Как самому собрать аналоговый левитрон / Хабр
0.Предисловие
Начитался тут всяких интернетов и решил сваять свой собственный левитрон, без всяких цифровых глупостей. Сказано – сделано. Выкладываю муки творчества на всеобщее обозрение.
1.Краткое описание
Левитрон – это устройство, удерживающее объект в равновесии с силами гравитации с помощью магнитного поля. Давно известно, что невозможно левитировать объект, используя статичные магнитные поля. В школьной физике это называлось состоянием неустойчивого равновесия, насколько я помню. Однако, затратив немного желания, знаний, усилий, денег и времени, возможно левитировать объект динамически путем использования электроники в качестве обратной связи.
Получилось вот что:
2.Фунциональная схема
Электро-магнитные датчики, расположенные на торцах катушки, выдают напряжение, пропорциональное уровню магнитной индукции. В случае отсутствия внешнего магнитного поля эти напряжения будут одинаковы вне зависимости от величины тока катушки.
При наличии постоянного магнита вблизи нижнего датчика блок управления будет формировать сигнал, пропорциональный полю магнита, усиливать его до нужного уровня и передавать на ШИМ для управления током через катушку. Таким образом, возникает обратная связь и катушка будет генерировать такое магнитное поле, которое будет удерживать магнит в равновесии с силами гравитации.
Что-то заумно все получилось, попробую по другому:
— Нет никакого магнита — индукция на торцах катушки одинакова — сигнал с датчиков одинаков — блок управления выдает минимальный сигнал — катушка работает на всю мощь;
— Близко поднесли магнит — индукция сильно разная — сигналы от датчиков сильно разные — блок управления выдает максимальный сигнал — катушка отключается совсем — магнит никто не держит и он начинает падать;
— Манит падает — отдаляется от катушки — разница сигналов с датчиков уменьшается — блок управления уменьшает выходной сигнал — ток через катушку увеличивается — увеличивается индукция катушки — магнит начинает притягиваться;
— Чудо — магнит не падает и не притягивается — вернее, и падает и притягивается несколько тысяч раз в секунду — то есть возникает динамическое равновесие — магнит просто висит в воздухе.
3.Конструкция
Главным элементом конструкции является электро-магнитная катушка (соленоид), которая и удерживает своим полем постоянный магнит.
На пластиковый каркас D36x48 плотно намотано 78 метров медного эмалированного провода диаметром 0.6 мм, получилось где-то 600 витков. По расчетам, при сопротивлении 4.8Ом и питании 12В, ток будет 2.5А, мощность 30Вт. Это необходимо для подбора внешнего блока питания. (По факту получилось 6.0Ом, вряд ли нарезали больше провода, скорее сэкономили на диаметре.)
Внутрь катушки вставлен стальной сердечник от дверной петли диаметром 20мм. На его торцах с помощью термоклея закреплены датчики, которые обязательно должны быть ориентированы в одинаковом направлении.
Катушка с датчиками закреплена на кронштейне из алюминиевой полосы, который, в свою очередь, крепится к корпусу, внутри которого находится плата управления.
На корпусе расположен светодиод, выключатель и гнездо питания.
Внешний блок питания (GA-1040U) взят с запасом по мощности и обеспечивает ток до 3.
2А при 12В.
В качестве левтитрующего объекта используется N35H магнит D15x5 с приклеенной банкой из под кока-колы. Сразу скажу, что полная банка не годится, поэтому тонким сверлом делаем отверстия по торцам, сливаем ценный напиток (можно выпить если не боитесь стружки) и к верхнему колечку клеим магнит.
4.Принципиальная схема
Сигналы с датчиков U1 и U2 подаются на операционный усилитель OP1/4, включенный по дифференциальной схеме. Верхний датчик U1 подключен к инвертирующему входу, нижний U2 – к неинвертирующему, то есть сигналы вычитаются, и на выходе OP1/4 получаем напряжение, пропорциональное только уровню магнитной индукции, создаваемому постоянным магнитом вблизи нижнего датчика U2.
Комбинация элементов C1,R6 и R7 является изюминкой данной схемы и позволяет достичь эффекта полной стабильности, магнит будет висеть как вкопанный. Как это работает? Постоянная составляющая сигнала проходит через делитель R6R7 и ослабляется в 11 раз. Переменная составляющая проходит через фильтр C1R7 без ослабления.
Откуда вообще берется переменная составляющая? Постоянная часть зависит от положения магнита вблизи нижнего датчика, переменная часть возникает из-за колебаний магнита вокруг точки равновесия, т.е. от изменения положения во времени, т.е. от скорости. Нам интересно, чтобы магнит был неподвижен, т.е. его скорость была равна 0. Таким образом, в управляющем сигнале мы имеем две составляющих – постоянная отвечает за положение, а переменная – за стабильность этого положения.
На OP1/1 собран простой компаратор, который отключает ШИМ и, соответственно, катушку, когда рядом нет магнита. Очень удобная вещь, не надо вынимать блок питания из розетки если убрали магнит. Уровень срабатывания задается переменным резистором P1.
Далее, управляющий сигнал подается на широтно-импульсный модулятор U3.
ШИМ управляет переключением силового транзистора T1, а тот, в свою очередь, током через катушку.
Светодиод LED1 можно и не ставить, а вот диод SD1 нужен обязятельно, для слива лишнего тока и избежания перенапряжения в моменты выключения катушки из-за явления самоиндукции.
NL1 – это наша самодельная катушка, коей посвящен отдельный раздел.
В результате, в режиме равновесия, картина будет примерно такая: U1_OUT=2.9V, U2_OUT=3.6V, OP1/4_OUT=0.7V, U3_IN=1.8V, T1_OPEN=25%, NL1_CURR=0.5A.
Для наглядности прикладываю графики передаточной характеристики, АЧХ и ФЧХ, и осциллогаммы на выходе ШИМ и катушки.
5.Выбор компонентов
Устройство собрано из недорогих и доступных компонентов. Самой дорогой оказалась медная проволока WIK06N, за 78 метров WIK06N заплатил 1200 руб, все остальное, вместе взятое, обошлось значительно дешевле.
В качестве датчиков магнитного поля U1 и U2 используются аналоговые датчики Холла SS496A с линейной характеристикой вплоть до 840Гс, это самое то для нашего случая. При использовании аналогов с другой чувствительностью потребуется корректировка коэффициента усиления на OP1/3, а также проверка на уровень максимальной индукции на торцах вашей катушки (в нашем случае с сердечником она достигает 500Гс), чтобы датчики не входили в насыщение при пиковой нагрузке.
OP1 -это счетверенный операционный усилитель LM324N. При выключенной катушке выдает 20мВ вместо нуля на 14 выходе, но это вполне приемлемо. Главное не забыть выбрать из кучки 100К резисторов наиболее близкие по фактическому номиналу для установки в качестве R1,R2,R3,R4.
Номиналы C1,R6 и R7 выбраны путем проб и ошибок как самый оптимальный вариант для стабилизации магнитов разных калибров (тестировались N35H магниты D27x8, D15x5 и D12x3).
Соотношение R6/R7 можно оставить как есть, а номинал C1 увеличивать до 2-5мкФ, в случае возникновения проблем.
