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

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

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

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

изучить магнитные свойства веществ;

исследовать возможность магнитной левитации и

выявить потенциальные области применения магнитной левитации

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

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

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

Самые мощные магниты, которые удалось создать человеку, это – электромагниты . Каждый провод, по которому течёт электрический ток, создаёт вокруг себя магнитное поле. Магнитное поле можно усилить, если свернуть провод в виде винтовой спирали. Полученную катушку с током называют соленоидом . При увеличении витков в катушке магнитное поле также возрастает в силе. Ещё большего усиления магнитного поля можно достичь, если вставить в соленоид железный стержень (сердечник ). Соленоид с железным сердечником внутри называется электромагнитом . ( слайд 8 )

Первым создателем электромагнита был Вильям Стерджен . 4 мая 1825 года он продемонстрировал первый в мире электромагнит грузоподъёмностью 36Н . В 1830 году работу над электромагнитами продолжил ученик Стерджена Джоуль, который сумел создать электромагнит, способный поднять 5500Н . уже через год американский ученый Дж. Генри обогнал его, построив электромагнит, поднимавший 10000Н . А в 1840 году Джоуль создал магнит собственной конструкции, который удерживал на весу 12000Н . Современные электромагниты поднимают грузы в несколько десятков тонн ! Электромагниты нашли широкое применение в сельском хозяйстве для очистки зерна и на заводах для подъёма тяжестей. ( слайд 9 )

Итак, можно ли заставить магнит левитировать? Ведь если магниты поднести друг к другу одноименными полюсами, отталкиваясь, они тут же стремятся повернуться друг к другу разноимёнными полюсами, вследствие чего тут же притягиваются! Теорема Ирншоу доказывает, что используя только ферромагнетики, невозможно устойчиво удерживать объект в гравитационном поле. Несмотря на это, с помощью сервомеханизмов, диамагнетиков, сверхпроводников и систем с вихревыми токами левитация возможна ! ( слайд 10 )

В некоторых случаях подъёмная сила обеспечивается магнитной левитацией, но при этом есть механическая поддержка, дающая устойчивость. В этих случаях явление называется псевдолевитация . Безопорная устойчивая магнитная левитация возможна благодаря магнитным ямам , возникающим в магнитном поле, которые можно выстраивать с помощью нескольких магнитов. ( слайд 11 )

Следующий фактор устойчивой магнитной левитации это – гироскопический эффект – устойчивость оси вращения объекта в пространстве (многим знакомый с детства эффект «волчка» - юлы). Для большей наглядности можно посмотреть трёхминутный видеосюжет Игоря Белецкого «Магнитная левитация». ( слайд 12 )

Итак, магнитная левитация возможна! Где и как можно использовать это магнитное свойство? Первое : поезд на магнитной подущке– магнитоплан или маглев. Второе : магнитные подшипники. Третье : показ продукции ( слайд 13 )

Немного подробнее о магнитоплане. Маглев – это поезд, удерживаемый над полотном дороги, движимый и управляемый силой электромагнитного поля. ( слайд 14 )

Основные достоинства маглева. 1) самая высокая скорость из всех видов общественного наземного транспорта (до 603 км/ч); 2) низкое потребление электроэнергии (энергия у маглева расходуется в три раза эффективнее, чем у автомобиля и в 5 раз – чем у самолёта); 3) снижение эксплуатационных затрат в связи со значительным уменьшением трения деталей; 4) огромные перспективы по достижению скоростей, многократно превышающих скорости, используемые в реактивной авиации (при уменьшении аэрдинамического сопротивления путём помещения состава в вакуумный тоннель); 5) в связи с этим прорабатываются проекты по использованию магнитных ускорителей в качестве средства вывода полезной нагрузки в космос; 6) низкий шум; 7) КПД данного поезда выше в сравнении с КПД современных поездов. ( слайд 15 )

Разумеется, у маглевов есть и свои недостатки, но их гораздо меньше, чем достоинств: 1) высокая стоимость создания и обслуживания колеи; 2) в отличие от рельсовых путей для скоростных поездов, которые остаются доступными и для обычных пассажирских и пригородных поездов, путь маглева ни для ечго другого не пригоден. ( слайд 16 )

