Магнитная левитация

Магнитную левитацию можно стабилизировать разными способами, здесь используется вращение (вращение).

Магнитная левитация ( маглев ) или магнитная подвеска - это метод, при котором объект подвешивается без поддержки, кроме магнитных полей . Магнитная сила используется для противодействия влиянию гравитационного ускорения и любых других ускорений.

Двумя основными проблемами, связанными с магнитной левитацией, являются подъемные силы : обеспечение восходящей силы, достаточной для противодействия гравитации, и стабильность : обеспечение того, чтобы система не спонтанно соскользнула или не перевернулась в конфигурацию, в которой подъемная сила нейтрализуется.

Магнитная левитация используется для поездов на магнитной подвеске , бесконтактной плавки , магнитных подшипников и для демонстрации продукции.

Лифт [ править ]

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 и ориентированный одинаковыми полюсами, обращенными друг к другу, так что сила между магнитами отталкивает два магнита. ^[1]

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:

${\ displaystyle P_ {mag} = {\ frac {B ^ {2}} {2 \ mu _ {0}}}}$

где - сила на единицу площади в паскалях , - магнитное поле непосредственно над сверхпроводником в теслах , а = 4π × 10 ⁻⁷  Н · А ⁻² - проницаемость вакуума. ^[2]${\ displaystyle P_ {mag}}$${\ displaystyle B}$${\ displaystyle \ mu _ {0}}$

Стабильность [ править ]

Теорема Ирншоу доказывает, что при использовании только парамагнитных материалов (таких как ферромагнитное железо) статическая система не может устойчиво левитировать против силы тяжести. ^[3]

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 псевдолевитацией .

Статическая стабильность [ править ]

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

Теорема Ирншоу убедительно доказала, что невозможно устойчиво левитировать, используя только статические макроскопические парамагнитные поля. Силы, действующие на любой парамагнитный объект в любых комбинациях гравитационного , электростатического и магнитостатического полей , 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 ^[4]); 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. ^[5] 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

Методы [ править ]

Для успешной левитации и управления всеми 6 осями (степени свободы; 3 поступательные и 3 вращательные) можно использовать комбинацию постоянных магнитов и электромагнитов, диамагнетиков или сверхпроводников, а также поля притяжения и отталкивания. Согласно теореме Ирншоу, по крайней мере, одна стабильная ось должна присутствовать для системы, чтобы успешно левитировать, но другие оси могут быть стабилизированы с помощью ферромагнетизма.

Основные из них, используемые в поездах на магнитной подвеске, - это сервостабилизированная электромагнитная подвеска (EMS), электродинамическая подвеска (EDS).

Механическое ограничение (псевдолевитация) [ править ]

При небольшом количестве механических ограничений для стабильности достижение псевдолевитации является относительно простым процессом.

Если два магнита механически связаны, например, вдоль одной оси и расположены так, чтобы сильно отталкивать друг друга, это приведет к левитации одного из магнитов над другим.

Другая геометрия - это когда магниты притягиваются, но не могут касаться натяжного элемента, такого как веревка или кабель.

Другой пример - центрифуга типа Zippe, в которой цилиндр подвешен под притягивающим магнитом и стабилизирован снизу игольчатым подшипником.

Другая конфигурация состоит из набора постоянных магнитов, установленных в ферромагнитном U-образном профиле и соединенных с ферромагнитным рельсом. Магнитный поток пересекает рельс в направлении, поперечном к первой оси, и создает замкнутый контур на U-образном профиле. Эта конфигурация создает устойчивое равновесие вдоль первой оси, которое поддерживает центрирование рельса в точке пересечения магнитного потока (минимальное магнитное сопротивление) и позволяет нести нагрузку магнитно. На другой оси система ограничивается и центрируется механическими средствами, такими как колеса. ^[6]

Сервомеханизмы [ править ]

Притяжение от магнита фиксированной силы уменьшается с увеличением расстояния и увеличивается с увеличением расстояния. Это нестабильно. Для стабильной системы необходимо обратное, отклонения от стабильного положения должны возвращать ее в целевое положение.

Стабильная магнитная левитация может быть достигнута путем измерения положения и скорости левитируемого объекта и использования контура обратной связи, который непрерывно регулирует один или несколько электромагнитов для коррекции движения объекта, образуя таким образом сервомеханизм .

Многие системы используют магнитное притяжение, тянущее вверх против силы тяжести для таких систем, поскольку это дает некоторую внутреннюю боковую устойчивость, но некоторые используют комбинацию магнитного притяжения и магнитного отталкивания, чтобы подтолкнуть вверх.