При использовании очень маленьких магнитов, вам возможно будет не хватать коэффициента усиления, в этом случае урежьте номинал R8 до 500Ом.
D1 и D2 это обычные выпрямительные диоды 1N4001, тут подойдут любые.
В качестве широтно-импульсного модулятора U3 используется распространенная микросхема TL494CN. Частота работы задается элементами C2, R10 и P3 (по схеме 20кГц). Оптимальный диапазон 20-30кГц, при меньшей частоте появляется свист катушки. Вместо R10 и P3 можно просто поставить резистор 5.6K.
T1 это полевой транзистор IRFZ44N, подойдет и любой другой из этой же серии. При выборе других транзисторов может потребоваться установка радиатора, ориентируйтесь на минимальные значения сопротивления канала и заряда затвора.
SD1 это диод шоттки VS-25CTQ045, тут я хватанул с большим запасом, подойдет и обычный быстродействующий диод, но, возможно, будет сильно греться.
LED1 желтый светодиод L-63YT, здесь, как говорится, на вкус и цвет, можно их и побольше наставить, чтобы все светилось разноцветными огнями.
U4 это стабилизатор напряжения 5В L78L05ACZ для питания датчиков и операционного усилителя. При использовании внешнего блока питания с дополнительным выходом 5В, можно обойись и без него, но конденсаторы лучше оставить.
6.Заключение
Все получилось как задумано. Устройство стабильно работает круглые сутки, потребляет всего 6Вт. Ни диод, ни катушка, ни транзистор не греются. Прикладываю еще пару фоток и финальное видео:
7. Дисклаймер
Я не электронщик и не писатель, просто решил поделиться опытом. Может что-то покажется вам слишком очевидным, а что-то слишком сложным, а о чем-то забыл упомянуть вообще. Не стесняйтесь вносить конструктивные предложения и по тексту и по улучшению схемы, чтобы люди могли запросто это повторить, если будет такое желание.
левитрон — блог Мира Магнитов
Ещё в середине девятнадцатого века было доказано, что создать эффект левитации, используя стационарные магниты, невозможно. Тем не менее, сейчас можно купить магнитные игрушки, которые демонстрируют победу над гравитацией. Речь идёт о левитроне, в котором вращающийся волчок взлетает на несколько сантиметров над поверхностью основы. Даже тем, кто хорошо знаком со свойствами создаваемого некоторыми материалами специфического поля, такой эффект кажется настоящей магией. Как же устроен левитрон и каков принцип его работы?Особенности конструкции
Внешне эта примечательная игрушка устроена очень просто. Для неё не требуется подключения к электричеству – всё основано на свойствах постоянных магнитов. Состоит левитрон из:
- волчка или гироскопа;
- основы кольцевой формы;
- подставки;
- нескольких грузиков разного веса для достижения равновесия.
Приняв решение купить магнитные игрушки с левитирующим эффектом, нужно быть готовыми к тому, что для запуска необходима некоторая тренировка. Требуется:
- запустить волчок на пластине подставки;
- медленно поднять пластину вверх;
- опустить пластину и убрать её;
- гироскоп остаётся вращаться в воздухе над кольцевой основой.
Принцип действия игрушки
Теорема Ирншоу доказывает, что добиться устойчивости в системе из двух одноимённых полюсов магнитов нельзя. Но создание левитрона продемонстрировало, что существует исключение. Однако равновесие, которое удалось получить, весьма хрупкое. На него могут влиять очень многие факторы, в том числе и те, которые обычно во внимание не принимаются, — температура окружающей среды, например.
Вращение поддерживает гироскоп в состоянии парения. А кольцеобразная основа создаёт поле сложной формы. Как только происходит отклонение от центра, возникает сила, возвращающая его в точку равновесия. Сила эта довольно мала, поэтому запуск гироскопа требует определённых навыков. Чтобы игрушка работала стабильно, необходимо установить её точно горизонтально. В этом помогут регулируемые ножки основы. Да и сам подъём, и удаление пластины нужно производить крайне осторожно. Но зато, освоив все эти тонкости, можно будет любоваться удивительным эффектом, который никого не оставит равнодушным.
Тем, кому понравился левитрон, можно предложить купить магнитные игрушки, демонстрирующие более сложные опыты. Они требуют подключения к электричеству, но зато позволяют создавать эффект гравитации, который может длиться неделями. К ним относится «летающий» глобус, перпетуатор и некоторые другие.
Волчок-левитрон или магнитная левитация своими руками
Помните популярную игрушку из 90-х «Левитрон»? Это волчок, который висит в воздухе за счет магнитных сил.
Попробуем сделать сами такую игрушку из подручных материалов и понаблюдаем за магнитной левитацией.
Нам потребуются следующие материалы:
- Деревянная доска, карандаш, изоляционная лента, пластиковые или латунные шайбы, почтовые бумажные, пластиковые или картонные открытки.
- Тринадцать дисковых неодимовых магнитов размерами 12*3 мм, марки N52; один широкий кольцевой размерами 20 (наружный диаметр) * 10 (внутренний диаметр) мм, марки N42.
Шаг 1: Раскладка
В игрушке «Левитрон», которая была популярна в 90-х годах, и которая больше не продается (или продается?), использовались два специальных керамических кольцевых магнита. Мы же с вами сделаем игрушку, используя несколько стандартных неодимовых магнитов.
Как сделать левитрон с подставкой своими руками? В первую очередь, распечатайте на принтере макет, изображенный выше. Он нужен для разметки отверстий под установку магнитов. Обязательно проверьте размеры с помощью линейки. Затем вырежьте макет по квадратной разметке.
Шаг 2: Вырезаем деревянное основание
Вырежьте деревянную заготовку такого же размера, как и бумажный макет. Вы можете использовать для изготовления основания любой пиломатериал, но его толщина должна быть не менее 6 мм.
Шаг 3: Переносим макет на основание
Далее приклейте бумажный макет к деревянному блоку. С помощью сверла Форстнера диаметром 12 мм накерните центр в каждом круге. Это необходимо для последующего точного сверления отверстий.
Шаг 4: Сверлим отверстия
Пришло время сверлить отверстия. Чтобы получились качественные отверстия с плоским дном, для сверления используйте сверло Форстнера диаметром 12 мм. Установите на сверлильном станке глубину сверления так, чтобы дно отверстия находилось чуть ниже верхней поверхности блока. Нужно, чтобы магниты располагались как можно ближе к поверхности.
Во время сверления макет должен оставаться наклеенным на деревянный блок, чтобы сверление было более точным.
Шаг 5: Устанавливаем магниты
Отверстия просверлены.
Пора вставлять магниты. Они должны быть обращены одним из полюсов вверх. Установим их северным полюсом вниз. Чтобы определить, где северная, а где южная стороны, используйте маркированный магнит D68PC-RB или другой способ.
Возьмите стопку марки N52 и вставьте по одному в каждое отверстие. Используйте что-нибудь для проталкивания их вглубь отверстий. Можете воспользоваться деревянным дюбелем.
Во время установки, поместите блок на стальную пластину, чтобы магниты удерживались на дне отверстий.
Убедитесь, что магниты располагаются как можно глубже в отверстиях Левитатора.
