Примеры магнитной (диамагнитной) левитации, диамагнетизм

Содержание

Необходимые компоненты

Плата Arduino Nano (купить на AliExpress). Можно использовать любую плату Arduino, но шилд в данном проекте приведен для платы Arduino Nano.
Электромагнит диаметром 25 мм, работающий от 12 В.
Linear Hall Effect Sensor 49E (датчик Холла 49E) (купить на AliExpress). Не используйте переключатель Холла (hall effect switch).
Darlington High Power Transistor TIP 120 (транзисторная пара Дарлингтона) (купить на AliExpress).
Резистор 1 кОм (купить на AliExpress).
Высокоскоростной диод 1N4007 (купить на AliExpress).
Источник питания 12 В 1 А.
SparkFun Pushbutton switch 12mm (кнопочный переключатель).
Макетная плата.
Соединительные провода.

Левитирующая лампочка Flyte

Ранее на рынке уже появлялся подобный продукт, но это была обычная подставка с вертикально расположенной лампочкой над ней. Данное изделие получило название Flyte.

Честно сказать, выглядело все это дело хоть и необычно, но не совсем практично.

Единственное преимущество левитирующей лампы Flyte заключалось в многофункциональности ее подставки.

От нее можно было заряжать смартфоны поддерживающие беспроводную зарядку.

Вы как бы получали два устройства в одном.

Теперь же инженеры разработали полноценный настольный светильник, в котором лампочка действительно висит в воздухе вниз головой.

При этом не касаясь корпуса или плафона никакой своей частью.

Эксперименты по левитации дома

До того, как сделать левитирующий магнит, можно выполнить небольшой опыт по созданию условий левитации дома. Для этого понадобятся:

шесть кольцеобразных постоянных магнитов с внутренним диаметром 6-8 мм;
обычный графитовый карандаш;
подставка, выполненная из куска поролона размером 120*250 мм;
упор из плексиглаза, оргстекла или другого прочного материала.

Два магнита размещают на карандаше через 100 мм друг от друга. На этом же расстоянии в поролоне закрепляют две пары идентичных магнитов. Тройка магнитов (два на опоре и один на карандаше) должна визуально составлять пирамиду. Регулируя расстояния между магнитами, добиваются левитации карандаша.

Левитация карандаша в домашних условиях

История [ править ]

1839 Теорема Ирншоу показала, что электростатическая левитация не может быть стабильной; позже теорема была распространена на магнитостатическую левитацию другими
1913 г. Эмиль Бачелет в марте 1912 г. получил патент на свой «левитирующий передающий аппарат» (патент № 1,020,942) на систему электромагнитной подвески.
1933 Супердиамагнетизм Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд ( эффект Мейснера )
1934 Герман Кемпер «монорельсовая машина без колес». Патент Рейха номер 643316
1939 год. Расширение Браунбека показало, что магнитная левитация возможна с диамагнитными материалами.
1939 г. Алюминиевая пластина Бедфорда, Пера и Тонкс, помещенная на две концентрические цилиндрические катушки, демонстрирует 6-осевую стабильную левитацию.
1961 Джеймс Р. Пауэлл и коллега из BNL Гордон Дэнби - электродинамическая левитация с использованием сверхпроводящих магнитов и катушек «Null flux» в виде восьмерки
1970-е годы Спин-стабилизированная магнитная левитация Рой М. Харриган
1974 Магнитная река Эрик Лэйтуэйт и другие
1979 трансскоростной поезд перевез пассажиров
1981 Первая одинарная магнитная левитационная система, выставленная на всеобщее обозрение ( Том Шеннон , Компас любви, коллекция Musee d’Art Moderne de la Ville de Paris).
1984 Низкоскоростной шаттл на магнитной подвеске в Бирмингеме Эрик Лэйтуэйт и другие
1997 Диамагнитно левитирующая живая лягушка Андре Гейм
1999 Inductrack электродинамическая левитация на постоянных магнитах (General Atomics)
2000 В Китае была успешно разработана первая в мире испытательная машина на магнитной подвеске HTS «Century» с загрузкой человека.
Униполярный электродинамический подшипник 2005 г.

