Но как же так? Неодимовые магниты обладают просто чудовищной силой отталкивания, и это действительно так.
Продаются магниты дешевле в этом китайском магазине. Автор видео Игорь Белецкий попытался реализовать динамическую левитацию по принципу магнитного подвеса, расположив ось вращения вертикально.Вес маховика легко компенсируется двумя маленькими кольцевыми магнитами, а вот осевую стабилизацию должны были обеспечить небольшие магниты на концах оси. Плюс гироскопический эффект от вращения самого маховика. К сожалению, проведя множество экспериментов, он так и не добился желаемого. Возможно, он снова выбрал не самую удачную схему, потому что, чем больше в системе магнитов, а значит и напряжений, тем сложнее ее уравновесить.
Самый простой и дешевый способ магнитного подвеса предложил еще профессор механики Нурбей Гулия. Он просто перенес всю массу маховика на кольцевые магниты, а осевую стабилизацию оставил за обычными подшипниками, что вполне логично, ведь при вертикальной оси вращения нагрузка на них минимальная, как и потери на трение. Это, конечно, не чистая левитация, но что то весьма близкое. Автор ролика быстро собрал похожую конструкцию и убедился в ее практичности. Вместо подшипников для стабилизации оси он использовал графитовые втулки. Трение у них действительно минимально. Теперь бы еще поместить всё в безвоздушную капсулу и получится настоящий накопитель механической энергии. А потом, для полного счастья, было бы логично сделать бесконтактный отбор мощности. Самый простой способ – превратить маховик в магнитный ротор. Например, добавим катушку индуктивности и получим генератор, который при необходимости сможет работать и как электромотор для раскрутки маховика накопителя. Но это уже совсем другая история.
Посмотрите товары для изобретателей. Ссылка на магазин.
Схема улучшенного магнитного левитрона
Вот ещё одна модель левитрона, то есть системы, используемой для наблюдения явления магнитной левитации.
Схема и электронная часть изменена и адаптирована. Вся система состоит из 4 плат, на одной собственно блок питания, то есть выпрямительный мост 6 А — этого достаточно, хотя он немного нагревается, фильтрующий конденсатор и стабилизатор 7805. На второй плате датчики света и фоторезисторы. На третьей плате, подключенной к электромагниту, установлен диод для защиты от скачков напряжения возникающих в электромагните и светодиод, для визуализации протекающих токов. Последняя имеет выключатель и светодиоды рабочего состояния. Платы соединены соответствующими проводами. Везде использовались разъемы Goldpin или подобные. Вот печатные платы:
Лазер, точнее лазерный диод, удален от индикатора на несколько сантиметров вместе с системой защиты. Размещенные на подвижном вверх-вниз кронштейне, позволяющем установить высоту барьера, фотоэлементы также регулируются. Электромагнит — винт M10x90 мм, медный провод 0,9 мм толщиной и длинной 130 м. Электромагнит имеет около 1500 витков в 19 слоях, сопротивление чуть более 4 Ома, длина его 75 мм и диаметр 50 мм. Боковые кольца вырезаны из оргстекла.
Магнитная левитация в домашних условиях
В 90х годах XX века очень популярной стала игрушка Левитрон, основанный на воздействии магнитного поля.
Это волчок-левитатор, зависший в воздухе. Подобную игрушку можно собрать в домашних условиях, чтобы понять сущность магнитной левитации. Как сделать левитрон – представим подробную инструкцию.
Список материалов:
- доска из дерева;
- простой карандаш;
- изолента;
- шайбы из пластика или латуни;
- картон;
- 13 дисковых неодимовых магнитов марки N52 размером 12*3 мм;
- широкий кольцевой магнит с наружным диаметром 20, внутренним 10мм марки N42.
Описание процесса сборки пошагово:
Изготовление раскладки. Изначально волчок собирался на двух керамических кольцевых магнитах. В нашей конструкции мы применим стандартные неодимовые магниты. Для начала распечатаем схему отверстий разметки для установки магнитов. Перед началом работ проверьте соответствие размеров в распечатанной схеме и указанных в исходнике. Если все соответствует, то вырежьте макет.
