Магнитная левитация проект – Конспект презентации проекта по физике на тему «Магнитная левитация»

docplayer.ru

Проектная работа по физике “Левитация”

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 7»

307170, Курской обл., г. Железногорск, ул. Курская, д.43. Тел. (47148) 4-81-33,

факс: 4-85-36 Электронный адрес: [email protected] ИНН: 4633009544 КПП:463301001 Банковские реквизиты: Лицевой счет 03443008440 в УФК по Курской области, расчетный счет 40204810400000000943 в ГРКЦ ГУ банка России по Курской обл., г. Курск, БИК 043807001 ОГРН 1024601215671

Проектная работа по физике.

Левитация как физическое явление. Виды левитации.

Выполнили: Сакова А., Зарецкая Е. 10 «А»

Руководитель: Лысых Л.А., учитель физики

г. Железногорск

2017

Содержание

2.1Актуальность………………………………………………………….3

2.2Цель проекта………………………………………………….…...……3

2.3Задачи…………………………………………………………….…….3

2.4Методы исследования………………………………………….…….4

5.1Левитрон……………………………………………………….…….…5

5.2Магнитные подшипники…………………………………….…..…..6

5.3Маглев………………………………………………………….….……6

6.1Физика звуковой левитации………………………………….…..….7

7.1Кинофильм «Назад в будущее»………………….……………….…8

2. Введение

Задумывались ли вы когда-нибудь над тем, каково это – без опоры парить в воздухе? А жить в доме, где вся мебель висит, не касаясь пола? Звучит скорее как сюжет из научной фантастики, нежели реальное настоящее или ближайшее будущее. Однако уже сейчас технологии позволяют нам реализовать эти футуристические мечты на практике, используя при этом один или несколько способов левитации.

2.1. Актуальность проекта

Актуальность данного проекта связана с перспективами, открывающимися при освоении еще недостаточно изученного явления левитации, а также с многообразием вариантов ее потенциального применения в науке и технике.

2.2. Цель проекта:

Целью данного исследовательского проекта является изучение левитации как физического явления, расширение представлений о ней и определение возможностей ее применения.

2.3. Задачи

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

• Исследовать явление левитации в физике;

• Классифицировать виды левитации;

• Объяснить явление левитации с точки зрения физических законов;

• Установить потенциальные возможности применения левитации .

2.4. Методы исследования

При проведении исследовательской работы были задействованы следующие методы:

3. Определение левитации

Левитация в физике — это устойчивое положение объекта в гравитационном поле без непосредственного контакта с другими объектами. Необходимыми условиями для левитации в этом смысле является наличие силы, компенсирующей силу тяжести; и наличие возвращающей силы, обеспечивающей устойчивость объекта. Проще говоря, тело необходимо не только поднять над землей, но и зафиксировать его в устойчивом положении.

4. Виды левитации

В физике выделяют следующие виды левитации:

• магнитная левитация;

• электростатическая левитация;

• аэродинамическая левитация;

• оптическая левитация;

• акустическая (звуковая) левитация;

• плавучая левитация;

• эффект Казимира.

На наиболее перспективных и широко используемых видах стоит остановиться подробнее.

5. Магнитная левитация

Магнитная левитация — это метод подъёма объекта с помощью магнитного поля.

То, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, можно использовать для подъема с земли огромных тяжестей.

Можно левитировать сверхпроводники и другие диамагнитные материалы, если намагнитить их противоположным зарядом к магнитному полю, в котором они размещены.

Сверхпроводники совершенно диамагнитны — это означает, что их выталкивает само магнитное поле (эффект Мейснера-Оксенфельда).

Поскольку вода является диамагнитным материалом, это свойство было использовано для левитации капель воды и даже животных организмов, таких как кузнечики и лягушки.

5.1. Левитрон

Наиболее простым и наглядным способом демонстрации магнитной левитации служит создание левитрона.

Левитрон — это волчок, который вращаясь, способен зависать в воздухе над специальной коробкой, образующей магнитную подушку. Самый простой с точки зрения изготовления вариант левитрона – два постоянных магнита, один из которых большой (базовый), лежит горизонтально, а над ним висит, вращаясь, другой магнит.

Над центром большого магнита на определённом расстоянии образуется потенциальная яма, то есть небольшая зона, магнитное поле в центре которой несколько слабее, чем у краёв. Это не дает волчку отклониться от центра.

Момент инерции вращающегося тела, в соответствии с законом сохранения момента импульса, удерживает волчок в положении отталкивающим полюсом вниз. Так как волчок испытывает силу трения только о воздух, он может парить довольно долго.

5.2. Магнитные подшипники

На данный момент явление магнитной левитации активно применяется при изготовлении магнитных подшипников. Магнитные подшипники, как и остальные механизмы подшипниковой группы, служат опорой для вращающегося вала, соединение с которым у них является механически бесконтактным. Благодаря использованию явления левитации вращающий вал буквально парит в мощном магнитном поле.

К преимуществам таких подшипников относят отсутствие контакта и вытекающие из этого износостойкость и возможность использования в агрессивных средах при высоких или низких температурах, в том числе в космосе и на других планетах. Кроме того, преимущества магнитных подшипников включают очень низкое и предсказуемое трение, возможность работы без смазки и в вакууме. Они всё чаще используются в промышленных механизмах, таких, как компрессоры, турбины, насосы, моторы и генераторы. Магнитные подшипники используются при генерации электроэнергии, в переработке нефти, в работе станков и при передаче природного газа. Также они используются в газовых центрифугах, для обогащения урана и в турбомолекулярных насосах, где механические подшипники со смазкой были бы источником нежелательного загрязнения.

Недостатки же использования магнитных подшипников включают в себя опасность исчезновения магнитного поля, что может быть катастрофическим для целой механической системы; необходимость использования сложных и громоздких систем управления, а также нагревание обмотки подшипника вследствие прохождения через нее тока. Из-за этого возникает необходимость устанавливать дополнительные страховочные подшипники и обеспечивать довольно сложные системы охлаждения.

5.3. Маглев

Поезд на магнитной подушке, магнитоплан или маглев — это поезд, удерживаемый над полотном дороги, движимый и управляемый силой электромагнитного поля. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса.

Скорость, достигаемая поездом на магнитной подушке, сравнима со скоростью самолёта и позволяет составить конкуренцию воздушному транспорту на ближне- и среднемагистральных направлениях.

К достоинствам маглева относят теоретически самую высокую скорость из тех, которые можно получить на серийном наземном транспорте, достаточно низкое потребление электроэнергии и, как следствие, большую экологичность; снижение эксплуатационных затрат в связи со значительным уменьшением трения деталей, а также низкое шумовое загрязнение

Недостатков же на данный момент тоже довольно много, к ним относят высокую стоимость создания и обслуживания колеи, сложную путевую инфраструктуру, потенциальный вред, наносимый электромагнитным полем проездным бригадам и местным жителям и необходимость в сверхбыстродействующих системах управления, позволяющих на высокой скорости контролировать зазор в несколько сантиметров между дорогой и поездом.

Наиболее активные разработки маглевов на данный момент ведут Германия и Япония

6. Акустическая левитация

Способ звуковой левитации основан на использовании звуковых волн для уравновешивания силы тяжести. На Земле это может привести к эффекту всплытия объектов и плавания над поверхностью Земли. В космосе это способ балансировки и стабилизации объектов в невесомости.

6.1. Физика звуковой левитации

Устройство акустической левитации состоит из двух основных частей:

• преобразователя – вибрирующей поверхности, которая производит звуковые волны;

• отражателя – пластины, от которой отражается звуковая волна.

Преобразователь и отражатель могут иметь вогнутые поверхности, чтобы фокусировать звук. Чтобы удерживать каплю воды, звуковая волна несколько раз проходит путь от источника к отражателю и обратно.

Когда звуковая волна отражается от поверхности, взаимодействие между ее сгущениями и разрежениями создает помехи. Сжатия звуковой волны встречают сжатия отраженной волны. Таким образом, создаются замкнутые области густого воздуха и области разреженного воздуха, называемые пучностями и узлами. Чтобы капля воды левитировала, необходимо поместить ее в узел звуковой волны, в этом случае создается постоянное давление на каплю снизу, что уравновешивает силу тяжести.