Шаг 6: Делаем волчок
Далее делаем волчок. Отрежьте карандаш длиной примерно 40 мм. У него должен быть заострен конец. Намотайте на карандаш изоленту, чтобы увеличить диаметр для установки внутрь кольцевого магнита.
Разместите кольцевой магнит на карандаше так, чтобы северный полюс был обращен вниз (в сторону острого конца карандаша). Для увеличения веса волчка, наденьте на него несколько пластмассовых шайб.
В последствии вам придется экспериментировать с весом и высотой центра тяжести волчка, чтобы он работал так, как надо. Для этого может потребоваться очень много времени.
Шаг 7: Тестируем
Отрежьте кусок пластика или картона, чтобы сделать платформу. Платформа укладывается поверх основания с магнитами. Волчок раскручивается на этой платформе, затем платформа с волчком поднимается, чтобы волчок попал в «магнитную яму».
Если вы сможете заставить волчок висеть, то вам крупно повезло. Чтобы волчок работал как следует, вам, возможно, придется потратить на это уйму времени.
Вот несколько советов, как можно отрегулировать работу устройства. Во-первых, нужно сбалансировать основание. Используйте картонные открытки или листки бумаги для заметок, чтобы поднять стороны основания и выровнять его.
Если волчок продолжает отклоняться в одну сторону, вам нужно будет поднять эту сторону. Здесь лучше использовать трехточечную систему нивелирования.
Вес волчка также является ключевым фактором.
В устройстве есть некая «яма», то есть зона, магнитное поле в центре которой немного слабее, чем у краев. Чтобы волчок оставался в этой яме, вам нужно либо добавить ему вес, либо снизить его.
Если волчок сразу вылетает, то вам, вероятно, нужно добавить ему веса. Если волчок не отрывается от платформы, возможно, он слишком тяжелый.
Также нужно убедиться, что высота платформы выбрана правильно. Если волчок плохо вращается, попробуйте подложить бумажки или картонки под платформу.
Посмотрите видео, чтобы узнать, как это работает!
Шаг 8: Печать на 3D-принтере
Если у вас есть 3D-принтер, то распечатайте игрушку на нем. Вот ссылка на файлы в ThingiVerse.
Если желаете, можете прочитать статью о том, как работает левитирующий волчок.
Левитрон – это… Что такое Левитрон?
Демонстрация работы левитрона.Левитрон — волчок, который вращаясь, способен «зависать» в воздухе над специальной коробкой, образующей магнитную подушку.
Принцип работы
Будучи в раскрученном состоянии, магнитный волчок массой ~20 граммов способен зависнуть над специально расположенной системой постоянных магнитов в коробке (так как магниты постоянные, левитрон не требует источника электрического тока). Волчок представляет из себя обычный кольцевой магнит, с осью, перпендикулярно проходящей через центр симметрии. Магнит в коробке обычно тоже кольцо, но большего диаметра. Форма магнитного поля обусловлена сочетанием этих двух размеров. 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 коробки. Размер этой зоны определяет вес, магнитное поле волчка, и место, где явление возможно. Вращение необходимо для того, чтобы волчок не перевернулся. Момент инерции вращающегося тела, в соответствии с законом сохранения момента импульса удерживает волчок в положении отталкивающим полюсом вниз.
Волчок испытывает силу трения только о воздух, вследствие чего, он может парить довольно долго.
Более сложные варианты, отличаются лишь тем, что используют тот или иной способ раскручивания предмета, который обычно заключён внутри небольшого глобуса. Тогда “левитация” длится, пока устойство не будет выключено или в нем разрядятся батарейки. В нижней коробке дополнительно находится электромагнитная катушка-передатчик, а в верхнем предмете катушка-приёмник, которые совместно образуют воздушный трансформатор. Подобные устройства питания известны в виде беспроводных индукционных компьютерных мышей, где провод ведёт только к коврику. Передаваемой мощности может хватать даже на подсветку такого глобуса.
Другие устройства, основанные на принципе работы левитрона
Реализацией сувениров и игрушек такого типа занимается американская компания «Очаровательные игрушки и подарки» (Fascinations Toys and Gifts), расположенная в Сиэтле. К ним относятся: «Перпетуатор» (Perpetuator) — постоянно парящий левитрон, работающий от сети, к нему добавлены электромагнитные поля, поддерживающие вращение волчка, «Art Bank» — коробка, внутри которой в воздухе находятся модель самолёта, монетка или теннисный мячик, а также «Amazing Anti-Gravity Globes» — «летающий глобус»
Патенты
Первый патент на левитрон, номер 4382245, был выдан в мае 1983 года Рою Хэрригену, американскому изобретателю (срок действия этого патента закончился в 2003).
Вильям Хонс и Эдвард Хонс получили несколько патентов на улучшения этого устройства: 5404062, 5883454 и др.
См. также
Ссылки
[1]
Магнитный левитрон (реально рабочая схема)
Магнитное поле допускает создание устройства с реальной левитацией, которая вызвана невидимой для глаза силой электромагнитного поля. Явление магнитной левитации состоит в том, что металлический объект плавает в пространстве. Человек, наблюдающий левитацию, понимает что между объектом и электромагнитом ничего нет.
Схема простого магнитного левитрона
В простейшем случае схема выглядит так:
- Электромагнит — намотан на винт около 800 витков провода 0,5 мм.
- Лазерная указка обычная 5 мВт
- Блок питания трансформатор 50 Вт 12 В
- Выпрямительный мост 10 А
Что касается объекта, на него действуют две силы: первая — это сила создаваемая гравитацией земли, вторая — из магнитного поля созданного электромагнитом.
Обе силы будут направлены друг на друга.
Теоретически, достаточно регулировать ток протекающий через электромагнит, чтобы создать постоянное магнитное поле которое будет генерировать силу, равную силе гравитации. Там будет некая точка в пространстве где металлический объект будет подниматься в воздух. На практике это невозможно, потому что даже минимальное нарушение этого состояния может привести к падению или притяжению объекта электромагнитом, поэтому необходимо установить соответствующий контроллер, который будет отвечать за управление электромагнитом.
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.
Механическая конструкция
Прибор был сделан из оргстекла, сначала он должен был быть алюминиевым, но так дешевле и как оказалось это удобный материал для обработки.
Элементы которые должны были быть закруглены, после нагревания зажигалкой могли быть согнуты под углом 90 градусов.
Схема начала работать правильно с первого запуска. После регулировки напряжения на обоих фоторезисторах потенциометрами всё стала полностью устойчивым к внешним условиям освещения. Во время работы через соленоидные катушки максимально протекает ток около 2 А, это вызывает довольно высокий нагрев BD911, но например с помощью BUZ90 или 6N60 можно уменьшить нагрев, ведь их сопротивление включенное невелико. На испытании через час обнаружили, что температура радиатора не превышает 90 градусов, поэтому достаточно пассивного охлаждения, мостовой выпрямитель и 7805 также немного нагреваются, у них есть небольшие радиаторы. Единственный недостаток, который появился после долгой работы устройства это то, что дешевые лазеры после получаса непрерывного освещения теряют интенсивность света.
В принципе левитрон подходит для непрерывной работы, правильно держит мелкие и крупные объекты, сила электромагнита действительно высока, если установить большой винт напротив него и притянуть — его будет трудно снять.