Готовим основание. На доску приложите бумажную схему и разметьте в соответствии с ней
Обратите внимание, что толщина деревянной заготовки должна быть от 6мм.
Перенос всех блоков схемы на основу. Приклейте бумажный носитель к получившейся основе
Используя сверло Форстнера (d=12мм), накерните центр кругов. Это обеспечит дальнейшую точность сверления.
Высверливаем отверстия. Применяя сверло Форстнера (d=12мм) делаем отверстия в заготовке так, чтобы дно отверстия заходило на 3 мм в верхнюю часть блока. Следует обеспечить расположение магнитов на максимально близком расстоянии к верхней части.
Установка магнитов. Когда отверстия готовы, вы еще раз проверили их размеры, установите магниты одним полюсом вверх, например южным. Для определения полюсности можно применить маркированный магнит D68PC-RB. Положим блок на стальную пластину, чтобы магниты легче прошли на дно отверстий. Возьмем магниты марки N52 и разложим в отверстия по одному как можно глубже. Если необходимо протолкнуть магнит, можно взять деревянный дюбель.
Как сделать волчок. Берем карандаш длиной 40 мм с заостренным концом. Наматываем на него изоленту, для увеличения диаметра подходящего под центральную часть кольцевого магнита. Вставьте карандаш в магнит, чтобы южный полюс располагался внизу, как и заостренная часть карандаша. Чтобы добавить вес волчку, воспользуйтесь пластмассовыми или латунными шайбами: наденьте несколько сверху. Для обеспечения правильной работы необходимо методом подбора определить приемлемое количество шайб.
Запускаем систему. Отрезаем картон или пластик для платформы. Укладываем его на магнитное основание. На платформе волчок начинает раскручиваться и постепенно с платформой поднимается вверх до попадания в яму магнитного поля.
Если все сделано правильно, то волчок зависнет. Отладка механизма может занять продолжительное время.
Советы по регулированию волчка:
- Постарайтесь обеспечить баланс основания. Применяйте кусочки картона или бумаги для поднятия сторон основания и его выравнивания. При отклонении от центра к какой-то стороне, поднимайте ее, подкладывая кусочки бумаги.
- Примените трехточечное нивелирование.
- Учитывайте вес волчка: устройство предполагает наличие магнитной ямы – сила магнита в центре слабее, чем возле края. Для удержания магнита в центре, следует добавить вес (при вылетании волчка) или уменьшить (если волчок не поднимается от платформы).
- Еще одним значимым показателем является высота платформы: низкая платформа не дает волчку достаточно раскрутиться. Следовательно, нужно подложить под нее бумагу или картон.
- При наличии под рукой 3D-принтера, можно распечатать на нем игрушку.
Таким образом, сделать левитрон своими руками в домашних условиях возможно. На основании представленных материалов можно сконструировать различные сувениры, предметы интерьера, способные порадовать вас и ваших знакомых. Помимо этого можно показывать всевозможные фокусы с магнитами и левитацией детям.
Диамагнитная левитация
Диамагнитная левитация имеет ту же природу что и эффект Мейснера (полное вытеснение магнитного поля из материала), она наблюдается при гораздо более сильных полях, но зато не требует предварительного охлаждения. Некоторые опыты доступны любителям. Например, редкоземельный магнит с индукцией около 1 Тл может висеть между двух пластин висмута. В поле с индукцией 11 Тл можно стабилизировать и удерживать маленький магнит в воздухе между пальцами не касаясь его.
