X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование явления магнитной левитации и ее применения
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Магнитная левитация – одно из самых эффектных явлений, которое сейчас начинает входить в нашу повседневную жизнь. Причем используется она как для крупномасштабных значимых проектов – например, Маглев-поезд, удерживаемый над полотном дороги, движимый и управляемый силой электромагнитного поля ‒ так и для обычных сувениров. Магнитная левитация уже сейчас помогает реализовать по-настоящему фантастические проекты.
Объект исследования: магнитные поля, создаваемые как постоянными магнитами, так и электромагнитами.
Предмет исследования: явление магнитной левитации.
Цель проекта:
Исследование явления магнитной левитации и области ее применения.
Задачи проекта:
Изучить и проанализировать литературу о явлении магнитной левитации.
Классифицировать виды левитации.
Объяснить явление левитации с точки зрения физических законов.
Воспроизвести явление левитации.
Установить потенциальные возможности применения левитации.
Создать презентацию и выступить на конференции.
Гипотеза: предположим, что найденные способы магнитной левитации могут в большей степени использоваться в повседневной жизни и в современных устройствах.
Методы исследования:
1) метод лингвистического описания, представленный такими приёмами, как сбор, обработка и интерпретация материала;
2) анализ изученных материалов;
3) эксперимент и наблюдение;
4) сравнение полученных данных;
5) обобщение.
Актуальность
Магнитная левитация – еще недостаточно изученное явление. Но уже сейчас открываются многообразные перспективы ее применения. Уменьшение силы трения, появление новых механизмов и даже преодоление земной гравитации – не это ли будущее?
Основная часть
Теоретическая часть
Виды магнитной левитации
Для начала давайте узнаем, что скрывается под термином Левитация. Итак, Левитация – это преодоление гравитации, в результате чего объект имеет статическое положение в пространстве, не имея опоры на твердую или жидкую поверхность.
Магнитная левитация - это технология, за счет которой происходит подъем объекта магнитным полем, когда для компенсации гравитационного воздействия применяется магнитное воздействие на объект.
В некоторых случаях подъёмная сила обеспечивается магнитной левитацией, но при этом есть механическая поддержка, дающая устойчивость. В этих случаях явление называется псевдолевитация. Однако она так же, если не еще более активно, применяется.
Магнитная левитация используется в маглевах, магнитных подшипниках, маховиках, центрифугах для уменьшения или полного устранения сил трения. Помимо этого последнее время ее используют при презентации продукции для большей эффектности.
На сегодняшний день существуют пять вариантов реализации магнитной левитации, а именно:
1. Электромагнитная левитация с отслеживающей системой (электродинамическая левитация).
2. Диамагнитная левитация.
3. Левитация магнита над сверхпроводником.
4. Левитация под воздействием вихревых токов.
5. Левитация с помощью постоянных магнитов.
Электромагнитная левитация с отслеживающей системой
Такой вариант электромагнитной левитации широко используется в сувенирной продукции. Так, например, довольно необычно выглядит глобус, который парит в подставке. А реализован такой вариант левитации следующим образом:
В подставке закрепляется электромагнит, который соединен в общую цепь с фотореле. При этом пока фотоэлемент не закрыт от источника света, электромагнит работает и тем самым притягивает к себе глобус, как только фотоэлемент закрывается от источника света, электромагнит перестает работать и глобус начинает падать.
Опустившись чуть ниже вновь открывается фотоэлемент, который включает электромагнит и глобус вновь подтягивается. Получается предмет не стоит на месте, а постоянно падает и опускается, но за счет того, что это происходит очень быстро, для человеческого глаза, кажется, что предмет просто подвешен в воздухе.
Диамагнитная левитация
В природе существуют такие вещества как диамагнетики, оные намагничиваются против воздействующего на них электромагнитного поля. И при определенных условиях диамагнетик, например, кусочек графита, полностью вытесняет магнитное поле на внешние слои и буквально парит над неодимовыми магнитами, расположенными под ним.