Даже удалось поднять большой подшипник весом почти 0,3 кг, он левитировал примерно в пол сантиметрах от магнита. В общем смело делайте устройство — схема реально рабочая!
Как сделать левитрон на датчике холла своими руками
Левитрон на датчике холла
Левитроном, как известно, называют волчок, вращающийся в воздухе над коробкой, в которой действует источник магнитного поля. Изготовить левитрон можно из популярного датчика холла.
Что такое левитрон
Левитрон – это игрушка. Ее нет никакого смысла покупать, если знать варианты изготовления самодельного устройства. Ничего сложного в конструкции такого левитрона не будет, если имеется обычный датчик холла, например, купленный для автомобильного трамблера, и оставленный впрок.
Графическая схема функционирования датчика
Следует знать, что эффект левитации наблюдается всегда в достаточно узкой зоне. Такие реалии несколько ограничивают свободу действий умельцев, однако при приложении терпения и времени, можно всегда настроить левитрон качественно и эффективно.
Он практически не будет падать или скакать.
Левитрон из датчика холла
Левитрон на датчик холла и идея его изготовления проста, как и все гениальное. Благодаря силе магнитного поля в воздух поднимается кусок любого материала с электромагнитными свойствами.
Левитатор
Чтобы создался эффект «зависания», парения в воздухе, подключение осуществляется с большой частотой. Другими словами, магнитное поле, как бы, поднимает и бросает материал.
Схема устройства чересчур проста, и даже школьник, не просидевший уроки физики зря, сможет все самостоятельно соорудить.
- Нужен светодиод (цвет его подбирается в зависимости от индивидуальных предпочтений).
- Транзисторы RFZ 44N (хотя подойдет любой полевик, близкий к этим параметрам).
- Диод 1N 4007.
- Резисторы на 1 кОм и 330 Ом.
- Собственно, сам датчик холла (А3144 или другой).
- Медный намоточный провод размером 0,3-0,4 мм (около 20 метров будет достаточно).
- Неодимовый магнитик в виде таблетки 5х1 мм.
- 5-вольтный зарядочник, предназначенный для мобильника.
Теперь подробно о том, как проводится сборка:
- Делается каркас для электромагнита точно с такими же параметрами, как на фото. 6 мм – диаметр, около 23 мм – длина намотки, 25 мм – диаметр щечек с запасом. Изготавливается каркас из картонки и обычного тетрадного листа, с использованием суперклея.
Каркас для электромагнита
- Конец медного провода фиксируется на катушке, а затем проводится наматывание (примерно 550 витков). Неважно при этом в какую сторону наматывать. Другой конец провода тоже закрепляется, катушка пока откладывается в сторону.
- Паяем все по схеме.
Схема левитрон на ДХ
- Датчик холла припаивается на проводки, а затем ставится на катушку. Надо вдеть его внутрь катушки, зафиксировать подручными средствами.
Внимание. Чувствительная зона датчика (определить ее можно по документации к датчику холла) должна смотреть параллельно земле. Поэтому, перед тем как вдеть датчик в катушку, рекомендуется немного согнуть это место.
Датчик холла на катушку
- Катушка подвешивается, на нее подается питание через спаянную ранее плату. Катушка фиксируется посредством штатива.
Закрепленная в штатив катушка
Теперь можно проверить, как работает левитрон. Можно подвести к катушке снизу любой наэлектризованный материал. Он будет либо притягиваться катушкой, либо отталкиваться, в зависимости от полярности. Но нам нужно, чтобы материал зависал в воздухе, парил. Так оно и будет, если форма материала не слишком мала по отношению к катушке.
Примечание. Если магнит в виде таблетки маленький, то он будет левитировать не слишком эффектно. Может падать. Чтобы исключить огрехи в работе, надо сместить центр тяжести материала к низу – в качестве груза подойдет обычный кусок бумажки.
Что касается светодиода, то его можно и не ставить. С другой стороны, если хочется большего эффекта, можно организовать шоу с подсветкой.
Самодельный левитрон в классическом исполнении без датчика
Как видим, благодаря наличию датчика холла удалось изготовить вполне эффектную игрушку. Однако это вовсе не означает, что без датчика не обходится. Напротив, самодельный левитрон в классическом исполнении, это лишь большой магнит от динамика (диаметром 13-15 см) и маленький кольцевой магнит для волчка (2-3 см в диаметре), без использования датчика.
Ось волчка делается, как правило, из старой ручки или карандаша. Главное – стержень подбирается так, чтобы плотно заходил по центру кольцевого магнита. Лишняя часть ручки после этого срезается (примерно 10 см в длину вместе с закрепленным магнитом для волчка, то что надо).
Классическая схема изготовления левитрона подразумевает также наличие десятка различных шайб, вырезанных из плотной бумаги. Для чего они понадобятся? Если в вышеописанном случае тоже использовалась бумага, и как мы помним – для смещения центра тяжести вниз или проще, для настройки. То же самое и здесь. Шайбочки буду нужны для идеальной настройки волчка (при необходимости сажаются после кольцевого магнита на стержень).
Вырезание шайб из бумаги
Внимание. Чтобы самодельный волчок идеально левитировал, помимо настройки шайбочками, нужно не ошибиться с полярностью. Другими словами, установить кольцевой магнит соосно большому магниту.
Левитация волчка над большим магнитом
Но и это еще не все. Как в первом случае (с использованием датчика холла), так и во втором, надо добиться идеальной ровности источника притяжения. Говоря иначе, поставить большой магнит на идеально ровную поверхность. Чтобы добиться этого, применяются деревянные подставки различной толщины. Если магнит сидит не ровно, подставки ставятся с одной стороны или с нескольких, таким образом, настраивается ровность.
Платформенные левитроны
Отличается платформенная схема левитрона, как правило, наличием не одного, а нескольких магнитов-источников. Парящий в воздухе материал или волчок будет стремиться в этом случае упасть на один из магнитов, сместившись с вертикальной оси. Чтобы этого избежать, надо суметь скорректировать центральную зону притяжения, и сделать это идеально точно.
И тут на помощь приходят те самые катушки, с вдетым внутрь датчиком холла. Пусть таких катушек будет две, и расположить их следует ровно по середине платформы, между магнитами. На схеме это будет выглядеть вот так (1 и 2 — магниты).
Схема платформенного левитрона
Из схемы становится понятно, что целью управления катушками является создание горизонтальной силы, центра притяжения. Сила эта формально названа Fss, и направлена она к оси равновесия при возникновении смещения, указанного на схеме, как Х.
Если подключить катушки так, чтобы импульс создавал зону с обратной полярностью, то можно решить вопрос со смещением. Это подтвердит любой физик.
В качестве корпуса для конструкции платформенного левитрона подбирается любой старый проигрыватель ДВД. Из него снимаются все «внутренности», устанавливаются магниты и катушки, а в целях красоты, верхняя часть закрывается практичной крышкой из тонкого, можно прозрачного материала (пропускающего магнитное поле).
Датчики холла должны выступать через отверстия платформы, должны быть распаяны на разогнутых ножках разъемов.
Что касается магнитов, то это могут быть круглые элементы толщиной в 4 мм. Желательно, чтобы один из магнитов был больше второго по диаметру. Например, 25 и 30 мм.