Магнитная восприимчивость материалов
Магнитная восприимчивость χ для изотропных тел определяется выражением
χ = Y / H
| Y | — | намагниченность 1 г тела; |
| H | — | напряженность внешнего намагниченного поля. |
| Материал | t , °С | χ · 10 6 |
|---|---|---|
| Азот | 18 | -0.34 |
| Алюминий | 18 | 0.65 |
| Алюминий сернокислый | 18 | -0.48 |
| Алюминий хлористый | 19 | -0.6 |
| Аммиак (газ) | 16 | -1.1 |
| Аргон | 18 | -0.48 |
| Ацетон | 15 | -0.58 |
| Барий | 20 | 0.91 |
| Барий сернокислый | — | -0.306 |
| Барий хлористый | 15 | -0.41 |
| Бензол | 16.8 | -0.71 |
| Бериллий хлористый | 17 | -0.6 |
| Висмут | 18 | -1.38 |
| 260 | -1.02 | |
| Висмут бромистый | 19 | -0.33 |
| Висмут иодистый | 20 | -0.49 |
| Вода | 10 | -0.72 |
| Водород | 18 | -1.98 |
| Водород хлористый | 22 | -0.66 |
| Воздух | 20 | 24.2 |
| Вольфрам | 16 | 0.28 |
| Гадолиний хлористый | 18 | 91 |
| Гадолиния окись | 20 | 130.1 |
| Гелий | 18 | -0.47 |
| Глицерин | 20 | -0.54 |
| Железа окись | 20 | 189.1 |
| Железо бромное | 18 | 48 |
| Железо сернокислое | 19 | 74.2 |
| Железо хлористое | 17 | 101.2 |
| Железо хлорное | 20 | 86.2 |
| Золото | 18 | -0.15 |
| Золото | -256.6 | -0.13 |
| Иридий | 25 | 0.14 |
| 200 | 0.17 | |
| 450 | 0.2 | |
| 850 | 0.26 | |
| 1150 | 0.31 | |
| Кадмий | 18 | -0.18 |
| Калий | 20 | 0.52 |
| Калий бромистый | — | -0.377 |
| Калий железосинеродистый | 21 | 7.08 |
| Калий марганцевокислый | 21 | 0.175 |
| Калий хлористый | 20 | -0.52 |
| Кальций | 20 | 1.1 |
| Кварц | 20 | -0.49 |
| Кислород | 20 | 106.2 |
| Кислород жидкий | -195 | 259.6 |
| Кислород твердый | -240 | 60 |
| Кислота азотная | 22 | -0.467 |
| Кислота серная | 22 | -0.44 |
| Кислота уксусная | 20 | -0.53 |
| Кобальт иодистый | 18 | 32 |
| Кобальт сернокислый | 22 | 59.6 |
| Кобальт хлористый | 25 | 90.5 |
| Кремний | 20 | -0.13 |
| Литий | 16 | 0.5 |
| Магний | 18 | 0.55 |
| Магний бромистый | 20 | -0.57 |
| Магний жидкий | 700 | 0.55 |
| Магний хлористый | 12 | 0.58 |
| Марганец | 22 | 9.9 |
| Марганец сернокислый | 24 | 88.5 |
| Марганец хлористый | 24 | 107 |
| Медь | 18 | -0.085 |
| Молибден | 18 | 0.04 |
| Натрий | 18 | 0.51 |
| Натрий сернокислый | 16 | -0.86 |
| Натрий хлористый | 18 | -0.5 |
| Неон | 18 | -0.33 |
| Нефть | 15–20 | ок. -0,8 |
| Никель бромистый | 18 | 19 |
| Никель сернокислый | 15.9 | 26.7 |
| Никель хлористый | 24 | 44.7 |
| Никеля закись | — | 48.3 |
| Олово | 18 | 0.025 |
| Олово двуххлористое | — | -0.34 |
| Олово жидкое | 400 | -0.036 |
| Олово серое | 18 | -0.35 |
| Палладий | 18 | 5.4 |
| 200 | 4.6 | |
| 750 | 2.6 | |
| 1230 | 1.7 | |
| Парафин | 20 | ок. -0,5 |
| Платина | 18 | 1.1 |
| 250 | 0.66 | |
| 700 | 0.45 | |
| 1220 | 0.3 | |
| Ртуть | 18 | -0.19 |
| Ртуть твердая | -80 | -0.15 |
| Свинец | 16 | -0.11 |
| Свинец бромистый | 20 | -0.28 |
| Свинец жидкий | 330 | -0.08 |
| Свинец иодистый | 19 | -0.33 |
| Свинец хлористый | 15 | -0.32 |
| Сера ромб | 18 | -0.49 |
| Сера жидкая | 113 | -0.49 |
| Сера жидкая | 220 | -0.49 |
| Серебро | 16 | -0.2 |
| Спирт бутиловый | — | -0.74 |
| Спирт метиловый | -3 | -0.65 |
| Спирт этиловый | 19 | -0.74 |
| Стекло (крон) | — | -0.9 |
| Сурьма | 16 | -0.87 |
| Сурьма жидкая | 800 | -0.49 |
| Сурьма треххлористая | 15 | -0.36 |
| Сурьмы трехокись | 14 | -0.19 |
| Тантал | 18 | 0.87 |
| 820 | 0.77 | |
| Углекислота | 18 | -0.42 |
| Углерод алмаз | 18 | -0.49 |
| 400 | -0.51 | |
| 1200 | -0.56 | |
| Углерод графит | 20 | -3.5 |
| -170 | -6 | |