Магнитная левитация на постоянных магнитах: идеи и опыты

Самый простой и наглядный пример магнитной левитации, которая создается на постоянных магнитах – это так называемый левитрон. Эту игрушку придумал американский изобретатель почти 30 лет назад. В основе конструкции всего два кольцевых магнита. Большой лежит строго горизонтально, а маленький вращается и зависает над ним. Что же его удерживает от падения? За счет чего достигается такой эффект? Игорь Белецкий высказывает на видео идеи практической реализации левитрона и проводит опыты.

Естественно, постоянные магниты направлены друг к другу одноименными полюсами, что и заставляет их отталкиваться. Но для устойчивой магнитной левитации этого мало. Большой кольцевой магнит создает особую форму магнитного поля. Другими словами образуется магнитная впадина или потенциально яма, на дне которой волчок и находят свою устойчивость. Но это всего лишь позволяет ему не свалиться в сторон. Решающим фактором для стабильной левитации является вращение самого волчка, вследствие чего возникает в гироскопический эффект, благодаря нему волчок не опрокидывается, хотя постоянно к этому стремится, и как только трение а воздух притормозит его вращение, сила магнитного притяжения возьмет верх. Было бы заманчиво найти практическое применение такому подвесу. Например, сделать бесконтактный маховик – накопителя энергии. Но беда в том, что что по схеме левитрона, когда большой магнит удерживает маленький, не получается подвесить массивное тело. Сила отталкивания крайне мала – жалкие 30 грамм. Это предел. Нагрузишь больше и система сложится, а увеличивать габариты магнита непрактично и дорого. Но как же так? Неодимовые магниты обладают просто чудовищной силой отталкивания, и это действительно так.

Продаются магниты дешевле в этом китайском магазине. Автор видео Игорь Белецкий попытался реализовать динамическую левитацию по принципу магнитного подвеса, расположив ось вращения вертикально.Вес маховика легко компенсируется двумя маленькими кольцевыми магнитами, а вот осевую стабилизацию должны были обеспечить небольшие магниты на концах оси. Плюс гироскопический эффект от вращения самого маховика. К сожалению, проведя множество экспериментов, он так и не добился желаемого. Возможно, он снова выбрал не самую удачную схему, потому что, чем больше в системе магнитов, а значит и напряжений, тем сложнее ее уравновесить.

Самый простой и дешевый способ магнитного подвеса предложил еще профессор механики Нурбей Гулия. Он просто перенес всю массу маховика на кольцевые магниты, а осевую стабилизацию оставил за обычными подшипниками, что вполне логично, ведь при вертикальной оси вращения нагрузка на них минимальная, как и потери на трение. Это, конечно, не чистая левитация, но что то весьма близкое. Автор ролика быстро собрал похожую конструкцию и убедился в ее практичности. Вместо подшипников для стабилизации оси он использовал графитовые втулки. Трение у них действительно минимально. Теперь бы еще поместить всё в безвоздушную капсулу и получится настоящий накопитель механической энергии. А потом, для полного счастья, было бы логично сделать бесконтактный отбор мощности. Самый простой способ – превратить маховик в магнитный ротор. Например, добавим катушку индуктивности и получим генератор, который при необходимости сможет работать и как электромотор для раскрутки маховика накопителя. Но это уже совсем другая история.

Посмотрите товары для изобретателей. Ссылка на магазин.

Стабильность [ править ]

Теорема Ирншоу доказывает, что при использовании только парамагнитных материалов (таких как ферромагнитное железо) статическая система не может устойчиво левитировать против силы тяжести.

Например, простейший пример подъема с двумя простыми дипольными магнитами, отталкивающими друг друга, очень нестабилен, поскольку верхний магнит может скользить вбок или переворачиваться, и оказывается, что никакая конфигурация магнитов не может обеспечить стабильности.

Однако сервомеханизмы , использование диамагнитных материалов, сверхпроводимость или системы, использующие вихревые токи, позволяют достичь стабильности.