Существуют и более сложные варианты левитронов, изготовленные по схеме раскручивания волчка, находящегося внутри небольшого глобуса. Эти левитроны также могут строиться с использованием датчиков холла – эффективных составляющих, совершивших целую революцию в автопромышленности и других сферах человеческой деятельности.
как сделать его своими руками? Левитирующая фоторамка и колонка, предметы на подставке, обзор украшений для дома
Предметы декораЛевитрон — приспособление, которое при вращении повисает в воздухе над основной коробкой. В ней, в свою очередь, размещены магниты, создающие встречное магнитное поле, не дающее волчку покинуть локацию этого поля.
Что это такое?
Левитрон формирует отталкивающее волчок магнитное поле, позволяя тому перемещаться лишь в определённой точке. Магнитный поток, создаваемый основной коробкой с магнитами, уравновешивает подвес волчка со всех сторон. Отталкивающее магнитное поле образует в воздухе своеобразную гравитационную подушку, одинаковую по силовым линиям с любой из сторон, если смотреть относительно горизонтальной плоскости, параллельной верхней грани коробки.
Волчку, зависшему над упаковкой с магнитами, обязательно нужно вращательное движение, и должно оно быть с относительно постоянной угловой скоростью. Если этот волчок (парящую болванку) остановить, то он перевернётся и притянется, так как нижний его полюс, обращённый к коробке, сменится на противоположный. Этот принцип работы лежит в основе всех подобных установок, в которых роль упругого материала, не дающего грузу упасть, выполняют силовые линии. Второе обязательное условие, помимо вращения, — магниты в упаковке должны быть развёрнуты одним и тем же полюсом вверх.
Для предотвращения соскальзывания и переворачивания они вставлены в несквозные отверстия и жёстко зафиксированы, например, при помощи универсального клея.
Виды изделий
Левитирующая фоторамка состоит из внешнего и внутреннего контуров. Во внешнем размещены направляющие и сосредотачивающие своё поле магниты. Во внутреннем — магнит самого волчка. В сам внутренний контур вставляются одна или две фотографии. Вращаясь, контур с волчком демонстрирует лицевую и оборотную стороны вставленных фото. Рамка с таким устройством способна эффектно украсить стол. Например, геймер, увлекающийся популярными онлайн-играми, помещает две направленные в обе стороны фотографии одного или двух любимых персонажей. Внутренний контур такой фоторамки выполнен, например, в виде сердца, символизирующего любовь и симпатию к этим вымышленным героям. А попав во время стриминга в изображение с веб-камеры, геймер выделится этой «фишкой» и привлечёт внимание новых подписчиков его же собственного видеоканала. В иных случаях левитирующая фоторамка становится предметом интерьера комнаты, украшением для дома.
Левитирующая подставка для посуды включает встроенный в дно, например, салатницы или вазы для цветов, магнит волчка. Однако несимметричные ручки у посуды, например, у литровой кастрюли для приготовления первых блюд на одного человека или скоровороды, разбалансируют волчок.
Предмет посуды перевернётся, притянувшись и опрокинув на стол приготовленное блюдо.
Звуковая колонка должна быть круглой, однородной, работать от аккумулятора «на борту», быть беспроводной, например, звуковоспроизводящий динамик с Bluetooth. Все детали тщательно уравновешиваются отбалансированной компоновкой. При работающей на «басах» виброотдаче колонка колеблется, будучи парящей в воздухе.
Прочие подарки и сувениры: часы с видом циферблата сверху, стакан или кружка со смещённым центром тяжести (из-за наличия ручки сбоку), цветочный горшок, маленькая ёлка в виде сувенира, мини-дерево, выполненное как бонсай. А также искусственная луна (желтоватый шар с лунной текстурой поверхности), круглая декоративная мини-полка и другие подарки должны быть тщательно отцентрованы. Малейший дисбаланс центра масс способен превратить левитрон в непонятный с виду предмет, притянувшийся «не той» стороной и стоящий криво.
Это же относится к объёмным предметам, сохранившим лёгкость по общей собственной массе. Например, это может быть декоративное облако с разноцветной светодиодной подсветкой, оригинальная фигурка в виде пенопластового снеговика с нарисованным лицом и многое другое.
Все эти изделия не обходятся без платформы с основным набором магнитов, формирующих магнитное кольцо с гравитационным провалом в центре, в котором и балансирует волчок.
Как сделать своими руками?
В домашних условиях воссоздать левитрон крайне просто. Первым делом необходим подходящий чертёж изделия, без которого изготовление качественной, по-настоящему безотказной левитирующей площадки и подвижного объекта крайне затруднительно.
Подготовка
Подбор инструментария включает в себя: болгарку с набором отрезных дисков по дереву и металлу, лобзик с пильными полотнами по дереву, электродрель с корончатыми, конусными и/или перьевыми свёрлами, строительный маркер, (штанген) циркуль, карандаш, рулетку, линейку-угольник, транспортир.
Из материалов, кроме плоских цилиндрических магнитов, потребуются: доска из натуральной древесины или отрезок бруса, универсальный клей (можно применить «Момент-1» или термоклей в пистолете), а также дополнительные материалы. Нередко вместо набора неодимовых магнитов применяют мощный ферритовый (классический) магнитик, извлечённый из динамика большой мощности и габаритов. В последнем случае это динамические головки сабвуферов, входящих в стационарную электроакустическую установку. Потребуется очень аккуратное извлечение ферритового магнита: несмотря на твёрдость, он очень легко ломается, и собрать его отколовшиеся части окажется весьма трудным делом.
Кольцевой магнит, получивший сколы, а тем более треснувший насквозь, выдаст неидеальное, разбалансированное магнитное поле, в котором волчок, скорее всего, гарантированно завалится набок.
Схема изготовления
Для изготовления левитрона выполните следующие шаги.
-
Разметьте отрезок доски, в которой размещаются магниты, по внешней дуге окружности с помощью циркуля. Выпилите с помощью лобзика требуемый кусок.
- Отшлифуйте края, доведя деревянную основу до состояния идеального круга. Это делается при помощи болгарки или точила, но идеальнее всего доводка деревянного круга выполняется всё-таки на токарном или сверлильном станке, в патроне которого зажата ось. В центре просверливается небольшое отверстие для этой оси, а закреплена она может быть при помощи поперечных штифтов.
- Разметьте под магниты глухие отверстия — идеально круглые выемки. С помощью дрели и сверлящей коронки, конусно-ступенчатого сверла, либо фрезы на фрезере подходящего размера высверлите их. Так, 6 магнитов располагаются в виде правильного шестигранника, 13 — в виде 13-угольника, и так далее. Магнитов может быть и больше.
- Запрессуйте эти магниты. Они должны входить плотно — отверстия предварительно высверливаются точь-в-точь по диаметру магнитов. Для большей надёжности посадите их на клей. Опытные мастера разводят эпоксидный клей с образовавшимися при сверлении опилками (деревянной стружкой) и «намертво» заливают магниты, чтобы те не имели никаких шансов выпасть. Шероховатая внутренняя поверхность высверленных под магниты отверстий (выемок) надёжно удерживает эпоксидную заливку — изделие получается практически «вечным».