| 600 | -2 | |
| 1000 | -1.3 | |
| Фосфор белый | 20 | -0.9 |
| Хлор жидкий | -60 | -0.57 |
| Хлороформ | 15 | -0.49 |
| Хром | 18 | 3.6 |
| 1100 | 4.2 | |
| Хром сернокислый | 21 | 29.5 |
| Хром хлористый | 19 | 44.3 |
| Хрома трехокись | 17 | 0.51 |
| Цинк | 18 | -0.157 |
| Цинк бромистый | 19 | -0.4 |
| Цинк жидкий | 450 | -0.09 |
| Цинк сернокислый | — | -0.48 |
| Цинк хлористый | 22 | -0.47 |
| Шеллак | — | -0.3 |
| Эбонит | 20 | 0.6 |
| Эрбий | 18 | 22 |
| Этилацетат | 6 | -0.607 |
| Этилен | 20 | -1.6 |
| Этилен хлористый | — | -0.602 |
| Эфир этиловый | 20 | -0.77 |
Левитирующая лампочка Flyte
Ранее на рынке уже появлялся подобный продукт, но это была обычная подставка с вертикально расположенной лампочкой над ней. Данное изделие получило название Flyte.
Честно сказать, выглядело все это дело хоть и необычно, но не совсем практично.
Единственное преимущество левитирующей лампы Flyte заключалось в многофункциональности ее подставки.
От нее можно было заряжать смартфоны поддерживающие беспроводную зарядку.
Вы как бы получали два устройства в одном.
Теперь же инженеры разработали полноценный настольный светильник, в котором лампочка действительно висит в воздухе вниз головой.
При этом не касаясь корпуса или плафона никакой своей частью.
Свободное парение
И вот магнит уже висит в полутора сантиметрах над сверхпроводником, напоминая о третьем законе Кларка: «Любая достаточно развитая технология неотличима от магии». Почему бы не сделать картину еще более магической — разместить на магните свечку? Прекрасный вариант для романтического квантово-механического ужина! Правда, надо учесть пару моментов. Во‑первых, свечи в металлической гильзе стремятся сползти к краю диска-магнита. Чтобы избавится от этой проблемы, можно использовать подсвечник-подставку в виде длинного винта. Вторая проблема — выкипание азота. Если попробовать долить его просто так, то идущий из термоса пар гасит свечу, так что лучше использовать широкую воронку.
Восьмислойный пакет сверхпроводящих лент может легко удержать весьма массивный магнит на высоте 1 см и более. Увеличение толщины пакета повысит удерживаемую массу и высоту полета. Но выше нескольких сантиметров магнит в любом случае не поднимется.
Кстати, а куда именно доливать азот? В какую емкость поместить сверхпроводник? Проще всего оказались два варианта: кювета из сложенной в несколько слоев фольги и, в случае «снежинки», крышечка от пятилитровой бутыли с водой. В обоих случаях емкость ставится на кусок меламиновой губки. Эта губка продается в супермаркетах и предназначена для уборки, она — хороший теплоизолятор, который прекрасно выдерживает криогенные температуры.
Холодная жидкость В целом жидкий азот достаточно безопасен, однако при его использовании все-таки необходимо действовать аккуратно
Также очень важно не закрывать емкости с ним герметично, иначе при испарении в них повышается давление и они могут взорваться! Хранить и транспортировать жидкий азот можно в обычных стальных термосах. По нашему опыту в двухлитровом термосе он сохраняется как минимум двое суток, а в трехлитровом — еще дольше. На один день домашних экспериментов, в зависимости от их интенсивности, уходит от одного до трех литров жидкого азота
Стоит он недорого — примерно 30−50 рублей за литр
На один день домашних экспериментов, в зависимости от их интенсивности, уходит от одного до трех литров жидкого азота. Стоит он недорого — примерно 30−50 рублей за литр.