При этом, чтобы стабилизировать положение графита магниты необходимо расположить в шахматном порядке. В таком случае стержень окажется в своеобразной ловушке из полей и будет левитировать.
Если взять небольшой неодимовый магнит с индукцией от 11 Тл, то его можно заставить левитировать буквально в ваших руках. Так как вода так же является диамагнетиком.
Достаточно освещен эксперимент с "летающей" лягушкой. Когда маленькое земноводное располагалось над магнитом с индукцией больше 16 Тл и буквально зависало над поверхностью на незначительном расстоянии от магнита.
Сверхпроводник и левитация магнита – эффект Мейснера
Еще одной разновидностью магнитной левитации является так называемый эффект Мейснера. Суть данного эффекта заключена в следующем:
Берется пластина из иттрия-бария-меди и охлаждается с помощью жидкого азота. При такой сверхнизкой температуре металл становится сверхпроводником. И теперь если положить сверху магнит с индукцией от 1мТл, то он будет левитировать. При этом, чем выше будет индукция, тем на большую высоту поднимется магнит. Фишка этого эффекта заключена в том, что у сверхпроводника есть такое интересное свойство как выталкивание магнитного поля из сверхпроводящей фазы. И магнит, отталкиваясь от образованного магнитного поля обратной направленности, зависает в воздухе. И этот процесс будет продолжаться ровно до того момента пока охлажденный металл не покинет фазу сверхпроводящего состояния.
Левитация и вихревые токи
Вихревые токи или токи Фуко, которые наводятся в достаточно больших проводниках, переменным магнитным полем, так же вполне могут удерживать предметы в левитирующем состоянии.
Допустим, если взять катушку и разместить под ней замкнутый контур из алюминия, то, пропуская переменный ток через катушку, мы увидим, как она будет парить над диском. В этом варианте левитации используется закон Ленца. Согласно ему, создаваемый в катушке либо кольце ток создает такое магнитное поле, направление которого будет противодействовать силе, создавшей его. То есть в каждый момент времени в катушке или диске будет формироваться магнитное поле противоположного направления. Таким образом, предмет будет удерживаться в подвешенном положении, пока включен переменный ток.
Данный же эффект наблюдается, когда неодимовый магнит роняют в медную трубку. Магнитное поле, индуцируемое в медной трубке, противодействует магнитному полю магнита и тем самым замедляет его падение.
Возможное появление проблем
Устойчивость
Статическая
Статическая устойчивость значит, что любое смещение из состояния равновесия заставляет равнодействующую силу выталкивать объект обратно в состояние равновесия.
Теорема Ирншоу окончательно доказала, что невозможно левитировать объект, используя только статичные макроскопические магнитные поля. Силы, действующие на любой парамагнетик в любой комбинации с гравитационными, электростатическими, и магнитостатическими сделают положение объекта в лучшем случае неустойчивым относительно одной оси и это может дать неустойчивое равновесие относительно всех осей. Тем не менее, существует несколько возможностей сделать левитацию реальной, на примере использования электронной стабилизации или диамагнетиков (так как магнитная проницаемость меньше) может быть показано, что диамагнитные материалы устойчивы относительно как минимум одной оси и могут быть устойчивы относительно всех осей. Проводники имеют относительную проницаемость к переменным магнитным полям последнего, так что некоторые конфигурации, использующие магниты, работающие на переменном токе, устойчивы сами по себе.
Динамическая
Динамическая устойчивость проявляется в случаях, когда левитирующая система способна подавить любое возможное виброобразное движение.
Магнитные поля являются консервативными силами и поэтому в принципе не могут иметь встроенный способ подавления. Фактически, многие схемы левитации имеют недостаточное подавление. Таким образом, вибрации могут существовать и вывести объект за пределы зоны равновесия.