В некоторых случаях подъемная сила обеспечивается магнитной левитацией, но устойчивость обеспечивается механической опорой, несущей небольшую нагрузку. Это называется .

Статическая стабильность править

Статическая стабильность означает, что любое небольшое смещение от стабильного равновесия вызывает результирующую силу, которая толкает его обратно к точке равновесия.

Теорема Ирншоу убедительно доказала, что невозможно устойчиво левитировать, используя только статические макроскопические парамагнитные поля. Силы, действующие на любой парамагнитный объект в любых комбинациях гравитационного , электростатического и магнитостатического полей , сделают положение объекта в лучшем случае нестабильным по крайней мере вдоль одной оси, и он может находиться в неустойчивом равновесии по всем осям. Однако существует несколько возможностей сделать левитацию жизнеспособной, например, использование электронных стабилизаторов или диамагнитных материалов (поскольку относительная магнитная проницаемость меньше единицы ); можно показать, что диамагнитные материалы стабильны по крайней мере вдоль одной оси и могут быть стабильными по всем осям. Проводники могут иметь относительную проницаемость для переменных магнитных полей ниже единицы, поэтому некоторые конфигурации, в которых используются простые электромагниты, управляемые переменным током, являются самостабильными.

Динамическая стабильность править

Динамическая устойчивость возникает, когда система левитации способна гасить любое возможное вибрационное движение.

Магнитные поля представляют собой консервативные силы и поэтому в принципе не имеют встроенного демпфирования, и на практике многие схемы левитации имеют недостаточное демпфирование, а в некоторых случаях — отрицательное демпфирование. Это может позволить существовать режимам вибрации, которые могут вызвать выход объекта из стабильной области.

Демпфирование движения осуществляется несколькими способами:

внешнее механическое демпфирование (в опоре), такое как торпеды , сопротивление воздуха и т. д.
гашение вихревых токов (проводящий металл под влиянием поля)
настроенные массовые демпферы в левитирующем объекте
электромагниты управляемые электроникой

Секрет левитации

Волшебная левитация – это предмет сказок и мифов. Например, ковёр-самолёт или полёт на метле.

Фокус левитации основан в основном не вере и воспринимается в религиозных рамках. Такие случаи засвидетельствованные, но научно не доказаны.

Нам предстоит рассмотреть такие разновидности левитации, как левитация человека, обучение левитации, акустическая левитация и магнитная левитация (также существует диамагнитная левитация).

Много исследований касающихся левитации и антигравитации ведутся в физике. Доказано, что для левитации необходимо: во-первых, наличие силы, которая будет компенсировать силу тяжести, и во-вторых, наличие возвращающей силы, которая будет обеспечивать устойчивость предмета исследования.

Видео практики левитации

Обучение левитации человека, техника и практика

Искусство левитации сохранилось до наших дней не только в Индии, но и в Тибете.
Левитировать может лишь тот, кто достиг самой высокой ступени своего духовного развития. Человек может даже не догадываться о своих скрытых способностях. Иногда левитации проявляется как врожденная способность, но обучение в Тибетских монастырях доказывает, что этому можно научиться.

Проводились эксперименты, где группа учёных следила за изменениями (биологическими и физиологическими) участников. Результаты были такими: у йогов была остановка дыхания на 1-3 минуты, менялся характер дыхания; тела участников были сильно расслаблены, находились трансе; учащался пульс (90-100 ударов в минуту).

Повторимся ещё раз, левитация – это феномен, при котором предмет или человек левитирует без видимой опоры, не притягиваясь к какой-либо поверхности.

Для неподготовленного человека левитирование может быть опасным. Если у человека очень развитая способность к левитации, но духовно он не подготовлен, это будет мощнейший удар по организму, которому трудно перенести такие нагрузки. Результаты могут быть очень печальными. Человек может просто «сгореть», как будто по нему пропустили ток.