Наконец, мы решили собрать рельс из магнитов и пустить по нему «летящий вагон» с начинкой из сверхпроводника, с обкладками из пропитанной жидким азотом меланиновой губки и оболочкой из фольги. С прямым рельсом проблем не возникло: взяв магниты 20 x 10 x 5 мм и укладывая их на листе железа подобно кирпичам в стене (горизонтальной стене, поскольку нам нужно горизонтальное направление магнитного поля), легко собрать рельс любой длины. Только нужно торцы магнитов смазывать клеем, чтобы они не разъезжались, а оставались плотно сжатыми, без зазоров. По такому рельсу сверхпроводник скользит совершенно без трения. Еще интереснее собрать рельс в форме кольца. Увы, здесь без зазоров между магнитами уже не обойтись, а на каждом зазоре сверхпроводник немного тормозится… Тем не менее хорошего толчка вполне хватает на пару-тройку кругов. При желании можно попробовать обточить магниты и изготовить специальную направляющую для их установки — тогда возможен и кольцевой рельс без стыков.
Советуем изучить Катод — определение и практическое применение
Автор — магистрант НИЯУ МИФИ
Статья «Сопротивление бесполезно!» опубликована в журнале «Популярная механика» (№11, Ноябрь 2014).
Использует [ редактировать ]
Известные применения магнитной левитации включают поезда на магнитной подвеске , бесконтактную плавку , магнитные подшипники и демонстрацию продукции. Более того, в последнее время в области микроробототехники начали использовать магнитную левитацию .
Маглев транспорт править
Маглев , или магнитная левитация , представляет собой транспортную систему, которая приостанавливает, направляет и приводит в движение транспортные средства, преимущественно поезда, с использованием магнитной левитации от очень большого количества магнитов для подъема и движения. Этот метод может быть быстрее, тише и плавнее, чем системы общественного транспорта на колесах . Эта технология может превысить 6400 км / ч (4000 миль / ч) при развертывании в эвакуированном туннеле. Если не используется в откачанной трубе, мощность, необходимая для левитации, обычно не является особенно большим процентом, и большая часть необходимой мощности используется для преодоления сопротивления воздуха , как и в случае с любым другим высокоскоростным поездом. Какой-то маглев Hyperloopпрототипы транспортных средств разрабатываются в рамках конкурса контейнеров Hyperloop в 2015–2016 годах, и, как ожидается, начальные испытания пройдут в эвакуированной трубе позднее в 2016 году .
Самая высокая зарегистрированная скорость поезда на магнитной подвеске составляет 603 км / ч (374,69 миль / ч), достигнутая в Японии 21 апреля 2015 года, что на 28,2 км / ч выше, чем традиционный рекорд скорости TGV . Поезда на маглеве существуют и планируются по всему миру. Известные проекты в Азии включают сверхпроводящий поезд на магнитной подвеске Central Japan Railway Company и поезд на магнитной подвеске в Шанхае , старейший коммерческий маглев, который все еще работает. В другом месте в Европе рассматривались различные проекты, и Северо-Восточный Маглев направлен на капитальный ремонт Северо- Восточного Коридора Северной Америки с использованием технологии SCMaglev от JR Central .
Таяние левитации править
Электромагнитная левитация (EML), запатентованная Muck в 1923 г. , является одним из старейших методов левитации, используемых для экспериментов без контейнеров. Техника позволяет левитацию объекта с помощью электромагнитов . Типичная катушка EML имеет перевернутую обмотку верхней и нижней секций, питаемых от радиочастотного источника питания.