- Основание с магнитами готово. Они расположены одним и тем же полюсом — например, N — вверх. Этим же полюсом к ним повёрнут магнит волчка. Для изготовления самого волчка сделайте следующее. Отрежьте кусок от цельного карандаша — длина его составит 4 см. Убедитесь, что конец карандаша заострён идеально, лучше это сделать точилкой.
- Накрутите отрезок изоленты или скотча на карандаш. Это понадобится, чтобы кольцевой магнит равномерно, равноудалённо от центра наделся на отрезок карандаша. В данном случае, полюс N кольцевого магнита повернётся вниз — встречно к магнитам в отрезке деревянного основания, изготовленного по предыдущей инструкции.
Поэкспериментируйте с массой и уровнем расположения центра тяжести волчка. Это даст ему возможность вращаться и парить над основой левитатора без перекосов. Продолжайте центровать волчок, при каждой проверке закручивая его вокруг своей оси, пока его не перестанет мотать в разные стороны.
В качестве альтернативы — электромагнитное основание для волчка. Вместо магнитов берутся готовые круглые, или изготавливаются самостоятельно, катушки с железными сердечниками. Требуется предельная точность во всём — от расположения катушек до числа их витков. Расположите их идеально ровно, равноудаленно от волчка. Возможно, потребуется плата с импульсным драйвером — последовательная подача постоянных импульсов тока или синусоиды переменного напряжения превратит левитрон в воздушный безрамный двигатель. Недостаток — такой левитрон работает от батареек. Впрочем, и обычный, механический, на постоянных магнитах, левитирующий сувенир не вращается бесконечно, так как ни одна из магнитных установок не является вечным двигателем. Крутить его хотя бы пальцами всё равно придётся.
В следующем видео инструкция по изготовлению представлена более подробно.
Страница не найдена | MIT
Перейти к содержанию ↓- Образование
- Исследовать
- Инновации
- Прием + помощь
- Студенческая жизнь
- Новости
- Выпускников
- О MIT
- Подробнее ↓
- Прием + помощь
- Студенческая жизнь
- Новости
- Выпускников
- О MIT
Попробуйте поискать что-нибудь еще! Что вы ищете? Увидеть больше результатов
Предложения или отзывы?
Amazon.com: Fascinations Levitron Ultimate Anti-Gravity Вверху: Товары для офиса
На коробке написано: «Задача стать мастером. Зрелище чудо». Я бы не сказал, что это чудо, но это зрелище. Определенно правильно сказать, что это сложный процесс. Инструкции не особо помогли. Во-первых, вам нужно было выяснить назначение каждой части коробки. Было только описание шайб. В остальном полагалась на картинки. На одной странице было описание того, как использовать Levitron Self-Starter, и я искал такой предмет в коробке, пока не понял, что это дополнительная опция, которую нужно покупать отдельно! Большое спасибо! В коробке вы получите следующее: (1) верх; (2) пакет с пластиковыми и латунными шайбами для добавления сверху; (3) тяжелое магнитное основание; (4) прозрачная пластиковая подъемная пластина; (5) винтовые регулировочные ножки для основания.Первым шагом было научиться вращать волчок на подъемной пластине. Инструкции по этому поводу на самом деле вводили в заблуждение. В нем говорилось, что в качестве отправной точки нужно использовать одну большую латунную шайбу. Ну, я делал это больше часа, но верх просто отрывается от тарелки. Мысли о том, чтобы отправить все это обратно в Amazon, определенно пришли в голову. На следующий день я попробовал еще раз, но решил пойти на другую крайность – перевесить верх. Это значительно облегчило попытки вращения. После многих попыток мне удалось заставить волчок вращаться на тарелке, но волчок не поднимался сам по себе.На этом этапе речь шла только о снижении веса за счет снятия шайб до тех пор, пока верх не поднимется сам. Несколько замечаний о процессе вращения: (1) даже если волчок начинает хаотично вращаться, вы можете помочь стабилизировать его вращение, медленно поднимая тарелку, т.е. не «сдавайтесь» на вершине только потому, что начальное вращение шаткое. ; (2) вы должны поднимать тарелку очень осторожно и таким образом, чтобы вращение вершины оставалось стабильным. Сейчас у нас около 3 часов в процессе работы с этим устройством.То, что верхняя часть отрывается, не означает, что она останется на месте над основанием. Он может отклониться в одном направлении после того, как поплыл в течение секунды. Следующая хитрость – отрегулировать ноги. Конечно, это означает, что вам в первую очередь следовало прикрутить эти ножки к основанию (еще один лакомый кусочек, не упомянутый в инструкциях). Следите за направлением, в котором верхушка плывет. Это та сторона основания, которую нужно будет поднять, отрегулировав ножку. В конце концов, если вы поиграете с этими ножками, верхняя часть будет парить над основанием.Ух! Вы должны понимать, что магнитное поле, создаваемое базой, очень чувствительно к окружающей среде. Поэтому, если вы переместите все приспособление в другое место, вам, возможно, придется снова отрегулировать ноги.
Стоило ли затраченных усилий? Конечно было! Как только вы разберетесь с этим, на самом деле будет довольно легко поднимать волчок почти каждый раз с минимальными усилиями. Постараюсь выложить видео с плавающим волчком.
| Удивительный левитрон Левитрон работает довольно тонко и имеет был предметом ряда исследовательских работ.Таким образом, трудно объяснить используя только слова. Основная сила левитации возникает из-за магнитного отталкивания между верх, представляющий собой дисковый магнит с полюсами на гранях диска, и магнитный база. Эта сила противодействует гравитации и удерживает верх. Волчок должен вращаться, чтобы он не перевернулся. Когда Вершина вращается, магнитный момент действует гироскопически и ось не переворачивается но вращается вокруг (почти вертикального) направления магнитного поля.Объясняя горизонтальная устойчивость верхней части Levitron – сложная часть, для которой он лучше всего обращаться по ссылкам ниже или к исследовательским работам. Основная идея заключается в том, что магнитное поле от основания не совсем вертикальное, а отклоняется от оси. Наклон векторно увеличивает вертикальное поле, так что общая амплитуда поля увеличивается вне оси. Вершина прецессирует вокруг поля и, таким образом, адиабатически следует за локальным полем.Из-за этого энергия диполя в поле равна , которая увеличивается вне оси. Таким образом, энергия увеличивается вне оси, и вершина остается стабильной. Если волчок вращается слишком быстро, ось диполя волчка не будет следовать за полем, и левитрон не будет устойчивым по горизонтали. Другими словами, вершина держится строго вертикальное по гироскопическому действию не может иметь положения глобальной устойчивости. Еще один интересный аспект левитрона – это колеблющееся поле.
Генератор, поддерживающий вращение волчка.Это устройство производит примерно горизонтальное
магнитное поле, которое колеблется с частотой около 40 Гц. Кажется, это действует на волчок
как асинхронный двигатель, волчок вращается с частотой около 30 Гц. Эта горизонтальная
поле также создает сильный колебательный крутящий момент на верхней части, который заставляет верхнюю часть колебаться
довольно много как крутится. Колебание меньше без генератора осциллирующего поля,
но все еще присутствует из-за прецессии и нутации волчка. Все подробности
колебания еще предстоит объяснить в физической литературе. В сети много дополнительной информации о Левитроне, и
вот несколько полезных ссылок: Научные статьи и препринты, относящиеся к Левитрону:
Также интересно отметить, что магнитное улавливание нейтральных атомов, что явилось важным шагом в реализации бозе-эйнштейновской конденсации в Газы с лазерным охлаждением основаны на тех же принципах, что и Левитрон. Левитация Хронология витрины: |
Магнитные подшипники – Levitronix. Лучшие насосы для большей урожайности.