Каждый из вас может пройти массу психологических тестов, которые помогут вам понять есть ли у вас способности к левитации, какой уровень этих способностей; уровень вашего духовного развития; предрасположенность к левитации.

Устойчивость

Мало только заставить предмет парить и зависать в воздухе. Необходимо добиться его устойчивого состояния, которое бывает:

статическое;
динамическое.

Два этих невесомых состояния имеют некоторые принципиальные различия.

Статическая

Равнодействующие силы, которые возвращают предмет в равновесное положение при любом его отклонении, обеспечивают статическую устойчивость.

Динамическая

Способность устройства, создающего левитацию, подавлять всевозможные вибрирующие движения обеспечивает динамическое устойчивое состояние. Так как само МП не имеет встроенного механизма подавления вибраций, то это делается дополнительно. Для этого используются варианты воздействия:

лобового сопротивления;
действия вихревых токов;
работа управляемых электромагнитов;
гашение вибрации с помощью инерционного демпфера.

Для работы электромагнитов в данном случае применяются БЭУ (блоки электронного управления), которые контролируют процесс смещения и вносят необходимую коррекцию в работу магнитов.

Подъёмная сила

Знакомство с коэффициентом спроса и использования

Преодоление земного притяжения заставляет левитирующий объект зависать в воздухе. В случае МЛ сила, заставляющая это сделать, – магнитное поле, действующее на него. Кроме того, существует способность магнетиков и систем, собранных с их использованием, воздействовать друг на друга. Сила, с которой они либо притягиваются, либо отталкиваются, зависит от магнитной поверхности и создаваемого ими МП.

Исходя из этого, можно, применив формулу, рассчитать магнитное давление P mag

P mag = B2/2µ0,

где:

B – магнитная индукция, Тл;
µ0 – магнитопроницаемость в вакууме, µ0 = 4π×10−7 Н·А−2.

Искомая сила на 1 м2 поверхности (Pmag) измеряется в Паскалях.

Левитирующий магнит – результат действия подъёмной силы МП

Использование МЛ

Применения МЛ не исчерпывается демонстрацией, где левитирующая лягушка подвешена в воздухе при помощи сильного МП. Небольшой перечень возможностей использования левитации с воздействием магнитного поля:

на транспорте;
в энергетике;
в летательных аппаратах;
ветряных генераторах;
магнитных подшипниках.

Транспорт с магнитной левитацией

Основной плюс использования маглевов – экономный режим потребления энергии, за счёт снижения трения между рельсами и колёсами в традиционных вариантах. Основные затраты приходятся на преодоление сопротивления воздушных масс. Современное оформление вагонов, практическое отсутствие шумов и вибрации делают этот вид транспорта перспективным.

История супер поездов

В России не производят маглевы, но в Санкт-Петербурге подобные разработки грузовых поездов на магнитной подушке уже ведутся. Ученые создали прототип грузового маглева, в дальнейшем обещают сконструировать и пассажирский.

Страны лидеры – Китай и Япония, представляют свои разработки, которые работают уже не один год. Коммерческая скоростная линия в Шанхае позволяет перемещаться из одной точки в другую со скоростью более 430 км/ч.

Японский вариант

Скоростное первенство по праву достаётся японским поездам подобного типа. Весной 2015 года опытный экземпляр поезда установил рекорд на участке, построенном в префектуре Яманаси. Модель Синкансэн L0 развила на этом участке скорость 603 км/ч. Японцы ведут разработки ещё с 70-х годов прошлого века. Работы ведутся в институте ж/д техники (JRTRI), в тесном сотрудничестве с оператором Japan Railways.

Японский JR-Maglev

Магнитные подшипники

В лазерных установках и в оборудовании, где необходима высокая точность (оптические системы), нашли своё применение магнитные подшипники. Они обладают целой линейкой положительных качеств:

отсутствие трения, потери равны нулю;
повышенная скорость вращения;
низкий коэффициент вибрации;
возможность герметизации;
автоматический электронный контроль.

Газовые турбины, электрогенераторы, работающие на высоких оборотах, криогенные установки – это только некоторые решения для использования таких подшипников.