В космосе действует слабая гравитация. Плавающие частицы собираются в узлах звуковых волн и не разлетаются. В условиях земной гравитации частицы располагаются над пучностями, которые препятствуют падению частиц на землю.

Акустическая левитация может применяться в различных сферах: для управления взвешенными в воздухе частицами, поднятия тяжести, стабилизации и координации, позиционирования деталей, устройств на производстве, управления жидкими веществами.

7. Фильм «Назад в будущее»

Знаменитый на весь мир фильм “Назад в будущее“ запомнился зрителям интересным фантастическим сюжетом. В этом фильме был скейтборд или доска Hoverboard, который просто парил в воздухе. Недавно такую доску как бы сделали.

7.1. Ховерборд

Итак, как же устроен ховерборд? Внутри него располагаются сверхпроводники – специальные материалы, имеющие интересное свойство. При низких температурах сопротивление в них падает до нуля. Это, собственно, и называется сверхпроводимостью.

Если же мы помещаем сверхпроводник в магнитное поле, то оно будет полностью вытесняться из объема сверхпроводника. Таким образом у нас и получается та самая “магнитная подушка”, которая не дает сверхпроводнику падать, если мы поместим его вблизи магнита. Называется подобное явление эффектом Мейснера.

Чтобы достигать необходимых низких температур, используется жидкий азот. Температура его кипения составляет  −195,75 °C, так что в нормальных условиях жидкий азот активно кипит и испаряется. Именно так объясняется та самая белая дымка, которая выходит из ховерборда. Это испаряющийся жидкий азот, которым нужно “заправлять” сверхпроводник.

К сожалению, свобода передвижения на таком ховерборде весьма ограничена, так как он способен парить только над специальными рельсами. Парк, показанный на данном видео, был создан специально, рельсы спрятаны под его поверхностью. Однако, несмотря на все ограничения, уже сегодня можно утверждать, что данная технология может и должна использоваться в самых разных сферах.

8. Итоги работы

Подводя итог данной исследовательской работе, можно утверждать, что все ее цели и задачи были выполнены, а именно: было рассмотрено физическое явление левитации и классифицированы ее виды. Кроме того, мы обратили внимание на практические возможности применения левитации, узнали о преимуществах и недостатках технологий, основанных на этом физическом явлении.

9. Заключение

Различные методы физической левитации  используются уже давно и по мере развития техники они становятся все более и более распространенными в самых разных сферах. Существует множество перспективных проектов, основанных на том или ином способе левитирования. Возможно, уже в ближайшем будущем в каждом городе появятся поезда на магнитной подушке, левитирующие лифты, двигающиеся не только вверх и вниз, но и по горизонтали; парящие диваны и кресла, зависшие в воздухе без опоры аквариумы и вазы. Быть может, именно левитация поможет нам в изучении других планет или самых отдаленных морских глубин, а транспорт на магнитной подушке станет более комфортной и экологически чистой заменой уже существующим сейчас средствам передвижения. Научный прогресс стал столь стремительным, что мы давно перестали удивляться бесконечным техническим новинкам. Однако всегда следует помнить, что именно мы, увлеченные своим делом люди, двигаем его вперед. Поэтому не стоит останавливаться на достигнутом, мириться с невозможным; ведь невозможное – возможно, а возможным его делам мы.

10. Ресурсы, использованные при создании проекта:

Основные положения и факты:
https://en.wikipedia.org/wiki/Levitation

Магнитные подшипники:

http://podshipnikcentr.ru/spravochnik/magnitnye-podshipniki.html

Магнитоплан:

http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/7557

Акустическая левитация:

http://www.leforio.narod.ru/lt_acoustic_levitation.htm

Ховерборд:

http://www.theverge.com/2015/8/4/9091951/lexus-hoverboard-video

infourok.ru

Исследовательская работа по теме “Левитация”

Учебно-исследовательская работа

«Преодоление гравитации»

Выполнили: Меньшикова Ульяна Андреевна,

учащаяся 10 класса

Руководитель: Меньшикова Вера Андреевна

учитель физики, математики, информатики

МКОО «Комсомольская СОШ»

Оглавление.

Введение…………………………………………………………………………3

Основная часть.

1.Магнитная левитация………………………………………………………….5

2.Применение магнитной левитации……………………………………………7

2.1Использование магнитной левитации при конструкции поездов……8

2.2Использование магнитной левитации в энергетике………………….9

2.3 Использование магнитной левитации………………………………….9

2.4Практическая часть……………………………………………………….9

Заключение……………………………………………………………………….12

Список литературы……………………………………………………………….13

Приложения…………………………………………………………………….14

Введение.

Многие из нас смотрели фильм «Назад в будущее», где главный герой парил на «ховерборде», или «парящей доске» (приложение 1). Еще пару лет назад мы не задумывались о том, каким образом удается летать этому предмету, но в этом году после прохождения по физике темы гравитационные силы, мы задумались: «А почему же «ховерборд» не падает на землю вследствие притяжения к земле?». Таким образом, возникла идея изучить явление, которое заставляет парить этот предмет и найти ответ на поставленный вопрос.

Актуальность исследования: Физика изучает мир, в котором мы живем, явления, в нем происходящие, открывает законы, которым подчиняются эти явления. Главная задача физики – познать законы природы, свойства различных веществ и поставить их на службу человеку. Поэтому мы хотим выяснить какое физическое явление лежит в основе полета воздушного скейтборда, и где это явление используется в реальной жизни.

Постановка проблемы: В реальной жизни нельзя парить над землей без специальных приспособлений, а во многих фильмах о будущем это явление повсеместно. Почему же до сих пор «мечта» режиссеров: заставить людей летать не реализована даже в условиях современной технической оснащенности.

Объект исследования: Магниты и магнитное поле.

Предмет исследования: Явление магнитной левитации и область ее применения.

Цель исследования: Выяснить какое явление лежит в основе полета «ховерборда», изучить его и найти область его применения в реальной жизни.

Задачи исследования:

• Изучить явление, которое лежит в основе воздушного скейтборда

• Проанализировать литературу по данной теме

• Провести опыты по изучению магнитной левитации

• Выяснить где и как применяется магнитная левитация.

Методы исследования: изучение и анализ информации, проведение опытов.

Гипотеза: Мы предполагаем, что в основе полета «ховерборда» лежит магнитная левитация, а так же считаем, что в реальной жизни это явление широкоприменимо.

Теоретическая значимость заключается в анализе литературы. Практическая значимость заключается в формулировке выводов по результатам исследования, и наблюдение магнитной левитации.

Основная часть.

1. Магнитная левитация.

Чтобы понять какое явление лежит в основе полета «ховеборда», мы создали запрос в яндексе о преодолении гравитации и получили в ответ незнакомое нам слово «левитация».

«Левитация» происходит от английского «levitate» – парить, подниматься в воздух. То есть левитация — это преодоление объектом гравитации, когда он парит и не касается опоры, не отталкиваясь при этом от воздуха, не используя реактивную тягу. С точки зрения физики, левитация — это устойчивое положение объекта в гравитационном поле, когда сила тяжести скомпенсирована и имеет место возвращающая сила, обеспечивающая объекту устойчивость в пространстве.

В частности магнитная левитация — это технология подъёма объекта с помощью магнитного поля, когда для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений используется магнитное действие на объект.

Среди людей, далеких от науки, можно столкнуться с распространённым заблуждением, что магнитная левитация это свободный направленный полёт магнита. В действительности имеется в виду левитация в магнитном поле, то есть преодоление гравитационных сил, направленных на материальный предмет, с помощью воздействия на него магнитного поля. Магнитное поле обладает такой характеристикой, как магнитное давление, которое может быть использовано для нейтрализации силы гравитации. Другими словами, если сила притяжения «давит» на тело сверху вниз, то магнитное давление можно направить таким образом, что оно будет «давить» на объект снизу вверх.