Тем не менее, маглевы постепенно завоевывают пути сообщения. Так в 1984 году в Германии (Эмсланд) был построен первый испытательный трек общей длиной 31,5 км. В настоящее время дорога используется для проведения испытаний и в качестве аттракциона для туристов. Через пять лет в Германии (Берлин) была открыта дорога для движения пассажиров. Проезд был бесплатный, вагоны управлялись автоматически без машиниста, дорога работала только по выходным дням. В это же время (с 1984 по 1995 ) в Великобритании нескоростной магле-челнок ходил от Бирменгемского аэропорта до ближайшей железнодорожной станции. В СССР в 1987 году было начато строительство первой магнитной железной дороги в Армении. Однако спитакское землетрясение и военные события стали причиной замораживания объекта. В Китае Шанхайская маглев-трасса открыта в 2002 году. Её протяженность сотавляет 30 км. 16 апреля 2015 года маглев Японской компании установил новый рекорд скорости, разогнавшись до 590 км/ч. В настоящее время в Южной Корее строится дорога, относящаяся к типу городского маглева. ( слайд 17 )

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

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

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

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

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

Основание

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

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

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

Плавающая деталь

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

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

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

Шаг 2: ПИД-регулятор (PID)

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

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

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

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

В данном проекте:

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

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

Шаг 3: Комплектующие

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

Шаг 4: Инструменты

Вот список инструментов, наиболее часто используемых:

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

Шаг 5: LM324 Op-amp, L298N драйвер и SS495a

LM324 Op-amp

Операционные усилители (op-amp) являются одними из наиболее важных, широко используемых и универсальных схем, используемых сегодня.

Мы используем операционный усилитель для усиления сигнала от датчика Холла, цель которого - увеличить чувствительность, чтобы ардуино легко распознало изменение магнитного поля. Изменение нескольких мВ на выходе датчика холла, после прохождения усилителя может измениться на несколько сотен единиц в Arduino. Это необходимо для обеспечения плавного и стабильного функционирования ПИД-регулятора.

Обычным операционным усилителем, который мы выбрали, является LM324, это дешево, и вы можете купить его в любом магазине электроники. LM324 имеет 4 внутренних усилителя, которые позволяют гибко его использовать, однако в этом проекте нужны только два усилителя: один для оси X, а другой для оси Y.

Модуль L298N

Двойной H-мост L298N обычно используется для управления скоростью и направлением двух двигателей постоянного тока или с легкостью управляет одним биполярным шаговым двигателем. L298N может использоваться с двигателями с напряжением от 5 до 35 В постоянного тока.

Существует также встроенный регулятор 5V, поэтому, если напряжение питания до 12 В, вы также можете подключить источник питания 5 В от платы.

В этом проекте использован L298N для управления двумя парами катушек электромагнита и использован выход 5 В для питания Arduino и датчика холла.

Распиновка модулей:

• Out 2: пара электромагнитов X
• Out 3: пара электромагнитов Y
• Входное питание: вход постоянного тока 12 В
• GND: Земля
• Выход 5v: 5v для датчиков Arduino и холла
• EnA: Включает сигнал PWM для выхода 2
• In1: Включить для выхода 2
• In2: Enable for Out 2
• In3: Включить для выхода 3
• In4: Включить для выхода 3
• EnB: Включает PWM-сигнал для Out3

Подключение к Arduino: нам нужно удалить 2 перемычки в контактах EnA и EnB, затем подключить 6 контактов In1, In2, In3, In4, EnA, EnB к Arduino.

SS495a Датчик Холла

SS495a - это линейный датчик Холла с аналоговым выходом. Обратите внимание на разницу между аналоговым выходом и цифровым выходом, вы не можете использовать датчик с цифровым выходом в этом проекте, он имеет только два состояния 1 или 0, поэтому вы не можете измерить выход магнитных полей.

Аналоговый датчик приведет к диапазону напряжений от 250 до Vcc, который вы можете прочитать с помощью аналогового входа Arduino. Для измерения магнитного поля в обеих осях X и Y требуются два датчика холла.