Бесконтактный магнитный подшипник

Применение в энергетике

Избавление от трения в магнитных подшипниках позволяет говорить о применении магнитной левитации в энергетике. КПД газовых турбин на ТЭС (тепловых электрических станциях) повысился с применением таких деталей. Возможность контролировать и регулировать работу подшипниковых узлов высокооборотных генераторов тока позволила модернизировать и повысить коэффициент автоматизации процесса получения электроэнергии.

Летательные аппараты

Обычный вертолёт тоже можно назвать левитирующим объектом, однако силу земного притяжения он преодолевает с помощью воздушного потока, создаваемого лопастями. Летательные аппараты, использующие МП и движущиеся целенаправленно в разных плоскостях, – это ещё только будущее. В отличие от поездов, проблема конструктивного выполнения стороннего МП находится только в процессе поиска решения.

Самолёт на магнитной подушке

Использование МЛ в ветрогенераторах

Всё дело – в магнитной подвеске, которая значительно увеличивает срок службы генератора. При её наличии ветряная турбина требует гораздо меньших затрат в обслуживании.

Переход транспорта любых видов на МЛ позволит в корне изменить транспортные системы. Кроме коллективного использования таких видов транспорта, возможен переход на индивидуальные системы передвижения человека. Экономия энергии, долговечность вращающихся механизмов, подъём и перемещение грузов – всё это в корне изменит структуру промышленных и сельскохозяйственных объектов, а также внешний облик планеты.

Основные типы магнитной левитации

Магнитное давление на объект, подлежащий «парению», осуществляется несколькими способами. Выделяют два типа подобной левитации:

EMS – электромагнитные конструкции;
EDS – электродинамические устройства.

Система EMS отличается нестабильным равновесным положением. Для обеспечения стабильности необходимо применять АСУ (автоматизированные системы управления) и осуществлять постоянный контроль. Притягивающая сила возникает между проводником из ферромагнетика и электрическими магнитами.

Системы типа EDS базируются на принципах появления вихревых токов в проводящих компонентах. Для того чтобы вихревые токи появились, необходимо действие переменного поля магнитной природы.

Важно! Системы EDS делятся на два вида взаимодействия. Первый – стационарные катушки вступают во взаимосвязь с магнитами, имеющими сверхпроводимость. Второй – изменения магнитных полей (МП) происходят в результате действия сил, которые генерирует переменный ток

Второй – изменения магнитных полей (МП) происходят в результате действия сил, которые генерирует переменный ток.

Силы отталкивания, которые используются в электродинамических системах, делают их инертно стабильными.

Постоянные магниты никогда не используются самостоятельно, только в гибридных установках. Это связано с тем, что постоянный магнит не может обеспечить стабильного положения ни в одной из степеней свободы, значит, без поддержки других сил воздействия на статичность положения тут не обойтись.

Интересно. Чтобы уйти от привязки к объектам из магнитных материалов и позволить системам работать с элементами другой структуры материалов, есть необычное решение – использование магнитных вставок (посредников).

Миф или реальность?

Вечный двигатель знаком практически каждому еще со школьной скамьи, только на уроках физики четко утверждалось, что добиться практической реализации невозможно из-за сил трения в движущихся элементах. Среди современных разработок магнитных моторов представлены самоподдерживающие модели, в которых магнитный поток самостоятельно создает вращательное усилие и продолжает себя поддерживать в течении всего процесса работы. Но основным камнем преткновения является КПД любого двигателя, включая магнитный, так как он никогда не достигает 100%. Со временем мотор все равно остановится.

Поэтому все практические модели требуют повторного вмешательства через определенное время или каких-либо сторонних элементов, работающих от независимого источника питания. Наиболее вероятным вариантом бестопливных двигателей и генераторов выступает магнитная машина. В которой основной движущей силой будет магнитное взаимодействие между постоянными магнитами, электромагнитными полями или ферромагнитными материалами.