Сложность практического осуществления магнитной левитации состоит в том, что само по себе статическое магнитное поле не в состоянии противостоять силе притяжения.

Для этого магнитное давление слишком неустойчиво и нестабильно, оно не может быть сфокусированным в одной точке пространства. Однако с помощью внедрения дополнительных элементов эту проблему можно решить, то есть стабилизировать магнитное поле и с его помощью зафиксировать предмет в гравитационном поле. Это означает, что посредством магнитного поля, обладающего динамической устойчивостью, можно фактически создать область невесомости. Динамическая устойчивость магнитного поля достигается различными способами. Наиболее распространено внедрение в систему электрического тока с помощью сверхпроводящих материалов (имеющих нулевое электрическое сопротивление при определённой температуре). Также используются электромагнитные установки, регулируемые электронной системой стабилизации.

Таким образом, можно предположить, что «ховерборд», не просто выдумка режиссеров, а использование физического явления – магнитная левитация на практике. Но тогда почему мы не встречаем эти предметы в реальной жизни?

Дело в том, что сверхпроводники при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, полностью теряют электрическое сопротивление. Явление сверхпроводимости открыл в 1911 г. Хейке Камерлинг-Оннес. Суть его состояла в том, что некоторые вещества при охлаждении до температуры ниже 20 Кельвин теряют всякое электрическое сопротивление. Как правило, при охлаждении металла его электрическое сопротивление постепенно уменьшается. Дело в том, что направленному движению электронов в проводнике мешают случайные колебания атомов. При уменьшении температуры размах случайных колебаний уменьшается, и электричество испытывает меньшее сопротивление. Но Камерлинг-Оннес, к собственному изумлению, обнаружил, что сопротивление некоторых материалов при определенной критической температуре резко падает до нуля.

При передаче на большие расстояния в линиях электропередачи теряется значительное количество электроэнергии. Но если бы сопротивление удалось устранить, электроэнергию можно было бы передавать в любое место почти даром. Вообще, возбужденный в замкнутом контуре электрический ток мог бы циркулировать в нем без потерь энергии миллионы лет. Более того, из этих необычайных токов несложно было бы создать магниты невероятной мощности. А имея такие магниты, можно было бы без усилий поднимать громадные грузы.

Несмотря на чудесные возможности сверхпроводников, применять их очень непросто. Держать большие магниты в баках с чрезвычайно холодными жидкостями очень дорого. Чтобы сохранять жидкости холодными, потребуются громадные фабрики холода, которые поднимут стоимость сверхпроводящих магнитов до заоблачных высот и сделают их использование невыгодным.

Но однажды физикам, возможно, удастся создать вещество, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ сохранит сверхпроводящие свойства даже при нагреве до комнатной температуры. Сверхпроводимость при комнатной температуре — ʼʼсвятой Граальʼʼ физиков-твердотельщиков. Мощные магнитные поля, способные удерживать на весу машины и поезда, станут настолько дешевыми, что даже ʼʼпланирующие автомобилиʼʼ, возможно, окажутся экономически выгодными. Возможно, что с изобретением сверхпроводников, сохраняющих свои свойства при комнатной температуре, фантастические летающие «ховеборды» станут реальностью.

2. Применение магнитной левитации.

Получается, что сейчас данное явление нельзя «поставить на службу» человека? Но нет, как оказалось, магнитная левитация нашла свое применение в некоторых областях нашей жизни.

1. 1. Использование магнитной левитации при конструкции поездов.

Впервые идею состава, использующего линейный двигатель, подал (и даже запатентовал) немецкий инженер-изобретатель Альфред Зейн. И было это в 1902 году. После этого разработки электромагнитного подвеса и поезда, оснащенного им, появлялись с завидной регулярностью: в 1906 г. Франклин Скотт Смит предложил еще один прототип, между 1937 и 1941 гг. ряд патентов по этой же теме получил Герман Кемпер, а чуть позже британец Эрик Лэйзвейт создал работающий прототип двигателя в натуральную величину. В 60-х он же участвовал в разработке Tracked Hovercraft, который должен был стать самым скоростным поездом, но так и не стал, поскольку из-за недостаточного финансирования в 1973-м проект был закрыт.

Только шесть лет спустя, причем снова в Германии, был построен поезд на магнитной подушке, получивший лицензию на пассажирские перевозки. Испытательный трек, проложенный в Гамбурге, имел длину меньше километра, но сама идея так вдохновила общество, что поезд функционировал и после закрытия выставки, успев за три месяца перевезти 50 тысяч людей. Скорость его, по современным меркам, была не так уж велика – всего 75 км/ч.

Не выставочный, а коммерческий маглев (так нарекли поезд, использующий магнит), курсировал между аэропортом Бирмингема и железнодорожной станцией с 1984 г., и продержался на своем посту 11 лет. Длина пути была еще меньше, всего 600 м, а над полотном поезд поднимался на 1,5 см.

В дальнейшем ажиотаж по поводу поездов на магнитной подушке в Европе поутих. Зато к концу 90-х ими активно заинтересовалась такая страна высоких технологий как Япония. На ее территории уже проложены несколько довольно протяженных трасс, по которым летают маглевы, использующие такое явление как левитация магнитная. Этой же стране принадлежат и скоростные рекорды, поставленные данными поездами. Последний из них показал скоростной режим более 550 км/ч (приложение 2).

1. 2. Использование магнитной левитации в энергетике.

Не менее интересным практическим направлением можно считать широкое применение магнитных подшипников в ключевых узлах механизмов. Их установка решает серьезную проблему износа исходного материала.

Как известно, классические подшипники истираются довольно быстро – они постоянно испытывают высокие механические нагрузки. В некоторых областях необходимость замены этих деталей обозначает не только дополнительные расходы, но и высокий риск для людей, которые обслуживают механизм. Магнитные подшипники сохраняют работоспособность во много раз дольше, так что их применение весьма целесообразно для любых экстремальных условий. В частности, в атомной энергетике, ветровых технологиях либо отраслях, сопровождаемых чрезвычайно низкими/высокими температурами (приложение 3).

1. 3. Использование магнитной левитации.

Магнитную левитацию применяют для эффектности при проведении выставок. Экспонаты попросту парят над тумбами, что придает зрелищности (приложение 4)

1. 4. Практическая часть

Мы проделали четыре несложных опыта по наблюдению магнитной левитации.

Первый самый простой – это отталкивание одного магнита от другого с опорой (приложение 5).

Он заключается в том, что магнит большего диаметра лежит на опоре, а магнит меньшего диаметра располагают рядом с большим, направив их друг к другу разноименными полюсами.

Второй это зависание небольшого магнита над магнитом большего диаметра в горизонтальной плоскости (приложение 6).

Кольцевой магнит большего диаметра закрепляется на опоре, а магнит меньшего диаметра надевают на стержень, направив его к большему магниту разноименными полюсами и маленький магнит начинает парить над большим.

Третий – это парение карандаша над магнитами (приложение 7).

Этот опыт сложнее, так как нужно два одинаковых магнита закрепить на стенке деревянного бруса направив друг к другу разными полюсами, но прижав их шайбой вплотную. На стержень карандаша надевается небольшой магнит. Затем карандаш вносят в поле магнитов и добавляют опору для стержня. Карандаш зависает в поле магнитов.

Самый 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?

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 сторону.

Решающим фактором для стабильной левитации является вращение самого волчка, вследствие чего возникает в гироскопический эффект, благодаря ему волчок не опрокидывается, хотя постоянно к этому стремится, и как только трение, а воздух притормозит его вращение, сила магнитного притяжения возьмет верх.

Для создания левитрона мы взяли три больших кольцевых постоянных магнита, один магнит диаметром 10 миллиметров пластмассовую подставку.

Три больших магнита нужно расположить так, чтобы они притягивались друг к другу, то есть направить их разноименными полюсами. Из маленького магнита делаем волчок, для сердечника выбираем алюминий, пластмасс или дерево.

Дальше располагаем на больших магнитах подставку и на ней запускаем волчок, затем медленно поднимаем волчок при помощи подставки вверх и убираем ее в сторону. Волчок начинает свободно парить над магнитами (приложение 8).