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

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

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

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

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

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

Шаг 7: Готовим основание

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

Шаг 8: 3D-печать плавающей части

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

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

Шаг 9: Подготовка SS495a модуля датчика Холла

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

Шаг 10: Цепь Op-amp

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

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

Шаг 11: Сборка электромагнитов

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

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

Шаг 12: Сенсорный модуль и магниты

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

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

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

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

Шаг 14: L298N и Arduino

Подключите модуль L298N к Arduino, следуя приведенной выше схеме:

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

Шаг 15: Arduino Pro Mini программер

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

Как известно, у Земли, в силу сложившегося миропорядка, существует определенное а мечтой человека всегда было преодоление его любыми способами. Левитация магнитная - термин скорее фантастический, чем относящийся к повседневной реальности.

Изначально под ним подразумевалась гипотетическая способность неведомым образом преодолевать земное притяжение и перемещать людей или предметы по воздуху без вспомогательного оборудования. Однако сейчас понятие «магнитная левитация» является уже вполне научным.

Разрабатывается сразу несколько инновационных идей, в основе которых лежит данное явление. И все они в перспективе обещают великолепные возможности для разностороннего применения. Правда, осуществляться левитация магнитная будет не магическими приемами, а с использованием вполне конкретных достижений физики, а именно раздела, изучающего магнитные поля и все, что с ними связано.

Совсем немного теории

Среди людей, далеких от науки, бытует мнение, что магнитная левитация представляет собой направляемый полет магнита. На деле под этим термином подразумевается преодоление предметом гравитации при помощи магнитного поля. Одной из его характеристик является магнитное давление, оно-то и используется для «борьбы» с земным притяжением.

Проще говоря, когда гравитация притягивает объект вниз, магнитное давление направляется таким образом, чтобы оно отталкивало его в обратном направлении - вверх. Так возникает левитация магнита. Затруднение реализации теории в том, что статическое поле нестабильно и не фокусируется в заданной точке, так что эффективно противостоять притяжению может не вполне. Поэтому требуются вспомогательные элементы, которые придадут магнитному полю динамическую устойчивость, чтоб левитация магнита была явлением регулярным. В качестве стабилизаторов для него используются разные приемы. Чаще всего - электроток через сверхпроводники, но есть и другие наработки в данной области.

Техническая левитация

Собственно, магнитная разновидность относится к более обширному термину преодоления гравитационного притяжения. Итак, техническая левитация: обзор методов (очень краткий).

С магнитной технологией мы вроде бы немного разобрались, но существуют еще электрический метод. В отличие от первого, второй может быть использован для манипуляций с изделиями из разнообразных материалов (в первом случае - только намагниченных), даже диэлектриков. Разделяется также электростатическая и электродинамическая левитация.

Возможность частиц под воздействием света осуществлять движение была предугадана еще Кеплером. А существование доказано Лебедевым. Движение частицы в направлении источника света (оптическая левитация) именуется положительным фотофорезом, а в обратном направлении - отрицательным.

Левитация аэродинамическая, отличаясь от оптической довольно широко применима в технологиях дня нынешнего. Кстати, «подушка» - один из ее разновидностей. Простейшая воздушная подушка получается очень легко - в подложке-носителе сверлятся множество отверстий и через них продувается сжатый воздух. При этом воздушная подъемная сила уравновешивает массу предмета, и тот парит в воздухе.

Последний известный науке на данный момент способ - левитация с использованием акустических волн.

Какие есть примеры магнитной левитации?

Фантасты мечтали о портативных аппаратах размером с рюкзак, которые могли бы «левитировать» человека в нужном ему направлении со значительной скоростью. Наука пока пошла по другому пути, более практичному и осуществимому - был создан поезд, перемещающийся с помощью магнитной левитации.

История суперпоездов

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

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

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

Японский вариант

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

Дальнейшие перспективы использования

С одной стороны, маглевы привлекательны своими возможностями быстрого перемещения: по расчетам теоретиков, их можно будет в ближайшем будущем разогнать вплоть до 1 000 километров в час. Ведь их приводит в действие левитация магнитная, а тормозит только сопротивление воздуха. Поэтому придание максимально аэродинамических абрисов составу сильно снижает и его воздействие. К тому же, из-за того, что рельсов они не касаются, износ у таких поездов крайне медленный, что экономически весьма выгодно.