Микроробототехника править
В области микроробототехники были исследованы стратегии, использующие магнитную левитацию. В частности, было продемонстрировано, что с помощью такой техники может быть достигнуто управление несколькими агентами микромасштабного размера в пределах определенного рабочего пространства. В нескольких исследованиях сообщается о реализации различных пользовательских настроек для правильного получения желаемого контроля над микророботами. В лабораториях Philips в Гамбурге для выполнения магнитной левитации и трехмерной навигации одного магнитного объекта использовалась индивидуальная система клинических весов, объединяющая как постоянные магниты, так и электромагниты . Другая исследовательская группа объединила большее количество электромагнитов, следовательно, больше магнитных степеней свободы , чтобы добиться независимого трехмерного управления несколькими объектами с помощью магнитной левитации.
Стабильность [ править ]
Теорема Ирншоу доказывает, что при использовании только парамагнитных материалов (таких как ферромагнитное железо) статическая система не может устойчиво левитировать против силы тяжести.
Например, простейший пример подъема с двумя простыми дипольными магнитами, отталкивающими друг друга, очень нестабилен, поскольку верхний магнит может скользить вбок или переворачиваться, и оказывается, что никакая конфигурация магнитов не может обеспечить стабильность.
Однако сервомеханизмы , использование диамагнитных материалов, сверхпроводимости или систем, использующих вихревые токи, позволяют достичь стабильности.
В некоторых случаях подъемная сила обеспечивается магнитной левитацией, но устойчивость обеспечивается механической опорой, несущей небольшую нагрузку. Это называется псевдолевитацией .
Статическая стабильность править
Статическая стабильность означает, что любое небольшое смещение от стабильного равновесия вызывает результирующую силу, которая толкает его обратно к точке равновесия.
Теорема Ирншоу убедительно доказала, что невозможно устойчиво левитировать, используя только статические макроскопические парамагнитные поля. Силы, действующие на любой парамагнитный объект в любых комбинациях гравитационного , электростатического и магнитостатического полей , в лучшем случае сделают положение объекта нестабильным по крайней мере по одной оси, и он может находиться в неустойчивом равновесии по всем осям. Однако существует несколько возможностей сделать левитацию жизнеспособной, например, использование электронных стабилизаторов или диамагнитных материалов (поскольку относительная магнитная проницаемость меньше единицы ); можно показать, что диамагнитные материалы устойчивы по крайней мере вдоль одной оси и могут быть стабильными по всем осям. Проводники могут иметь относительную проницаемость для переменных магнитных полей ниже единицы, поэтому некоторые конфигурации, в которых используются простые электромагниты, управляемые переменным током, являются самостабильными.
Динамическая стабильность править
Динамическая стабильность возникает, когда система левитации способна гасить любое возможное вибрационное движение.
Магнитные поля представляют собой консервативные силы и поэтому в принципе не имеют встроенного демпфирования, и на практике многие схемы левитации имеют недостаточное демпфирование, а в некоторых случаях — отрицательное демпфирование. Это может позволить существовать режимам вибрации, которые могут привести к выходу объекта из стабильной области.
Демпфирование движения осуществляется несколькими способами:
- внешнее механическое демпфирование (в опоре), такое как торпеды , сопротивление воздуха и т. д.
- гашение вихревых токов (проводящий металл под влиянием поля)
- настроенные массовые демпферы в левитирующем объекте
- электромагниты управляемые электроникой
Шаг 5: LM324 Op-amp, L298N драйвер и SS495a
LM324 Op-amp
Операционные усилители (op-amp) являются одними из наиболее важных, широко используемых и универсальных схем, используемых сегодня.
Мы используем операционный усилитель для усиления сигнала от датчика Холла, цель которого — увеличить чувствительность, чтобы ардуино легко распознало изменение магнитного поля. Изменение нескольких мВ на выходе датчика холла, после прохождения усилителя может измениться на несколько сотен единиц в Arduino. Это необходимо для обеспечения плавного и стабильного функционирования ПИД-регулятора.
Обычным операционным усилителем, который мы выбрали, является LM324, это дешево, и вы можете купить его в любом магазине электроники. LM324 имеет 4 внутренних усилителя, которые позволяют гибко его использовать, однако в этом проекте нужны только два усилителя: один для оси X, а другой для оси Y.
Модуль L298N
Двойной H-мост L298N обычно используется для управления скоростью и направлением двух двигателей постоянного тока или с легкостью управляет одним биполярным шаговым двигателем. L298N может использоваться с двигателями с напряжением от 5 до 35 В постоянного тока.