Заключение.

По результатам нашего исследования можно сделать вывод, что магнитная левитация существует. И «ховерборд», действительно, не просто выдумка режиссеров, а как раз, использование магнитной левитации на практике. Но так же, можно утверждать, что в то, время, когда снимался фильм «Назад в будущее» ученые-физики уже были в поисках сверхпроводников, и режиссер фильма предположил, что ко времени, куда он отправлял своего героя эта проблема решиться, но не угадал.

Но не смотря на все трудности, с которыми сталкиваются ученые при изучении магнитной левитации, они ее активно используют в повседневной жизни: при конструкции поездов, в электроэнергетике, а так же при проведение выставок.

Но широко применять магнитную левитации. Так, как это показано в фильме «Назад в будущее» невозможно, так как это экономически невыгодно, ведь охлаждение сверхпроводников до температур близких к абсолютному нулю, очень дорого.

Но мечта режиссера воплотится в жизнь, как только будет найден сверхпроводник, у которого сопротивление будет равно нулю. Надеемся, что мы застанем это время.

Таким образом, наша гипотеза подтвердилась.

Список литературы.

1. http://allrefs.net/c24/3t5zh/p9/

2. http://referatwork.ru/category/tehnologii/view/495443_magnitnaya_levitaciya

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитная_левитация

4. http://izobreteniya.net/magnitnaya-levitatsiya-na-postoyannyih-magnitah-idei-i-opyityi/

5. https://all-he.ru/publ/svoimi_rukami/igrushki/levitron_na_postojannykh_magnitakh_svoimi_rukami/4-1-0-93

Приложения.

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Приложение 7

Приложение 8

infourok.ru

Исследование левитации. Левитация в домашних условиях

Исследование левитации. Левитация в домашних условиях

1МБОУ “Лицей № 3” г. Барнаула Алтайского края

1МБОУ “Лицей № 3”

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF

Введение

В прошлом году в рамках своего проекта я исследовал магнетизм. Я узнал, что такое магнит и даже сам создал необычное вещество – ферромагнитную жидкость. Исследование магнетизма оказалось настолько интересным, что я решил продолжить свою исследовательскую деятельность в этом направлении. Изучая литературу, я узнал о таком явлении, как магнитная левитация, и выяснил, что её можно использовать во благо сохранения планеты. 2017 год был годом экологии в России.[1] И хотя он уже закончился, множество проблем ещё только предстоит решить. Также я выяснил, что существуют и другие виды левитации. Я был под таким впечатлением, что решил воссоздать это явление в домашних условиях. Обо всех своих открытиях я хочу рассказать в новом проекте.

Актуальность

Левитация с преодолением силы притяжения волновала человечество с древних времён. Представьте, как было бы интересно парить в воздухе. Но физики давно доказали, что такой способностью никто из людей на Земле обладать не может. Помешает этому гравитация, то есть земное тяготение. Закон о нем сформулировал великий английский ученый Исаак Ньютон. Но, оказывается, уже есть технологии, помогающие преодолеть гравитацию. И в этом направлении активно работают современные учёные. Использование левитации открывает широкие перспективы для развития технологий и создания более совершенных технических средств. Наибольшего успеха на сегодняшний день исследователи и инженеры добились в изучении магнитной левитации. Именно на ней основано такое экологичное и современное средство передвижения, как поезд на магнитной «подушке». Всё это очень интересно, поэтому я решил изучить необычное явление.

Цель исследования – создать условия для левитации в домашних условиях. При воспроизведении явления квантовой левитации использовать магниты разной формы при одинаковом сверхпроводнике.

Гипотеза – можно воспроизвести явление левитации в домашних условиях.

Задачи:

1. Изучить литературу по теме исследования;

2. Узнать, что такое левитация;

3. Выяснить, какие виды левитации существуют;

4. Узнать, что такое сверхпроводники;

5. Изучить области применения явления левитации на практике;

6. Провести эксперименты по воспроизведению явления левитации;

7. Сделать вывод о возможности такого явления, как левитация, в том числе квантовая, в домашних условиях;

8. Провести исследование явления квантовой левитации.

Предмет исследования – что необходимо для демонстрации явления левитации

Объект – высокотемпературный сверхпроводник, магнит, жидкий азот, воздушный шарик, диск.

Практическая ценность – состоит в проведении эксперимента, в результате которого будет доказано, что явление левитации возможно воспроизвести в домашних условиях. Также будет доказана возможность практического использования явления квантовой левитации.

Методы исследования:

Теоретические – изучение специальной литературы, обобщение и систематизация материала по данной теме.

Эмпирические – проведение эксперимента, описание, сравнение и формулирование выводов.

1 Теоретическая часть

1.1 Что такое левитация

Левитация – это явление, при котором предмет без видимой опоры парит в пространстве, не касаясь твёрдой или жидкой поверхности. Левитацией не считается полёт насекомых или птиц, совершаемый за счёт отталкивания от воздуха.

1.2 Виды левитации

Изучая литературу, я узнал, что для левитации необходимо наличие силы, которая компенсирует силу тяжести. Источниками таких сил могут быть струи воздуха, сильные звуковые колебания, лазерные лучи, магнитное поле. В зависимости от этого левитация может быть:

Аэродинамическая. Предмет парит за счет подъемной силы струи воздуха, что легко увидеть на опыте с пенопластовым шариком. Этот вид левитации используется в транспорте на воздушной «подушке» (катера, проекты автомобилей) и даже в развлечениях (аэрохоккей).

Акустическая. Основана на образовании в воздухе стоячих волн. Максимальный вес, который поднимали таким образом, не превышает нескольких граммов, причем звуковые волны могут находиться и вне слышимого диапазона.

Оптическая. Преодоление гравитации за счет светового давления. Мощный лазер может удерживать в воздухе частицу воды или масла диаметром порядка 50 микрометров. Это явление может найти практическое применение в сфере нанотехнологий.[6]

Электростатическая. Происходит за счёт отталкивания одинаковых зарядов.

Магнитная, диамагнитная или с использованием сверхпроводников (квантовая).[5] Как я рассказывал в прошлом проекте, диамагнетики – вещества, которые слабо отталкиваются от магнита.[3] Так вот, диамагнитная левитация – тип левитации в сильном магнитном поле тела, содержащего в себе диамагнетик, например, воду. В очень сильных магнитных полях способны левитировать почти любые предметы. Вот, к примеру, лягушка левитирующая внутри круглого электромагнита.

1.3Практическое применение магнитной левитации

Магнитная левитация нашла на данный момент наибольшее практическое применение. Остановимся на ней подробнее. Это явление заключается в преодолении гравитации с помощью воздействия на предмет магнитного поля. Такая технология используется, например:

В магнитных подшипниках, что даёт им замечательные качества. Таким подшипникам не нужна смазка, при их использовании нет потерь на трение. Также они дают высокую скорость при малом энергопотреблении и очень низком уровне вибрации.[4] Вот почему эти подшипниеи уже нашли применение в различном оборудовании, например, в оптических системах высокой точности и в лазерных установках.

В ветрогенераторе на магнитной подвеске. Большое преимуществом магнитной подвески в том, что это снижает затраты на обслуживание и повышает срок службы генератора. Несколько таких ветряных турбин есть в Китае.

В устройстве маглева. Маглев – это поезд, удерживаемый над полотном дороги, движимый и управляемый силой магнитного поля.[5] Такой состав во время движения не касается поверхности рельса, что позволяет исключить трение между ними, и единственной тормозящей силой является сопротивление воздуха. Эти поезда расходуют очень мало электроэнергии, что могло бы вложить немалый вклад в ресурсосбережение. Ведь в настоящее время поиск новых источников энергии – одна из главных задач в решении экологических проблем.

Разные страны пытались реализовать проект маглева, но наибольших успехов пока добились Китай и Япония. В Китае уже есть две линии скоростных поездов маглев. Одна из них, Шанхайская, является самой быстрой коммерческой дорогой такого типа. Поезд с пассажирами развивает скорость 431 км/ч.