Еще один плюс - снижение шумового эффекта: маглевы передвигаются почти бесшумно по сравнению с обычными поездами. Бонусом также идет использование в них электроэнергии, что позволяет снизить вредное воздействие на природу и атмосферу. Кроме того, способен преодолевать более крутые склоны, а это исключает необходимость прокладки железнодорожного полотна в обход холмов и спусков.

Применение в энергетике

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

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

Летательные аппараты

В проблеме, как осуществить магнитную левитацию, напрашивается резонный вопрос: когда же, наконец, будет изготовлен и представлен прогрессивному человечеству полноценный летательный аппарат, в котором будет использована левитация магнитная? Ведь косвенные свидетельства, что подобные «НЛО» существовали, имеются. Взять, к примеру, индийские «виманы» древнейшей эпохи или уже более близкие к нам во временном соотношении гитлеровские «дисколеты», использующие, в том числе и электромагнитные способы организации подъемной силы. Сохранились примерные чертежи и даже фото действующих моделей. Вопрос остается открытым: как воплотить все эти идеи в жизнь? Но дальше не слишком жизнеспособных опытных образцов у современных изобретателей дело пока не идет. А может, это еще слишком секретная информация?

Сегодня для вас очередной эксперимент, который, надеемся, заставит вас задуматься. Это динамическая левитация в магнитном поле. В этом случае один кольцевой магнит располагается над таким-же, но большим по размеру. Продаются магниты дешевле в этом китайском магазине .

Это типичный левитрон, который уже был ранее показан (материал ). Большой магнит и маленький. Они направлены друг к другу одноименными полюсами, соответственно отталкиваются, за счет этого и происходит левитация. Присутствует, естественно, магнитная впадина, или потенциальная яма, в которую верхний магнитик садится. Другой момент, это то, что он вращается за счет гироскопического момента, он какое-то время не переворачивается, пока у него скорость не снизится.

В чем замысел эксперимента?

Если мы вращаем волчок только для того, чтобы он не перевернулся, возникает вопрос. А зачем? Если можно взять какую-то спицу, например, деревянную. К ней жестко прикрепить верхний магнитик, а снизу повесить грузчик расположить эту конструкцию над вторым. Таким образом он тоже по идее должен висеть, а нижний грузик не будет давать ему переворачиваться.

Нужно будет очень точно выставить баланс массы этого волчка. Получилось бы магнитная левитация без затрат энергии.

Как это устроено?

Вот кольцевой магнит, в него жестко вставлена деревянная спица. Далее пластинка из пластика с отверстием для стабилизации спицы. И на конце – грузик. Кусочек пластилина для более удобной регулировки подбора массы. Можно откусывать по чуть-чуть и подобрать такую массу всей этой конструкции, чтобы маленький кольцевой магнитик попадал четко в зону левитации.

Давайте его аккуратно поместим внутрь нижнего магнита, он как бы зависает. Кусочком оргстекла можно попытаться стабилизировать его положение. Но вот стабилизации по горизонтали это ему почему-то не придает.

Если убрать пластинку и вернуть все обратно, то магнитик вместе с осью, на которой он покоится, будет сваливаться вбок. Когда он вращается, он почему-то в магнитной яме стабилизируется. Хотя, обратите внимание, при этом вращении он двигается со стороны в сторону, наверное, миллиметров на пять. Точно также он колеблется и в вертикальном положении сверху вниз. Создается такое впечатление, что это магнитная яма имеет определенный люфт. Стоит верхнему магниту попасть в яму, оне его захватывает и удерживает. Остается лишь гироскопическим моментом добиться того, чтобы этот магнит не переворачивался.

В чем была суть эксперимента?

Проверить, если мы сделаем показанную конструкцию с осью, она фактически она выполняет тоже самое, не давая магниту перевернуться. Она выводит его в зону потенциальной ямы, мы подбираем вес этой конструкции. Магнитик находится в яме, но, попадая в нее, почему-то не стабилизируется по горизонтали. Все равно это конструкция сваливается в сторону.

Проведя этот эксперимент, возникает главный вопрос: почему же такая несправедливость, когда этот магнит как волчок вращается, он зависает в потенциальной яме, все отлично стабилизируется и захватывается; а когда создаются те же условия, все тоже самое, то есть масса и высота, яма как будто пропадает. Он просто выталкивается.