Подавление движения осуществляется несколькими способами:
- внешнее механическое подавление, например лобовое сопротивление
использование вихревых токов (влияние на проводник полем),
- инерционный демпфер в левитируемом объекте,
- электромагниты, управляемые посредством электроники.
Подъемные силы левитации
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 магнитного поля. Исходя из этого, можно, применив формулу, рассчитать магнитное давление Pmag.: Pmag = 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.
4. Возможности применения магнитной левитации.
a) Маглев, или магнитная левитация, — это способ транспортировки, который подвешивает, направляет и приводит в движение транспорт, в основном поезда, используя магнитную левитацию. Данный способ быстрее и тише, чем в случае использования колеса.
b) Магнитный подшипник — элемент опоры осей, валов и других деталей, работающих на принципе магнитной левитации. В результате опора является механически бесконтактной. В целом различают пассивные и активные магнитные подшипники. Но если активные магнитные подшипники уже получили определенное распространение, то пассивные подшипники (где магнитное поле создается высокоэнергетическими постоянными магнитами, например, NdFeB) только на стадии разработки.
c) Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии или для создания инерционного момента как это используется на космических аппаратах.
d) Центрифу́га — устройство, использующее центробежную силу. Представляет собой механизм, обеспечивающий вращение объекта приложения центробежной силы. Применяются для разделения газообразных, жидких или сыпучих тел разной плотности, а также в других случаях, требующих имитации повышенной силы тяжести.
e) Сувениры и обычные предметы.
Практическая часть
В ихревые потоки Фуко
Шаг 1: намотать 2 катушки разные по диаметру так, чтобы одна катушка свободно помещалась в другую. Длина проволоки должна быть одинаковой.
К онцы должны выходить вниз в одном месте. Витки должны плотно прилегать друг к другу.
Шаг 2: Закрепить катушки скотчем и изолентой. Закрепить катушки на вращающейся поверхности.
Шаг 3: Установить металлический стержень в центр вращающейся поверхности
Шаг 4: Подключить катушки параллельно к источнику переменного тока так, чтобы электрический ток шел у катушек в разных направлениях.
Шаг 5: Начать вращение, включить источник тока
Ш аг 6: Поместить сверху деталь из алюминия.
Левитрон
П омните 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 12х3 мм, марки N52; один широкий кольцевой размерами 20 (наружный диаметр) х 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. Вам будет интересно
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. 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. 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. Впоследствии 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».
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.
К сожалению, воссоздать данный вид статического равновесия не удалось, т.к. элементы данной конструкции требуют точного размещения.
Динамическое равновесие
В свою очередь установление динамического равновесия не требует высокой точности. Достаточно лишь устранить возможность переворачивания магнита.
Заключение
Магнитная левитация на основании магнитов мало где применяется и требует серьезной отладки. Гораздо большее распространение получила левитация с использованием электромагнитов или же с точкой опоры. Однако и они дают большое преимущество в выигрыше силы, так как силы трения сопротивления уменьшаются в несколько раз. Стабильная левитация предметов так же требует достаточно сложных установок и подготовительных работ, а заставить какой-либо предмет парить лишь с помощью постоянных магнитов сложно. Однако, решив проблему со стабильностью левитации, а также мобильностью устройства это явление может стать незаменимой частью нашей жизни.
Список используемой литературы и источников
1."ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО" Авт. Митио Каку
2.Магнитная левитация// Ампероф – 2019.- URL: https://amperof.ru/teoriya/magnitnaya-levitaciya.html
3.Магнитная левитация// Электросам – 2019. - URL: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/magnitnaia-levitatsiia/
4.Магнитная левитация // Мастерклуб – 2019. URL: https://masterclub.online/topic/16595-magnitnaya-levitatsiya
5.Eric Laithwaite: Magnetic River 1975// - 2019.- URL: https://www.youtube.com/watch?v=OI_HFnNTfyU&list=PLiHpOTx-jQudTV5YuN8WheYX_C2OPvW5i&t=2s
12