Японскому же маглеву принадлежит рекорд скорости, которая в эксперименте достигла 603 км/ч.

Я считаю, что из-за больших расстояний в России технология поездов на магнитной подушке является очень перспективной в нашей стране. Достаточно успешные разработки ведутся в Санкт-Петербурге. Ученые уже создали прототип грузового маглева, а в дальнейшем обещают сконструировать и пассажирский. Благодаря этим успехам в сентябре 2018 года в России впервые пройдет Международная конференция Maglev, которую проводят с 1977 года.[14]

1.4 Квантовая левитация – великое научное достижение

Сначала стоит раскрыть понятие сверхпроводимости, открытой в 1911 году. Она заключается в способности некоторых веществ при очень низких температурах проводить электричество без сопротивления, то есть становиться сверхпроводниками.[10] Но нулевое сопротивление – не единственная отличительная черта сверхпроводников. Одна из их интересных особенностей была открыта только в 1933 году и названа – эффект Мейснера (квантовая левитация). При переходе вещества в сверхпроводящее состояние, из его объема полностью вытесняется магнитное поле.[11] И тогда, если поместить магнит над сверхпроводником, магнит будет парить в воздухе. При этом он будет стабильно удерживаться магнитным полем, не вылетая в сторону.[13]

Очевидно, что, в случае квантовой левитации, магнит удерживается над сверхпроводником за счёт появления в пространстве вокруг последнего магнитного поля. Разберёмся в механизме возникновения этого поля. Если по проводнику течёт электрический ток, то вокруг проводника появляется магнитное поле. Проводник с током превращается в магнит. В 1831 году английским физиком-экспериментатором Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции. Оно заключается в том, что при приближении, или удалении магнита по отношению к катушке, состоящей из множества витков, в ней возникает электрический ток. Этот ток называется индукционным. А значит, катушка превращается в магнит. Следовательно, катушка и постоянный магнит будут взаимодействовать, т.е. притягиваться или отталкиваться. Можно предположить, что то же самое происходит в случае, когда мы наблюдаем квантовую левитацию. Если магнит падает на сверхпроводник, то в этом сверхпроводнике возникает магнитное поле, которое будет его отталкивать. Сила притяжения, действующая со стороны Земли, будет уравновешиваться силой отталкивания. В результате магнит будет парить над сверхпроводником до тех пор, пока не исчезнет индукционный ток в сверхпроводнике. Это случится, когда испарится жидкий азот, и сверхпроводник нагреется, потеряв свои свойства. Подробнее причины этого явления я обязательно изучу, когда стану старше.

Когда было совершено открытие квантовой левитации, сверхпроводники охлаждали жидким гелием с температурой кипения почти -270ºС. Гораздо позже был открыт новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных. Конечно, температуры воздействия на них все еще довольно низкие, но главное, что они выше -196ºС, точки кипения дешёвого жидкого азота.

1.5 Возможное практическое применение квантовой левитации

Сверхпроводимость, на мой взгляд, очень интересная особенность некоторых веществ. Основная их отрицательная черта – низкая температура перехода в сверхпроводящее состояние. Но я уверен, что ученые скоро преодолеют этот недостаток, и тогда новые технологии, обязательно, изменят нашу жизнь к лучшему!

Я задумался над тем, где можно было бы применить квантовую левитацию, если откроют сверхпроводник, который не надо охлаждать. Вот, что я придумал:

Покрытие сверхпроводящим веществом взлётно-посадочной полосы аэродрома позволит использовать гораздо меньше места для строительства аэропортов. Ведь самолёт сможет разгоняться до нужной скорости намного быстрее, когда исчезнет трение шасси о землю. Так как при взлёте самолёт тратит больше топлива, чем за час полёта, такая технология была бы более экологичной.

Покрытие автодорог позволит передвигаться по ним как обычным автомобилям, так и экологичным маглев-мобилям. Маглев-мобиль – это не только отсутствие трения, но и вредных выбросов, а также необходимости менять резину и утилизировать старую.

После просмотра фильма «Назад в будущее» я очень хотел себе летающую доску для передвижения. Квантовая левитация решила бы этот вопрос.

2 Практическая часть

2.1 Эксперимент: левитация в домашних условиях. Аэродинамическая левитация

Итак, мы выяснили, что собой представляет явление левитации. И, конечно же, мне захотелось самому его понаблюдать. Сначала мы решили провести эксперимент по созданию эффекта аэродинамической левитации.

1) Необходимое оборудование и материалы

CD-диск

картонная трубка

изолента

крышка от бутылки с водой

воздушный шарик

клей

2) Приклеиваем крышку к CD-диску, надеваем на неё воздушный шарик. Шарик закрепляем изолентой.

3) Для устойчивости продеваем шарик сквозь картонную трубку

4) Надуваем шарик и запускаем наше устройство на воздушной «подушке» на гладкой ровной поверхности

На столе

На потолке

5) Как только весь воздух выходит из шарика, наше устройство останавливается

6) Вывод: нам удалось воссоздать явление аэродинамической левитации в домашних условиях. При этом наше устройство смогло передвигаться даже по потолку.

2.2 Эксперимент: левитация в домашних условиях. Квантовая левитация

Без сомнений, все опыты по левитации очень интересны. Но как только я узнал о существовании квантовой левитации, больше всего мне хотелось понаблюдать именно её. Изучая литературу, я узнал, что для эксперимента мне необходим сверхпроводник. Я долго искал, и выяснил, что производством таких веществ занимается компания «Инженерные решения» при Омском государственном университете. Я написал им письмо, и был очень рад, когда мне ответили, а в дальнейшем дали большую скидку, как первому школьнику, который к ним обратился.

А теперь, перейдём, наверное, к самой интересной части нашего проекта – создание эффекта квантовой левитации в домашних условиях.

1) Необходимое оборудование и материалы

сверхпроводник (оксид иттрия-бария-меди)

неодимовые магниты

ёмкость из пенопласта

чашка из фольги

жидкий азот в термосе со специальной крышкой

2) Кладем сверхпроводник в чашку из фольги и проверяем его взаимодействие с магнитом.

Магнит не левитирует, а спокойно лежит на сверхпроводнике

3) Осторожно заливаем сверхпроводник жидким азотом и ждём, когда он охладится (закончится «кипение» жидкого азота)

4) Аккуратно подносим магнит точно над серединой сверхпроводника и отпускаем его

5) Наблюдаем явление квантовой левитации, используя магниты разной формы

Магнитный кубик

Магнитная пластина

6) Как только жидкий азот испаряется, температура керамики повышается, и она теряет свои сверхпроводящие свойства, а магнит перестаёт парить над её поверхностью

7) Вывод: нам удалось воссоздать явление квантовой левитации в домашних условиях.

2.3 Исследование квантовой левитации

После создания эффекта квантовой левитации в домашних условиях, я решил исследовать это явление. В ходе исследования я нашёл ответы на несколько вопросов:

а) Зависит ли возможности квантовой левитации от массы магнитов при одинаковом сверхпроводнике?

Используя точные электронные весы, измеряем массу сверхпроводника и всех наших магнитов. Чтобы устранить воздействие магнитных волн на весы, мы применили прослойку из пенопласта, сбросив её массу.

3

2

1

4

5

6

5

7

Проверили возможность квантовой левитации каждого магнита.

2

3

1

4

5

4

6

5

7

Выяснилось следующее: из семи магнитов лишь с шестью мы смогли создать эффект левитации. Магнит с самой большой массой (52,39 г) не левитировал над сверхпроводником, а лежал сверху.

Вывод: Существует предельная масса магнита для каждого сверхпроводника, выше которой эффект левитации наблюдаться не будет. Так, над сверхпроводником массой 31,96 г магнит массой 25,13 г левитирует, а массой 52,39 – нет.

б) Зависит ли возможности квантовой левитации от температуры внешней поверхности сверхпроводника?

С помощью электронного термодатчика мы решили исследовать, при достижении какой температуры поверхности наша керамика теряет сверхпроводящие свойства.