Актуальным примером реализации являются декоративные украшения, выполненные в виде постоянно двигающихся шаров, рамочек или других конструкций. Но для их работы необходимо использовать батарейки, которые питают постоянным током электромагниты. Поэтому далее рассмотрим тот принцип действия, который подает самые обнадеживающие ожидания.

Известные факты левитации?

В исторических документах есть факты о левитации человека. Например, св. Иосиф Купертино стал наглядным примером левитации. Мужчина жил в Италии с 1603 по 1663 год. Свидетели его способностей рассказывали, как он поднимался над землей на несколько дюймов, причем несколько раз поднимался в небе перед толпой. Церковь не одобряла его способности и относила их к проискам дьявола. Через время ученые доказали, что монах входил в особое религиозное состояние и парил в воздухе. В это время он находился в измененном сознании.

Левитация Святой Терезы из Авилы

Образ Святой Терезы присутствует на многих иконах. Рядом с ней всегда присутствует птица, которая стала символом сверхспособностей женщины. Она могла левитировать, находясь в состоянии глубокого религиозного транса. Вот что было в ее записях: «Я чувствовала, что подо мной есть огромная сила, она отрывает меня от земли. Словами не описать это чувство. Оно меня немного пугает, но я смирилась с этим».

Парящие монахи, факиры и медиумы

Во многих исторических документах есть описание того, как люди и различные предметы зависали в воздухе на несколько секунд. Также есть записи от очевидцев, подтверждающие левитацию человека. Вот слова одного из них: «Тело этого человека трясло от дрожи, он то радовался, то испытывал страх, то восторгался своим чувством. Он отталкивался от пола, взлетал на несколько сантиметров и медленно опускался на землю. Потом он оттолкнулся от пола и парил под самым потолком, где задержался на 30 секунд. Он говорил, что делает это по своему желанию, а руководят его полетом духи».

Монах Юма

Еще известна запись о спирите Юме из Шотландии, который парил в воздухе в 1852 году. Факт о нем говорит, как он прямо выплыл из окна дома и пролетел к дому напротив, залетев в его окно. Однако максимальное количество упоминаний присутствует в Тибете и Индии. Например, ученые по восточному миру в своих работах указывали много фактов о летающих ламах. Например, ученый из Британии Дэвид Ниль зафиксировал и описал полет буддийского монаха. Вот его слова «До того, как воспарить над землей, монах несколько раз подряд подпрыгнул, фиксируя свой взгляд на какой-то звезде. И он был единственным, кто мог видеть звезды днем».

На сегодня левитацию научно не подтвердили, однако реальные факты парения в воздухе человека были много раз зафиксированы очевидцами. На Востоке считают, что человек способен развить любые сверхспособности, так как с рождения уже имеет многие из них.

Поднимать

Сверхпроводник, левитирующий постоянный магнит

Магнитные материалы и системы способны притягивать или раздавливать друг друга или вместе с силой, зависящей от магнитного поля и площади магнитов. Например, простейшим примером подъемной силы может быть простой дипольный магнит, расположенный в магнитных полях другого дипольного магнита, ориентированный одинаковыми полюсами, обращенными друг к другу, так что сила между магнитами отталкивает два магнита.

Практически все типы магнитов использовались для создания подъемной силы при магнитной левитации; постоянные магниты, электромагниты, ферромагнетизм, диамагнетизм, сверхпроводящие магниты и магнетизм, вызванный индуцированными токами в проводниках.

Чтобы рассчитать величину подъемной силы, можно определить магнитное давление .

Например, магнитное давление магнитного поля на сверхпроводник можно рассчитать следующим образом:

пmagзнак равноB22μ{\ displaystyle P _ {\ text {mag}} = {\ frac {B ^ {2}} {2 \ mu _ {0}}}}

где — сила на единицу площади в паскалях , — магнитное поле над сверхпроводником в теслах , а = 4π × 10 −7 Н · А −2 — проницаемость вакуума.
пmag{\ displaystyle P _ {\ text {mag}}}B{\ displaystyle B}μ{\ displaystyle \ mu _ {0}}

Диамагнетики: примеры магнитной левитации