Почему нет стабилизации верхнего магнита?

Предположительно, это происходит потому, что невозможно сделать магниты идеальными. Как по форме, так и по намагниченности. Поле имеет какие-то изьяны, перекосы и поэтому в нем не могут два наших магнита найти равновесное состояние. Они обязательно будут соскальзывать, поскольку между ними нет трения. А при вращении левитрона поля как бы сглаживаются, верхняя часть конструкции не успевает при вращении сойти в сторону.

Это понятно, но что мотивировало автора видео сделать этот эксперимент, это наличие потенциальной ямы. Была надежда, что у этой ямы есть какой-то запас прочности для удержания конструкции. Но, увы, этого почему-то не произошло. Хотелось бы почитать ваше мнение об этой загадке.

Есть еще материал на эту тему.

/ 13
ХудшийЛучший

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

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

Но устройства на магнитной подвеске чрезвычайно дороги. Один из путей к увеличению их эффективности - использование сверхпроводников, которые при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, полностью теряют электрическое сопротивление. Явление сверхпроводимости открыл в 1911 г. Хейке Камерлинг-Оннес . Суть его состояла в том, что некоторые вещества при охлаждении до температуры ниже 20 К (20° выше абсолютного нуля) теряют всякое электрическое сопротивление. Как правило, при охлаждении металла его электрическое сопротивление постепенно уменьшается. (Дело в том, что направленному движению электронов в проводнике мешают случайные колебания атомов набор монет города воинской славы . При уменьшении температуры размах случайных колебаний уменьшается, и электричество испытывает меньшее сопротивление.) Но Камерлинг-Оннес, к собственному изумлению, обнаружил, что сопротивление некоторых материалов при определенной критической температуре резко падает до нуля.

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

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

Но однажды физикам, возможно, удастся создать вещество, которое сохранит сверхпроводящие свойства даже при нагреве до комнатной температуры. Сверхпроводимость при комнатной температуре - «святой Грааль» физиков-твердотельщиков. Получение таких веществ, по всей вероятности, послужит началом второй промышленной революции. Мощные магнитные поля, способные удерживать на весу машины и поезда, станут настолько дешевыми, что даже «планирующие автомобили», возможно, окажутся экономически выгодными. Очень может быть, что с изобретением сверхпроводников, сохраняющих свои свойства при комнатной температуре, фантастические летающие машины, которые мы видим в фильмах «Назад в будущее», «Особое мнение» и «Звездные войны», станут реальностью.

В принципе вполне представимо, что человек сможет надевать специальный пояс из сверхпроводящих магнитов, который позволит ему свободно левитировать над землей. С таким поясом можно было бы летать по воздуху, подобно Супермену. Вообще, сверхпроводимость при комнатной температуре явление настолько замечательное, что изобретение и использование таких сверхпроводников описано во множестве научно-фантастических романов.

Десятки лет физики безуспешно искали вещества, которые обладали бы сверхпроводимостью при комнатной температуре. Это был утомительный скучный процесс - искали методом проб и ошибок, испытывая один материал за другим. Но в 1986 г. был открыт новый класс веществ, получивших название «высокотемпературные сверхпроводники»; эти вещества обретали сверхпроводимость при температурах порядка 90° выше абсолютного нуля, или 90 К. Это открытие стало настоящей сенсацией в мире физики. Казалось, распахнулись ворота шлюза. Месяц за месяцем физики соревновались друг с другом, стремясь установить новый мировой рекорд сверхпроводимости. Какое-то время даже казалось, что сверхпроводимость при комнатной температуре вот-вот сойдет со страниц научно-фантастических романов и станет реальностью. Но после нескольких лет бурного развития исследования в области высокотемпературных сверхпроводников начали замедляться.

В настоящее время мировой рекорд для высокотемпературных сверхпроводников принадлежит веществу, представляющему собой сложный оксид меди, кальция, бария, таллия и ртути, которое становится сверхпроводящим при 138 К (-135 °С). Эта относительно высокая температура все еще очень далека от комнатной. Но и это - важный рубеж. Азот становится жидким при температуре 77 К, а жидкий азот стоит примерно столько же, сколько обычное молоко. Поэтому для охлаждения высокотемпературных сверхпроводников можно использовать обычный жидкий азот, это недорого. (Разумеется, сверхпроводники, остающиеся таковыми и при комнатной температуре, совсем не потребуют охлаждения.)