Мы установили термодатчик под сверхпроводник. Комнатная температура + 22ºС.

Наливаем жидкий азот и продолжаем измерять температуру поверхности сверхпроводника. Она начинает уменьшаться.

Самая низкая температура, которую зафиксировал наш датчик – 139ºС, так как это его минимум. Но мы знаем, что внутри керамики должно быть -180 ºС.

Продолжаем измерения.

Вывод: Когда температура внешней поверхности сверхпроводника стала – 105 ºС магнит перестал левитировать.

в) Возможно ли практическое использования явления левитации?

Мы решили выяснить, какую массу способны удерживать левитирующие магниты. Выбрали два магнита с самой удобной формой (№4 и №5)

Сначала определили массу каждого предмета.

Затем проверили, способны ли левитирующие магниты удержать предметы.

Магнит №5

Магнит №4

Магнит №4

Магнит №5

Магнит №5

Вывод: Мы убедились, что явление левитации несёт практическую пользу. С помощью него нам удалось удерживать предметы различной массы. При этом магнит №4 (2,67 г) смог левитировать с предметом почти в два раза тяжелее себя.

2.4 Вывод из эксперимента

Мы воссоздали и исследовали явления аэродинамической и квантовой левитации и выяснили следующее:

1) подъёмная сила воздушного потока позволила нашему устройству на воздушной «подушке» скользить над поверхностью;

2) при охлаждении керамики из оксида иттрия-бария-меди (YBCO) жидким азотом, она достигает температуры, необходимой для перехода в сверхпроводящее состояние;

3) при переходе керамики в сверхпроводящее состояние из её объема полностью вытесняется магнитное поле, а магнит, помещённый над ней, начинает парить в воздухе;

4) после испарения жидкого азота, температура керамики повышается, и она теряет свои сверхпроводящие свойства, а магнит перестаёт парить над её поверхностью;

5) при явлении квантовой левитации существует зависимость массы магнита от массы сверхпроводника;

6) явление квантовой левитации несёт практическую пользу. С помощью него нам удалось удерживать предметы различной массы. При этом магнит №4 смог левитировать с предметом почти в два раза тяжелее себя.

Заключение

Мы узнали, что такое левитация с точки зрения физики и познакомились с различными её видами. Выяснили, в каких отраслях уже применяют явление левитации, а в каких ведутся исследования по его использованию. В ходе эксперимента мы смогли воспроизвести два вида левитации – аэродинамическую и квантовую.

Исходя из всего изложенного, можно сделать вывод, что создание эффекта левитации возможно в домашних условиях. Таким образом, наша гипотеза подтвердилась.

Я считаю, что изучение явления квантовой левитации – очень перспективное направление в науке. В будущем оно найдёт всё большее практическое применение.

Сохранение окружающей среды и поиск путей экономии ценных природных ресурсов – одна из главных задач современного мира. Я уверен, что квантовая левитация может внести большой вклад в это направление.

Таким образом, дальнейшие исследования явления квантовой левитации очень актуальны и, несомненно, необходимы.

Список литературы:

1. О проведении в Российской Федерации Года экологии: указ Президента Российской Федерации от 05.01.2016 г. № 7 // Собрание законодательства РФ. – 2016. – № 36. – ст. 5394.

2. Абрамчук Н.С. Нанотехнологии: Азбука для всех / Н.С. Абрамчук, Н.С. Авдошенко, А.Н. Баранов. – М.: Физматлит, 2009. – 368 с.

3. Гулиа Н.В. Удивительная физика / Н.В. Гулиа. – М.: Энас-книга, 2015. – 416 с.

4. Журавлев Ю. Активные магнитные подшипники. Теория, расчет, применение / Ю. Журавлев. – СПб.: Политехника, 2003. – 206 с.

5. Мартыненко Ю.Г. О проблемах левитации тел в силовых полях / Ю.Г. Мартыненко // Образовательный журнал. – 1996. – №3.

6. Уразаев В.Г. Техническая левитация: обзор методов / В.Г. Уразаев // Технологии в электронной промышленности. – 2007. – №6.

7. Хартман У. Очарование нанотехнологии / У. Хартман. – М.: Лаборатория знаний, 2017. – 176 с.

8. Вулфорд Д. Квантовая левитация сражает наповал [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.nanonewsnet.ru/articles/2011/kvantovaya-levitatsiya-srazhaet-napoval.

9. Левитирование квантовых сверхпроводников [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://geekologie.com/2011/10/sorcery-levitating-quantum-superconducto.php.

10. Что такое сверхпроводник? [Электронное СМИ]. – Режим доступа: http://information-technology.ru/sci-pop-articles/23-physics/238-chto-takoe-sverkhprovodimos.

11. http://www.dailytechinfo.org/ – интернет-журнал, посвященный новым технологиям.

12. http://globalphysics.ru/ – физика от А до Я.

13. http://allforchildren.ru/why/ – электронная энциклопедия Почемучка.

14. http://rusmaglev.com/ – сайт кластера «Российский маглев».

Просмотров работы: 1300

school-science.ru

Принцип действия левитации. Конспект презентации проекта по физике на тему «Магнитная левитация

конспект презентации ПРОЕКТНОЙ РАБОТы по физике на тему «МАГНИТНАЯ ЛЕВИТАЦИЯ»

с егодня я хочу представить свой проект, который называется «Магнитная левитация» . Мой проект является исследовательским, поэтому целью проекта является исследование магнитных явлений и возможностей их потенциального использования в современной технике. ( слайд 1-2 )

Почему я выбрал эту тему? Очень давно, как только я узнал о свойствах магнитов притягиваться и отталкиваться, меня стал интересовать вопрос: можно ли использовать это свойство магнитов для удержания предметов в воздухе в состоянии «парения» над землёй? Например, можно ли создать диван, «висящий» в воздухе и мягко амортизирующий, когда вы садитесь на него? ( слайд 3 )

С целью ответить на этот и другие похожие вопросы я поставил следующие задачи : ( слайд 4 )

изучить магнитные свойства веществ;

исследовать возможность магнитной левитации и

выявить потенциальные области применения магнитной левитации

В ходе исследований я выяснил, что все вещества в природе в большей или меньшей степени обладают магнитными свойствами. При этом одни из них при внесении в магнитное поле втягиваются в него и располагаются по направлению магнитных линий внешнего магнитного поля. Такие вещества называются парамагнетиками . Например, платина, марганец, хром . Другие вещества, напротив, располагаются поперек магнитных линий внешнего магнитного поля и выталкиваются из него. Такие вещества называются диамагнетиками . К ним относятся медь, алюминий, серебро и особенно висмут и сурьма . Это разделение веществ на парамагнетики и диамагнетики предложил в 1845 году Майкл Фарадей . Вещества, которые обладают особо выраженными свойствами парамагнетиков («сверхпарамагнетики»), такие, как железо, никель и кобальт , позднее получили название ферромагнетики . ( слайд5 )

Кроме того есть вещества, которые сами создают магнитное поле, так называемые постоянные магниты . В постоянных магнитах элементарные кольцевые токи вокруг атомов и молекул ориентированы одинаково. Усиливая друг друга, они создают в веществе и вокруг него магнитное поле. Постоянные магниты встречаются в природе в виде оксидов железа – например, магнетит или сплавов других веществ, как, например, неодимовый магнит – редкоземельный постоянный очень мощный магнит, состоящий из сплава неодима, бора и железа . Так же постоянные магниты люди научились создавать искуственно , сплавляя некоторые ферромагнетики с пара- и диамагнетиками. ( слайд 6 )

Почему же магниты притягиваются или отталкиваются? Дело в том, что каждый магнит имеет два полюса : северный и южный . Между этими полюсами проходят линии магнитного поля – это суммарное направление элементарных кольцевых токов. Так вот, если направление магнитных линий совпадает, т.е. магниты совмещаются разноимёнными полюсами , то они притягиваются . Одноимённые же полюса , напротив, отталкиваются . ( слайд 7 )

Самые мощные магниты, которые удалось создать человеку, это – электромагниты . Каждый провод, по которому течёт электрический ток, с

realsroier.ru

Пассивная магнитная левитация. Конспект презентации проекта по физике на тему «Магнитная левитация

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 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.