Принцип магнитной левитации
Активная электромагнитная левитация основана на силе притяжения управляемого электромагнита на ферромагнитное тело. Блок управления регулирует ток в электромагните и, следовательно, магнитную силу, действующую на ферромагнитное тело, так что тело удерживается в подвешенном состоянии. Датчик постоянно измеряет положение ферромагнитного тела.Если ферромагнитное тело находится выше желаемого положения, контроллер снижает ток в магните, а вместе с ним и магнитную силу. Если тело находится ниже желаемого положения, ток в магните увеличивается.
Один электромагнит не может стабилизировать все пространственные степени свободы ротора. Два электромагнита, расположенные в противоположной паре, необходимы только для ориентации положения ротора в одном направлении. Две такие пары электромагнитов, расположенные под прямым углом друг к другу, образуют «радиальный подшипник».«Подобно шариковому подшипнику, эта конфигурация способна удерживать ротор в одном положении в плоскости (направление xy). Поскольку ротор также должен быть предотвращен от наклона, его обычно необходимо удерживать в двух точках с помощью двух радиальных подшипников. электромагнитов необходимо в качестве упорного подшипника.Таким образом, полностью активная электромагнитная система подшипников ротора требует в общей сложности десяти электромагнитов.Электронный блок управления модулирует ток в каждом электромагните, используя обратную связь от пяти отдельных датчиков.
Преимущества магнитных подшипников
Магнитные подшипники обладают особыми свойствами, которые отличают их от механических подшипников. Основные преимущества заключаются в отсутствии физического контакта и электронного управления положением ротора.
Краткое описание льгот
- Без смазки
- Без истирания
- Без образования частиц
- Легко чистить и стерилизовать
- Идеально для работы в чистых помещениях
- Может работать в сложных условиях окружающей среды, таких как жара, холод, пар, вакуум, агрессивные химические вещества
- Отличная теплоизоляция ротора и статора
- Возможна герметизация (консервирование)
- Низкая вибрация и шум
- Электронная регулировка демпфирования и жесткости
- Электронная компенсация дисбаланса
- Электронное точное позиционирование ротора в воздушном зазоре
- Постоянный контроль нагрузки на подшипник, прогиба и дисбаланса ротора без дополнительного оборудования
Применение магнитных подшипников
Магнитные подшипники идеально подходят для использования в чистых помещениях, поскольку не требуют смазки и могут работать без образования частиц.В полупроводниковой промышленности магнитные подшипники используются в турбомолекулярных насосах (TMP), насосах для сверхчистой жидкости и системах вращения пластин. Высоконадежные магнитные подшипники появляются в биомедицинских продуктах, таких как насосы для крови, вспомогательное респираторное оборудование, биореакторы и аналитические приборы. Другие области применения включают турбокомпрессоры, нагнетатели рециркуляции газа, высокоскоростные фрезерные и шлифовальные шпиндели, оптические сканеры и научные инструменты
Диамагнитная левитация – Лаборатория сильнопольных магнитов (HFML)
Видеть – значит поверить: маленькая лягушка (живая!) И водяной шар левитируют внутри вертикального отверстия диаметром 32 мм соленоида Горького в магнитном поле около 16 Тесла.
Эти фотографии воды и лягушки, парящей внутри магнита (не на борту космического корабля), являются первыми наблюдениями магнитной левитации живых организмов при комнатной температуре. Они несколько нелогичны. Как они могут левитировать?
Урок №1: Все может левитироватьМагнитно левитировать можно любой материал и каждое живое существо на Земле.Молекулярный магнетизм присутствует всегда, хотя он очень слаб и обычно остается незамеченным. Может создаться впечатление, что окружающие нас материалы в основном немагнитны. Но это не так. Все они магнетичны. Мы называем их «диамагнитными». С достаточно сильными магнитными полями вы можете левитировать все диамагнитные материалы. В нашей лаборатории мы разрабатываем и производим магниты с очень сильными магнитными полями. Мы используем его для исследования молекул и материалов. И покажите миру левитирующую лягушку.
Как летает лягушка?
Чтобы объяснить, мы должны начать с самого начала.Вся материя во Вселенной состоит из маленьких частиц, называемых атомами. Каждый атом содержит электроны, которые вращаются вокруг ядра, называемого ядром. Если вы поместите атом в магнитное поле (или большой кусок материи, содержащий миллиарды и миллиарды атомов), электронам, движущимся по кругу внутри, это не очень понравится. Они меняют свое движение в направлении, противоположном внешнему воздействию. Они создают собственное магнитное поле. Атомы ведут себя как маленькие магнитные иглы, направленные в направлении, противоположном магнитному полю.Есть несколько материалов (например, железо), атомы которых немного сумасшедшие и любят находиться в магнитном поле. Их магнитные «иглы» ориентированы в одном направлении. Но это исключения из общего правила.
Гравитация и сила магнитного поляМагниты отталкивают друг друга, если вы пытаетесь соединить их одинаковые полюса, два северных или два южных полюса. Точно так же северный полюс внешнего поля будет пытаться оттолкнуть «северные полюса» намагниченных атомов.Наши магниты создают очень большое магнитное поле (примерно в 100-1000 раз больше, чем домашние магниты). В этом поле все атомы внутри лягушки действуют как очень маленькие магниты, создавая небольшое поле. Вы можете сказать, что теперь лягушка состоит из этих крошечных магнитов, которые отталкиваются большим магнитом. Сила, называемая диамагнитной силой, которая направлена вверх, оказывается достаточно сильной, чтобы компенсировать силу тяжести (направленную вниз), которая также действует на каждый атом лягушки.Итак, атомы лягушки вообще не чувствуют никакой силы, и лягушка плавает, как если бы она была в космическом корабле. Маленькая лягушка выглядела комфортно внутри магнита и впоследствии с радостью присоединилась к своим собратьям-лягушкам на факультете биологии. Хотите более веского объяснения? Тот, у которого есть формулы, можно найти ниже.
Почему вы использовали лягушку?
Какими бы частыми ни были биологические исследования, лягушки – редкие клиенты в физических лабораториях, и вы можете задаться вопросом, почему мы левитировали лягушек, а не «что-то научное».Мы приносим свои извинения тем, кто считает, что «настоящая физика» должна включать только непонятные вещества и быть всегда скучной. Левитация диамагнитного материала была впервые продемонстрирована в 1939 году, когда маленькие шарики графита и висмута левитировали в электромагните (исторические подробности см. Physics Today). Ученым потребовалось еще 50 лет, чтобы заново открыть для себя левитацию, когда физики из Гренобля подняли несколько органических материалов с помощью диамагнитной силы.