Обе системы представляют собой примеры электромагнитной подвески (EMS). В качестве очень простого примера, некоторые демонстрации левитации на столе используют этот принцип, и объект пересекает луч света или метод датчика Холла используется для измерения положения объекта. Электромагнит находится над левитируемым объектом; электромагнит отключается, когда объект приближается слишком близко, и снова включается, когда он падает дальше. Такая простая система не очень надежна; Существуют гораздо более эффективные системы контроля, но это иллюстрирует основную идею.

Поезда с магнитной левитацией EMS основаны на таком виде левитации: поезд оборачивается вокруг рельсов и тянется снизу вверх. В серво управляет держать его безопасно на постоянном расстоянии от трассы.

Наведенные токи [ править ]

Эти схемы работают из-за отталкивания по закону Ленца . Когда на проводник воздействует изменяющееся во времени магнитное поле, в проводнике возникают электрические токи, которые создают магнитное поле, вызывающее эффект отталкивания.

Системы такого типа обычно демонстрируют внутреннюю стабильность, хотя иногда требуется дополнительное демпфирование.

Относительное движение между проводниками и магнитами [ править ]

Если переместить основание из очень хорошего электрического проводника, такого как медь , алюминий или серебро, близко к магниту, в проводнике будет индуцироваться ( вихревой ) ток, который будет противодействовать изменениям поля и создавать противоположное поле, которое будет оттолкнуть магнит ( закон Ленца ). При достаточно высокой скорости движения подвешенный магнит будет левитировать на металле или, наоборот, на подвешенном металле. Литц-проволока, изготовленная из проволоки, толщина которой меньше толщины скин-слоя для частот, видимых металлом, работает намного эффективнее, чем сплошные проводники. Катушки с рисунком 8 можно использовать для выравнивания чего-либо. ^[7]

Особенно технологически интересный случай этого возникает, когда вместо однополюсного постоянного магнита используется массив Хальбаха, поскольку это почти вдвое увеличивает напряженность поля, что, в свою очередь, почти вдвое увеличивает силу вихревых токов. Чистый эффект - более чем утроить подъемную силу. Использование двух противоположных массивов Хальбаха еще больше увеличивает поле. ^[8]

Halbach массивы также хорошо подходит для магнитной левитации и стабилизации гироскопов и электродвигателя и генератора шпинделей.

Колеблющиеся электромагнитные поля [ править ]

Проводник может быть левитировать над электромагнитом (или наоборот) с переменным током , протекающим через него. Это заставляет любой обычный проводник вести себя как диамагнетик из-за вихревых токов, генерируемых в проводнике. ^{[9] [10]} Поскольку вихревые токи создают свои собственные поля, которые противостоят магнитному полю, проводящий объект отталкивается от электромагнита, и большая часть силовых линий магнитного поля больше не будет проходить через проводящий объект.

Для этого эффекта требуются неферромагнитные, но очень проводящие материалы, такие как алюминий или медь, поскольку ферромагнитные также сильно притягиваются к электромагниту (хотя на высоких частотах поле все еще может вытесняться) и имеют тенденцию иметь более высокое удельное сопротивление, приводящее к более низким вихревым токам. Опять же, литц-проволока дает лучшие результаты.

Эффект можно использовать для трюков, например, для левитации телефонной книги, спрятав в ней алюминиевую пластину.

На высоких частотах (несколько десятков килогерц или около того) и киловаттной мощности небольшие количества металлов могут подниматься в воздух и плавиться с использованием левитационного плавления без риска загрязнения металла тиглем. ^[11]

Одним из используемых источников колебательного магнитного поля является линейный асинхронный двигатель . Это можно использовать как для левитации, так и для обеспечения движения.

Диамагнитно стабилизированная левитация [ править ]

Теорема Ирншоу неприменима к диамагнетикам . Они ведут себя противоположным образом к нормальным магнитов из - за их относительной проницаемости от ц _г  <1 (т.е. отрицательной магнитной восприимчивости ). Диамагнитная левитация может быть стабильной по своей природе.

Постоянный магнит может быть устойчиво подвешен с помощью различных конфигураций сильных постоянных магнитов и сильных диамагнетиков. При использовании сверхпроводящих магнитов левитацию постоянного магнита можно даже стабилизировать за счет небольшого диамагнетизма воды в человеческих пальцах. ^[12]

Диамагнитная левитация [ править ]

Диамагнетизм - это свойство объекта, которое заставляет его создавать магнитное поле в противовес приложенному извне магнитному полю, что приводит к отталкиванию материала магнитными полями. Диамагнитные материалы заставляют линии магнитного потока отклоняться от материала. В частности, внешнее магнитное поле изменяет орбитальную скорость электронов вокруг их ядер, тем самым изменяя магнитный дипольный момент.