Неприятно другое. В настоящее время не существует теории, которая объясняла бы свойства высокотемпературных сверхпроводников. Более того, предприимчивого физика, который сумеет объяснить, как они работают, ждет Нобелевская премия. (В известных высокотемпературных сверхпроводниках атомы организованы в четко выраженные слои. Многие физики предполагают, что именно слоистость керамического материала дает возможность электронам свободно передвигаться внутри каждого слоя, создавая таким образом сверхпроводимость. Но как именно и почему это происходит - по-прежнему загадка.)

Недостаток знаний вынуждает физиков искать новые высокотемпературные сверхпроводники по старинке, методом проб и ошибок. Это означает, что пресловутая сверхпроводимость при комнатной температуре может быть открыта когда угодно - завтра, через год, или вообще никогда. Никто не знает, когда будет найдено вещество с такими свойствами и будет ли оно найдено вообще.

Но если сверхпроводники при комнатной температуре будут открыты, их открытие, скорее всего, породит громадную волну новых изобретений и коммерческих приложений. Обычными, возможно, станут магнитные поля, в миллион раз более сильные, чем магнитное поле Земли (которое составляет 0,5 Гс).

Одно из свойств, присущих всем сверхпроводникам, носит название эффекта Мейснера . Если поместить магнит над сверхпроводником, магнит зависнет в воздухе, как будто поддерживаемый некой невидимой силой. (Причина эффекта Мейснера заключается в том, что магнит обладает свойством создавать внутри сверхпроводника собственное «зеркальное отражение», так что настоящий магнит и его отражение начинают отталкиваться друг от друга. Еще одно наглядное объяснение этого эффекта - в том, что сверхпроводник непроницаем для магнитного поля. Он как бы выталкивает магнитное поле. Поэтому, если поместить магнит над сверхпроводником, силовые линии магнита при контакте со сверхпроводником исказятся. Эти силовые линии и будут выталкивать магнит вверх, заставляя его левитировать.)

Если человечество получит возможность использовать эффект Мейснера, то можно вообразить шоссе будущего с покрытием из такой специальной керамики. Тогда при помощи магнитов, размещенных у нас на поясе или на днище автомобиля, мы сможем волшебным образом парить над дорогой и нестись к месту назначения без всякого трения или потерь энергии.

Эффект Мейснера работает только с магнитными материалами, такими как металлы. Но можно использовать сверхпроводниковые магниты и для левитирования немагнитных материалов, известных как парамагнетики или диамагнетики. Эти вещества сами по себе не обладают магнитными свойствами; они обретают их только в присутствии и под воздействием внешнего магнитного поля. Парамагнетики притягиваются внешним магнитом, диамагнетики отталкиваются.

Вода, к примеру, диамагнетик. Поскольку все живые существа состоят из воды, они тоже могут левитировать в присутствии мощного магнитного поля. В поле с магнитной индукцией около 15 Т (в 30 000 раз более мощном, чем магнитное поле Земли) ученым уже удалось заставить левитировать небольших животных, таких как лягушки. Но если сверхпроводимость при комнатной температуре станет реальностью, можно будет поднимать в воздух и крупные немагнитные объекты, пользуясь их диамагнитными свойствами.

В заключение отметим, что силовые поля в том виде, в каком их обычно описывает фантастическая литература, не согласуются с описанием четырех фундаментальных взаимодействий в нашей Вселенной. Но можно предположить, что человеку удастся имитировать многие свойства этих выдуманных полей при помощи многослойных щитов, включающих в себя плазменные окна, лазерные завесы, углеродные нанотрубки и вещества с переменной прозрачностью. Но реально такой щит может быть разработан лишь через несколько десятилетий, а то и через столетие. И в случае, если сверхпроводимость при комнатной температуре будет обнаружена, у человечества появится возможность использовать мощные магнитные поля; возможно, с их помощью удастся поднять в воздух автомобили и поезда, как мы видим в фантастических фильмах.