Когда мы, в свою очередь, заново открыли левитацию (не зная о предыдущих экспериментах) с левитирующей водой, мы были поражены, обнаружив, что 90% наших коллег не верили, что вода может левитировать.Мы хотели рассказать людям об этом явлении. Мы подняли в воздух живую лягушку и другие не очень научные объекты, такие как различные растения, лягушки, рыбы и мыши, из-за их очевидной привлекательности для более широкой аудитории и в надежде, что исследователи из различных дисциплин, не только физики, никогда не смогут никогда не забывайте об этой часто игнорируемой силе и о тех возможностях, которые она предлагает
Что еще можно сделать с диамагнетизмом?Диамагнитная левитация отличается от любого другого известного способа левитации или плавания предметов.Гравитационная сила компенсируется на уровне отдельных атомов и молекул. Фактически, это максимально близко – возможно, когда-либо – приблизиться к научно-фантастической антигравитационной машине. Поэтому не всегда необходимо организовывать космический полет для изучения эффектов микрогравитации – вместо этого можно проводить некоторые эксперименты внутри магнита. Как выращивание кристаллов или тканей тела без каркаса.
Будет или не будет левитировать: объяснение для вундеркиндовБудет ли объект левитировать в магнитном поле B, определяется балансом между магнитной силой F = M∇B и гравитацией mg = ρV g, где ρ – плотность материала, V – объем и g = 9.8 м / с 2 . Магнитный момент M = (χ / µ 0 ) VB, так что F = (χ / µ 0 ) BV∇B = (χ / 2µ 0 ) V∇B 2 . Следовательно, градиент вертикального поля ∇B 2 , необходимый для левитации, должен быть больше 2µ 0 ρg / χ. Молекулярные восприимчивости χ обычно составляют 10 -5 для диамагнетиков и 10 -3 для парамагнитных материалов, и, поскольку ρ чаще всего составляет несколько г / см 3 , их магнитная левитация требует градиентов поля ~ 1000 и 10 Тл 2 / м соответственно.Принимая l = 10 см в качестве типичного размера сильнопольных магнитов и B 2 ~ B 2 / л в качестве оценки, мы находим, что полей порядка 1 и 10 Тл достаточно, чтобы вызвать левитацию пара- и диамагнетизм. Этот результат не должен вызывать удивления, потому что, как мы знаем, магнитные поля менее 0,1 Тл могут левитировать сверхпроводник (χ = -1), а из приведенных выше формул магнитная сила увеличивается как B 2 .
Справочная информация
Эта оригинальная работа, выполненная исследователями Неймегена, была впервые опубликована в Physics World, апрель 1997 г., стр.28. Наиболее полный отчет представлен в:
.Дополнительная литература: хорошая популярная книга по магнетизму – это «Движущая сила» Джеймса Ливингстона.
Physics Toys: Левитрон
Немногие явления привлекают наше внимание, как акт левитации – настолько, что вопреки нашим ожиданиям, что гравитация закрепилась в нашем сознании, мы в основном находим это на сцене мага. Но вот он, Левитрон: магнитная левитация со стабилизированным вращением, без батарей и источника питания, произведенная компанией Fascinations, производящей крутые гаджеты.Левитрон имеет два основных компонента: большой постоянный магнит в форме пончика в основании и магнит в форме диска в самом верху, которые ориентированы таким образом, что одинаковые полюса этих двух магнитов отталкиваются. Следовательно, сила тяжести уравновешивается магнитным отталкиванием, позволяя верху плавать в течение нескольких минут. Вот мой небольшой видеоролик о работе Левитрона:
Любой физик испытывает острое удивление при первом знакомстве с этой игрушкой; похоже, что это нарушает теорему Ирншоу, которая гласит, что никакая конфигурация неподвижных постоянных магнитов не может находиться в равновесии.Обычно, если кто-то пытается поместить магнит над другим, свободный магнит быстро перевернется, и противоположные полюса со щелчком соединятся. Ключ к достижению равновесия (магнитная сила против силы тяжести) с левитроном заключается в том, что верхняя часть не неподвижна, она вращается. Точно так же, как сохранение углового момента фиксирует направление оси вращения вращающегося гироскопа, волчок стабилизируется аналогичным образом, но это не вся история, поскольку другие тонкие принципы физики играют роль.
На самом деле заставить волчок плавать довольно сложно. Сила любого постоянного магнита чувствительна к температуре, поэтому сила отталкивания между верхом и основанием может меняться от часа к часу или от места к месту, если левитрон перемещается. Масса верха должна быть отрегулирована точно так, чтобы толчок между двумя магнитами точно уравновешивался с силой тяжести – наименьший вес, уплотнительное кольцо с массой менее 1 грамма, может повлиять на левитацию или нет.
Кроме того, ось волчка должна наклоняться под небольшим углом, чтобы зацепиться за нее, а вершина должна вращаться с определенной скоростью. Удивительно, но если волчок вращается слишком быстро, он не будет плавать! Эти рабочие параметры левитрона и многие другие удивительные детали описаны в этой рекомендованной статье Мартина Саймона из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Подробное рассмотрение физики левитрона на высоком уровне представлено в этой основополагающей статье сэра Майкла Берри, где он показывает, что магнитный захват волчка левитрона аналогичен тому, который используется для захвата одиночных нейтронов.
На рынке представлено около пяти моделей Левитрона. Мне больше всего нравится модель из вишневого дерева на видео, которая позволяет летать на высоте около 10 см. Никаких ниточек и иллюзий – только физика!
Эта физическая игрушка в настоящее время не производится, но некоторые модели все еще доступны:
На eBay: Levitron Top
поездов на магнитной подушке, будущее уже в ближайшем будущем! – Магнитный блог
Поезда, в которых используется технология магнитной левитации, больше не используются. можно увидеть только в фантастических фильмах.В Китае и Японии были проведены исследования. проводились в течение нескольких лет о том, как магнитная левитация может быть использована для транспорт людей. Опытные образцы уже разработаны в двух странах, которые развивают впечатляющую скорость до 600 км / ч! Это могло значительно сократить время в пути.
Китайская модель называется Maglev от английского названия магнитная левитация и должна поступить в производство в 2021 году. вариант, Тюо Синкансэн, запланирован на 2027 год с национальной дорогой через вся страна.Левитация, а именно магнитная левитация, лежащая в основе двух проектов, здесь не используется впервые. В В Калифорнии, например, ховерборд был разработан в 2014 году. Скейтборд которые также могут левитировать благодаря магнитной технологии.
Как работает магнитная левитация?
Начнем с начала. Проще говоря, магнитный левитация означает, что два тела отталкиваются друг от друга без какого-либо контакта и поэтому плавают. Однако в своей теореме Эрншоу 1842 года Сэмюэл Эрншоу заявляет, что никакие стационарные электрические или магнитные явления не могут вызывать и поддерживать эту силу левитации.Левитация, с другой стороны, не использует статическое магнитное поле, но подвижное поле.
Так называемый Левитрон – классический пример, объясняющий это. явление. Американский изобретатель Рой Харринган получил патент на свой изобретение Левитрона в 1983 году. Это практически комбинация базового и магнитный гироскоп, которые отталкивают друг друга, поэтому, среди прочего, скорость вращения гироскопа имеет решающее значение, потому что это не только кратковременный момент левитации, но стабильная сила левитации.