В научной фантастике силовые поля выполняют еще одну функ­цию, кроме отражения ударов из лучевого оружия, а именно служат опорой, которая позволяет преодолевать силу притя­жения. В фильме «Назад в будущее» Майкл Фокс катается на «ховерборде», или «парящей доске»; эта штука во всем напоми­нает привычный скейтборд, вот только «ездит» по воздуху, над поверхностью земли. Физические законы – такие, какими мы их знаем на сегодняшний день, – не позволяют реализовать подобное подобное антигравитационное устройство (как мы увидим в главе 10). Но можно представить себе в будущем создание других устройств – парящих досок и парящих автомобилей на магнитной подушке; эти машины позволят нам без труда поднимать и удерживать на весу крупные объекты. В будущем, если «сверхпроводимость при комнатной температуре» станет доступной реальностью, человек сможет поднимать в воздух предметы, используя возможности магнитных полей.

Если мы поднесем северный полюс постоянного магнита к северному же полюсу другого такого же магнита, магниты будут отталкиваться друг от друга. (Если мы перевернем один из магнитов и поднесем его южным полюсом к северному полюсу другого, два магнита будут притягиваться.) Этот же принцип – то, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, – можно использовать для подъема с земли огромных тяжестей. Уже сейчас в нескольких странах идет строительство технически передовых поездов на магнитной подвеске. Такие поезда проносятся не по путям, а над ними на минимальном расстоянии; на весу их удерживают обычные магниты. Поезда как бы парят в воздухе и могут благодаря нулевому трению развивать рекордные скорости.

Первая в мире коммерческая автоматизированная транспортная система на магнитной подвеске была запущена в действие в 1984 г. в британском городе Бирмингеме. Она соединила терминал международного аэропорта и расположенный неподалеку железнодорожный вокзал. Поезда на магнитной подвеске действуют также в Германии, Японии и Корее, хотя большинство из них не предназначены для высоких скоростей. Первый скоростной коммерческий поезд на магнитной подвеске начал ходить по запущенному в действие участку трассы в Шанхае; этот поезд движется по трассе со скоростью до 431 км/ч. Японский поезд на магнитной подвеске в префектуре Яманаси разогнался до скорости 581 км/ч – т. е. двигался значительно быстрее, чем обычные поезда на колесах.

Но устройства на магнитной подвеске чрезвычайно дороги. Один из путей к увеличению их эффективности – использование сверхпроводников, которые при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, полностью теряют электрическое сопротивление. Явление сверхпроводимости открыл в 1911 г. Хейке Камерлинг-Оннес. Суть его состояла в том, что некоторые вещества при охлаждении до температуры ниже 20 К (20° выше абсолютного нуля) теряют всякое электрическое сопротивление. Как правило, при охлаждении металла его электрическое сопротивление постепенно уменьшается. Дело в том, что направленному движению электронов в проводнике мешают случайные колебания атомов. При уменьшении темпер

www.chalt-1school.ru

Ардуино левитация горшка с карликовым деревом

На идею этого урока натолкнул проект краудфандинговой платформы Kickstarter под названием “Air Bonsai”, действительно красивый и загадочный, который сделали японцы.

Реклама

Но любая загадка может быть объяснена, если посмотреть внутрь. Фактически это магнитная левитация, когда есть объект, левитирующий сверху, и электромагнит, контролируемый схемой. Давайте попробуем вместе реализовать этот загадочный проект.

Реклама

Шаг 1: Как это работает

Мы выяснили, что схема устройства на Кикстартере была довольно сложной, без какого-либо микроконтроллера. Не было возможности найти её аналоговую схему. На самом деле, если посмотреть более внимательно, принцип левитации довольно прост. Нужно сделать магнитную деталь, “плавающую” над другой магнитной деталью. Основная дальнейшая работа заключалась в том, чтобы левитирующий магнит не падал.

Было также предположение, что сделать это с Arduino на самом деле намного проще, чем пытаться понять схему японского устройства. На самом деле всё оказалось намного проще.

Магнитная левитация состоит из двух частей: базовой части и плавающей (левитирующей) части.

Основание

Эта часть находится внизу, которая состоит из магнита для создания круглого магнитного поля и электромагнитов для управления этим магнитным полем.

Каждый магнит имеет два полюса: север и юг. Эксперименты показывают, что противоположности притягиваются и одинаковые полюса отталкиваются. Четыре цилиндрических магнита помещаются в квадрат и имеют одинаковую полярность, образуя круглое магнитное поле вверх, чтобы вытолкнуть любой магнит, который имеет один и тот же полюс между ними.

Есть четыре электромагнита вообще, они помещены в квадрат, два симметричных магнита – пара, и их магнитное поле всегда противоположно. Датчик Холла и цепь управляют электромагнитами. Создаем противоположные полюса на электромагнитах током через них.

Плавающая деталь

Деталь включает в себя магнит, плавающий над основанием, который может нести небольшой горшок с растением или другие предметы.

Магнит сверху поднимается магнитным полем нижних магнитов, потому что они с одинаковыми полюсами. Однако, как правило, он склоняется к падению и притягиванию друг к другу. Чтобы предотвратить переворот и падение верхней части магнита, электромагниты создадут магнитные поля, чтобы толкать или тянуть, дабы сбалансировать плавающую часть, благодаря датчику Холла. Электромагниты управляются двумя осями X и Y, в результате чего верхний магнит поддерживается сбалансированным и плавающим.

Контролировать электромагниты нелегко, требуется ПИД-регулятор, который подробно обсуждается на следующем шаге.

Шаг 2: ПИД-регулятор (PID)

Из Википедии: “Пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор — устройство в управляющем контуре с обратной связью. Используется в системах автоматического управления для формирования управляющего сигнала с целью получения необходимых точности и качества переходного процесса. ПИД-регулятор формирует управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнал рассогласования), второе — интеграл сигнала рассогласования, третье — производная сигнала рассогласования.”

В простом понимании: «ПИД-регулятор вычисляет значение «ошибки» как разность между измеренным [Входом] и желаемой установкой. Контроллер пытается свести к минимуму ошибку, отрегулировав [выход]».

Итак, вы указываете PID, что измерить (Вход), какое значение вы хотите и переменную, которая поможет иметь это значение на выходе. Далее ПИД-регулятор настраивает выходной сигнал, чтобы сделать вход равным установке.

Для примера: в автомобиле у нас три значения (Вход, Установка, выход) будут – скорость, желаемая скорость и угол педали газа, соответственно.

В данном проекте:

1. Вход представляет собой текущее значение в реальном времени от датчика холла, которое обновляется непрерывно, поскольку положение плавающего магнита будет меняться в реальном времени.
2. Заданное значение – это значение от датчика холла, которое измеряется, когда плавающий магнит находится в положении баланса, в центре основания магнитов. Этот индекс фиксирован и со временем не изменяется.
3. Выходной сигнал – скорость для управления электромагнитами.

Стоит поблагодарить сообщество любителей Arduino, которое написало PID-библиотеку и которая очень проста в использовании. Дополнительная информация об Arduino PID есть на официальном сайте Arduino. Нам нужно использовать пару ПИД-регуляторов под Arduino, один для оси X и другой для оси Y.

Шаг 3: Комплектующие

Список комплектующих для урока получается приличным. Ниже приведен список компонентов, которые вы должны купить для этого проекта, убедитесь, что у вас есть все перед запуском. Некоторые из компонентов очень популярны, и, вероятно, вы найдете их на своем собственном складе или дома.