Существует также встроенный регулятор 5V, поэтому, если напряжение питания до 12 В, вы также можете подключить источник питания 5 В от платы.
В этом проекте использован L298N для управления двумя парами катушек электромагнита и использован выход 5 В для питания Arduino и датчика холла.
Распиновка модулей:
- Out 2: пара электромагнитов X
- Out 3: пара электромагнитов Y
- Входное питание: вход постоянного тока 12 В
- GND: Земля
- Выход 5v: 5v для датчиков Arduino и холла
- EnA: Включает сигнал PWM для выхода 2
- In1: Включить для выхода 2
- In2: Enable for Out 2
- In3: Включить для выхода 3
- In4: Включить для выхода 3
- EnB: Включает PWM-сигнал для Out3
Подключение к Arduino: нам нужно удалить 2 перемычки в контактах EnA и EnB, затем подключить 6 контактов In1, In2, In3, In4, EnA, EnB к Arduino.
SS495a Датчик Холла
SS495a — это линейный датчик Холла с аналоговым выходом
Обратите внимание на разницу между аналоговым выходом и цифровым выходом, вы не можете использовать датчик с цифровым выходом в этом проекте, он имеет только два состояния 1 или 0, поэтому вы не можете измерить выход магнитных полей
Аналоговый датчик приведет к диапазону напряжений от 250 до Vcc, который вы можете прочитать с помощью аналогового входа Arduino. Для измерения магнитного поля в обеих осях X и Y требуются два датчика холла.
Несколько советов и замечаний
Выводы катушки должны быть подключены так, чтобы создавать магнитное поле нужного направления. Проверить правильность их присоединения очень просто: если схема не работает, поменяйте местами провода.
Размеры магнита не слишком важны, но он должен быть достаточно сильным. Хорошо подойдет редкоземельный магнит, например, неодимовый.
Во избежание перегрева стабилизатора напряжения, обязательно установите его на радиатор. Выберите источник питания с напряжением 7 … 12 В, поскольку чем выше входное напряжение, тем больше нагревается стабилизатор напряжения 5 В.
Максимально допустимое входное напряжение датчика Холла равно 6 В, поэтому для питания схемы выбрано напряжение 5 В.
Если ваш магнит сильно вибрирует, или вообще не хочет левитировать, это может быть вызвано несколькими причинами, главной из которых является недостаточная толщина металлической пластины на катушке. Попробуйте добавить к ней еще несколько шайб. Возможно также, что датчик Холла смещен относительно центра катушки, или же зазор, установленный между катушкой и магнитом, слишком мал, и магнит нужно немного опустить регулировкой подстроечного резистора R2. (Это очень тонкая настройка). А может быть, катушка перекошена и установлена не вертикально.
Добавление мигающих RGB светодиодов сверху и снизу магнита создаст приятный эффект, если вы заставите левитировать какой-либо блестящий объект, такой, например, как шарик из алюминиевой фольги (Рисунки 10 и 11). Поскольку верхний светодиод находится ближе к объекту, желательно расширить угол его излучения, спилив линзу напильником.
 |
|
| Рисунок 10. | Установка мигающих цветных светодиодов создаст приятный эффект. |
 |
|
| Рисунок 11. | Интересным левитирующим объектом может стать небольшой пропеллер с магнитом, прикрепленным в его центре. |
Совсем другой эффект можно получить, изготовив небольшой пропеллер с прикрепленным в его центре магнитом. Я вырезал его из банки от Кока-Колы. Затем поместите под пропеллером плоскую свечку-таблетку или ароматическую масляную горелку, и поднимающийся поток теплого воздуха заставит левитирующий пропеллер вращаться. Для вращения пропеллера требуется совсем небольшая разница температур, и если воздух в помещении холодный, будет вполне достаточно тепла, выделяемого катушкой. Конечно же, если воздух теплый, это работать не будет.
В устройстве можно использовать катушку от ненужного соленоида, но предварительно необходимо убедиться в том, что потребляемый ею ток не перегрузит схему, поскольку многие соленоиды очень прожорливы.