Согласно закону Ленца, это противодействует внешнему полю. Диамагнетики - это материалы с магнитной проницаемостью менее μ ₀ (относительная проницаемость менее 1). Следовательно, диамагнетизм - это форма магнетизма, которая проявляется только веществом в присутствии внешнего магнитного поля. Обычно это довольно слабый эффект для большинства материалов, хотя сверхпроводники проявляют сильный эффект.

Прямая диамагнитная левитация [ править ]

Вещество , которое является диамагнитным отталкивает магнитное поле. Все материалы обладают диамагнитными свойствами, но эффект очень слабый и обычно преодолевается парамагнитными или ферромагнитными свойствами объекта, которые действуют противоположным образом. Любой материал, в котором диамагнитная составляющая сильнее, будет отталкиваться магнитом.

Диамагнитная левитация может использоваться для левитации очень легких кусков пиролитического графита или висмута над умеренно сильным постоянным магнитом. Поскольку вода преимущественно диамагнитна, этот метод использовался для левитации капель воды и даже живых животных, таких как кузнечик, лягушка и мышь. ^[13] Однако магнитные поля, необходимые для этого, очень высокие, обычно в диапазоне 16 тесла , и поэтому создают значительные проблемы, если ферромагнитные материалы находятся поблизости. Для работы этого электромагнита, использованного в эксперименте с левитацией лягушки, требовалась мощность 4 МВт (4000000 Вт). ^{[13] : 5}

Минимальный критерий диамагнитной левитации :${\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}$

• ${\ displaystyle \ chi}$это магнитная восприимчивость
• ${\ displaystyle \ rho}$это плотность материала
• ${\ displaystyle g}$- местное ускорение свободного падения (-9,8 м / с ² на Земле)
• ${\ displaystyle \ mu _ {0}}$является проницаемость свободного пространства
• ${\ displaystyle B}$это магнитное поле
• ${\ displaystyle {\ frac {дБ} {dz}}}$ - скорость изменения магнитного поля вдоль вертикальной оси.

Предполагая идеальные условия в z -направлении соленоидного магнита:

• Вода парит в${\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} \ приблизительно 1400 \ \ mathrm {T ^ {2} / m}}$
• Графит левитирует на${\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} \ приблизительно 375 \ \ mathrm {T ^ {2} / m}.}$

Сверхпроводники [ править ]

Сверхпроводники могут считаться идеальными диамагнетиками и полностью вытесняют магнитные поля из-за эффекта Мейснера, когда сверхпроводимость первоначально формируется; таким образом, сверхпроводящую левитацию можно рассматривать как частный случай диамагнитной левитации. В сверхпроводнике II типа левитация магнита дополнительно стабилизируется из-за закрепления потока внутри сверхпроводника; это имеет тенденцию останавливать сверхпроводник от движения относительно магнитного поля, даже если левитирующая система перевернута.

Эти принципы используются EDS (электродинамической подвеской), сверхпроводящими подшипниками , маховиками и т. Д.

Для левитации поезда требуется очень сильное магнитное поле. В JR-Maglev поезда сверхпроводящих магнитных катушек, но левитации JR-Maglev не из - за эффекта Мейснера.

Вращательная стабилизация [ править ]

Магнит или правильно собранный массив магнитов с тороидальным полем можно стабильно левитировать против силы тяжести при гироскопической стабилизации, вращая его во втором тороидальном поле, созданном базовым кольцом из магнита (ов). Однако это работает только тогда, когда скорость прецессии находится между верхним и нижним критическими порогами - область стабильности довольно узка как в пространственном отношении, так и в требуемой скорости прецессии.

Первое открытие этого явления было сделано Роем М. Харриганом , изобретателем из Вермонта, который в 1983 году запатентовал устройство левитации на его основе. ^[14] Со ссылкой на этот патент было разработано несколько устройств, использующих вращательную стабилизацию (например, популярная игрушка с левитирующим верхом под маркой Levitron). Для исследовательских лабораторий университетов созданы некоммерческие устройства, в которых обычно используются магниты, слишком мощные для безопасного взаимодействия с общественностью.

Сильная фокусировка [ править ]

Теория Ирншоу строго применима только к статическим полям. Переменные магнитные поля, даже чисто переменные поля притяжения, ^[15] могут вызывать стабильность и ограничивать траекторию через магнитное поле, создавая эффект левитации.

Это используется в ускорителях частиц для удержания и подъема заряженных частиц, а также было предложено для поездов на магнитной подвеске. ^[15]

Использует [ редактировать ]

Известные применения магнитной левитации включают поезда на магнитной подвеске , бесконтактную плавку , магнитные подшипники и демонстрацию продукции. Более того, в последнее время в области микроробототехники начали использовать магнитную левитацию .