• 1x – LM324N
• 4x – левитационная катушка
  
• 2x – SS495a датчик Холла
• 1x – 12V 2A DC адаптер
• 8x – Кольцевой магнит D15*4 мм
• 1x – Разъем питания постоянного тока
• 4x – Кольцевой магнит D15*3 мм
• 1x – Arduino pro mini
• 1x – Модуль L298N
• 1x – 14 гнездовой сокет
• 2x – Магнит D35*5мм
• 2x – Резистор 5.6 KОм
• 2x – Резистор 180 КОм
• 2x – Резистор 47 KОм
• 2x- 10 Kом потенциометр
• 1x – Акриловый лист A5 размера
• 1x – Деревянный горшок
• 1x – PCB макет
• 8x – 3 мм винт
• провода
• Мини-растение (суккулент, кактус, мини-бонсай, карликовое дерево)

Шаг 4: Инструменты

Вот список инструментов, наиболее часто используемых:

• Паяльник
• Ручная пила
• Мультиметр
• Дрель
• Осциллограф (по желанию, можете использовать мультиметр)
• Настольное сверло
• Горячий клей
• Плоскогубцы

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.

Шаг 6: Неодимовые магниты NdFeB (неодим-железо-бор)

Из Википедии: “Неодим — химический элемент, редкоземельный металл серебристо-белого цвета с золотистым оттенком. Относится к группе лантаноидов. Легко окисляется на воздухе. Открыт в 1885 году австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом. Используется как компонент сплавов с алюминием и магнием для самолёто- и ракетостроения.”

Неодим – это металл, который является ферромагнитным (в частности, он показывает антиферромагнитные свойства), что означает, что подобно железу его можно намагнитить, чтобы он стал магнитом. Но его температура Кюри составляет 19К (-254 ° С), поэтому в чистом виде его магнетизм проявляется только при чрезвычайно низких температурах. Однако соединения неодима с переходными металлами, такими как железо, могут иметь температуры Кюри значительно выше комнатной температуры, и они используются для изготовления неодимовых магнитов.

Сильный – это слово, которое используют для описания неодимового магнита. Вы не можете использовать ферритовые магниты, потому что их магнетизм слишком слаб. Неодимовые магниты намного дороже ферритовых магнитов. Маленькие магниты используются для основы, большие магниты для плавающей/левитирующей части.

Внимание! Вам нужно быть осторожным при использовании неодимовых магнитов, так как их сильный магнетизм может навредить вам, или они могут сломать данные вашего жесткого диска или других электронных устройств, на которые влияют магнитные поля.

Совет! Вы можете отделить два магнита, потянув их в горизонтальное положение, вы не сможете отделить их в противоположном направлении, потому что их магнитное поле слишком сильное. Они также очень хрупкие и легко ломаются.

Шаг 7: Готовим основание

Использовали небольшой терракотовый горшок, который обычно используется для выращивания суккулента или кактуса. Вы также можете использовать керамический горшок или деревянный горшок, если они подходят. Используйте сверло диаметром 8 мм, чтобы создать отверстие в нижней части горшка, которое используется для удерживания гнезда постоянного тока.

Шаг 8: 3D-печать плавающей части

Если у вас есть 3D-принтер – здорово. У вас есть возможность сделать все с помощью него. Если принтера нет – не отчаивайтесь, т.к. вы можете использовать дешевую услугу 3D-печати, которая сейчас очень популярна.

Для лазерной резки файлы также в архиве выше – файл AcrylicLaserCut.dwg (это autocad). Акриловая деталь используется для поддержки магнитов и электромагнитов, остальные – для покрытия поверхности терракотового горшка.

Шаг 9: Подготовка SS495a модуля датчика Холла

Вырежьте макет PCB на две части, одну часть, чтобы прикрепить датчик холла, а другой – к цепи LM324. Прикрепите два магнитных датчика перпендикулярно печатной плате. Используйте тонкие провода для соединения двух штырей датчиков VCC вместе, сделайте то же самое с контактами GND. Выходные контакты отдельно.

Шаг 10: Цепь Op-amp

Припаяйте гнездо и резисторы к печатной плате, следуя схеме, обратив внимание на то, чтобы поместить два потенциометра в одном направлении для более легкой калибровки позже. Присоедините LM324 к гнезду, затем подключите два выхода модуля датчиков холла к цепи op-amp.

Два выходных провода LM324 подключите к Arduino. Вход 12 В с входом 12 В модуля L298N, выход 5 В модуля L298N к 5V потенциометра.

Шаг 11: Сборка электромагнитов

Соберите электромагниты на акриловый лист, они закреплены в четырех отверстиях вблизи центра. Затяните винты, чтобы избежать движения. Поскольку электромагниты симметричны по центру, они всегда находятся на полюсах напротив, так что провода на внутренней стороне электромагнитов соединены вместе, а провода на внешней стороне электромагнитов подключены к L298N.

Протяните провода под акриловым листом через соседние отверстия, чтобы подключиться к L298N. Медный провод покрыт изолированным слоем, поэтому вы должны удалить его ножом, прежде чем вы сможете припаять их вместе.

Шаг 12: Сенсорный модуль и магниты

Используйте горячий клей для фиксации модуля датчика между электромагнитами, обратите внимание, что каждый датчик должен быть квадратным с двумя электромагнитами, один на передней и другой на задней панели. Попробуйте выполнить калибровку двух датчиков как можно более централизованно, чтобы они не перекрывались, что сделает датчик наиболее эффективным.

Следующий шаг – собрать магниты на акриловой основе. Объединяя два магнита D15*4 мм и магнит D15*3 мм вместе, чтобы сформировать цилиндр, это приведет к тому, что магниты и электромагниты будут иметь одинаковую высоту. Соберите магниты между парами электромагнитов, обратите внимание, что полюса восходящих магнитов должны быть одинаковыми.

Шаг 13: Разъем питания постоянного тока и выход L298N 5V

Припаяйте гнездо питания постоянного тока двумя проводами и используйте термоусадочную трубку. Подключенный разъем питания постоянного тока к входу модуля L298N, его выход 5 В будет подавать питание на Arduino.

Шаг 14: L298N и Arduino

Подключите модуль L298N к Arduino, следуя приведенной выше схеме:

L298N → Ардуино
5V → VCC
GND → GND
EnA → 7
В1 → 6
В2 → 5
В3 → 4
В4 → 3
EnB → 2

Шаг 15: Arduino Pro Mini программер

Поскольку у Arduino pro mini нет USB-порта для последовательного порта, вам необходимо подключить внешний программатор. FTDI Basic будет использоваться для программирования (и питания) Pro Mini.

Шаг 16: Подготовка плавающей части

Соедините два магнита D35*5 для увеличения магнетизма.

Шаг 17: Калибровка

Загрузите программу ReadSetpoint.ino в Arduino, которую можно скачать выше. Эта программа будет считывать значения датчика Холла и отправлять их на компьютер через последовательный порт. Откройте COM-порт, чтобы увидеть его. Подключите 12 В постоянного тока к гнезду питания постоянного тока, вы также используете осциллограф для считывания значения датчика.

Наблюдайте значения на экране и внесите корректировки, установив два потенциометра. Наилучшее значение – 560, при этом выход датчика составляет около 2,5 В. После установки заданного значения поместите плавающий магнит над базовой частью и встряхните его, чтобы увидеть изменение значения установки (Setpoint) на экране.

Шаг 18: Загрузка основной программы

После калибровки значения установки (Setpoint) самое время получить результаты. Загрузите основную программу Levitation.ino, которая приведена выше.

Используйте супер клей для фиксации магнита и держателя магнита, который ранее был напечатан на 3D-принтере. После загрузки основной программы вы можете внести небольшие корректировки на потенциометры, чтобы плавающая деталь была зафиксирована в центре.

Шаг 19: Собираем всё вместе

Сначала прикрепите гнездо питания постоянного тока к горшку, затем поместите оставшиеся части в горшок. Наконец, используйте оставшийся акриловый лист, чтобы сделать поверхность горшка.

Шаг 20: Подготовка растения

Прикрепите деревянный горшок к плавающей части магнита. Мы использовали маленький кактус для посадки. Вы можете использовать кактус или суккулент или любой мини-бонсай, который является маленьким и легким.

Шаг 21: Финальный результат

Наслаждайтесь своим результатом, благодаря вашим усилиям вы сделали отличный проект, который теперь будет радовать вас и ваших друзей.

Реклама

arduinoplus.ru