Транспорт на маглеве [ править ]

Маглев , или магнитная левитация , представляет собой транспортную систему, которая приостанавливает, направляет и приводит в движение транспортные средства, преимущественно поезда, с использованием магнитной левитации от очень большого количества магнитов для подъема и движения. Этот метод может быть быстрее, тише и плавнее, чем системы общественного транспорта на колесах . У технологии есть потенциал превысить 6400 км / ч (4000 миль / ч) при развертывании в эвакуированном туннеле. ^[16] Если он не используется в откачанной трубе, мощность, необходимая для левитации, обычно не особенно велика, и большая часть необходимой мощности используется для преодоления сопротивления воздуха , как и в случае с любым другим высокоскоростным поездом. Какой-то маглев Hyperloopпрототипы транспортных средств разрабатываются в рамках конкурса контейнеров Hyperloop в 2015–2016 годах, и, как ожидается, начальные испытания пройдут в эвакуированной трубе позднее в 2016 году ^[17].

Самая высокая зарегистрированная скорость поезда на магнитной подвеске составляет 603 км / ч (374,69 миль / ч), достигнутая в Японии 21 апреля 2015 года, что на 28,2 км / ч выше обычного рекорда скорости TGV . Поезда на маглеве существуют и планируются по всему миру. Известные проекты в Азии включают сверхпроводящий поезд на магнитной подвеске Central Japan Railway Company и поезд на магнитной подвеске в Шанхае , старейший коммерческий маглев, который до сих пор работает. В другом месте в Европе рассматривались различные проекты, и Северо-Восточный Маглев направлен на капитальный ремонт Северо- Восточного Коридора Северной Америки с использованием технологии SCMaglev от JR Central .

Магнитные подшипники [ править ]

• Магнитные подшипники
• Маховики
• Центрифуги
• Магнитное кольцевое прядение

Левитация плавится [ править ]

Электромагнитная левитация (EML), запатентованная Muck в 1923 г. ^[18], является одним из старейших методов левитации, используемых для экспериментов без контейнеров. ^[19] Техника позволяет поднимать объект с помощью электромагнитов . Типичная катушка EML имеет перевернутую обмотку верхней и нижней секций, питаемых от радиочастотного источника питания.

Микроробототехника [ править ]

В области микроробототехники были исследованы стратегии, использующие магнитную левитацию. В частности, было продемонстрировано, что с помощью такой техники может быть достигнуто управление несколькими агентами микромасштабного размера в пределах определенного рабочего пространства. ^{[20] В} нескольких исследованиях сообщается о реализации различных индивидуальных настроек для правильного получения желаемого контроля над микророботами. В лабораториях Philips в Гамбурге для выполнения магнитной левитации и трехмерной навигации одного магнитного объекта использовалась индивидуальная система клинических весов, объединяющая как постоянные магниты, так и электромагниты . ^[21]Другая исследовательская группа объединила большее количество электромагнитов, следовательно, больше магнитных степеней свободы , чтобы добиться независимого трехмерного управления несколькими объектами с помощью магнитной левитации. ^[22]

Исторические верования [ править ]

Легенды о магнитной левитации были распространены в древние и средневековые времена, и их распространение из римского мира на Ближний Восток, а затем в Индию было задокументировано классическим ученым Данстаном Лоу. ^{[23] [24]} Самый ранний известный источник - Плиний Старший (I век нашей эры), описавший архитектурные планы железной статуи, которая должна была быть подвешена на магнитном камне.из свода храма в Александрии. Многие последующие сообщения описывали левитирующие статуи, реликвии или другие предметы, имеющие символическое значение, а версии легенды появлялись в различных религиозных традициях, включая христианство, ислам, буддизм и индуизм. В некоторых случаях они интерпретировались как божественные чудеса, в то время как в других они описывались как природные явления, ошибочно считающиеся чудесными; один из примеров последнего исходит от святого Августина, который упоминает статую с магнитной подвеской в ​​своей книге «Город Бога».(ок. 410 г. н.э.). Другая общая черта этих легенд, по словам Лоу, - это объяснение исчезновения объекта, часто связанное с его разрушением неверующими в результате нечестивых действий. Хотя сейчас считается, что это явление физически невозможно, что впервые было признано Сэмюэлем Ирншоу в 1842 году, истории о магнитной левитации сохранились до наших дней, одним из ярких примеров является легенда о подвешенном памятнике в Храме Солнца Конарк в Восточной Индии. .

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. ^[25]
• 1961 Джеймс Р. Пауэлл и коллега из BNL Гордон Дэнби ​​- электродинамическая левитация с использованием сверхпроводящих магнитов и катушек "Null flux" в виде восьмерки ^[7]
• 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 ^[13]
• 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. ^[26]
• Униполярный электродинамический подшипник 2005 г. ^[27]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]