XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Магнитная левитация
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Рисунок 1
Наверняка, вы знаете такой фильм как «Назад в будущее», где главный герой парил на «ховерборде», или «парящей доске». Еще пару лет назад я не задумывался о том, каким образом удается летать этому предмету, но в этом году после прохождения по физике темы гравитационные силы, я задумался: «А почему же «ховерборд» не падает на землю вследствие притяжения к земле?». Таким образом, возникла идея изучить явление, которое заставляет парить этот предмет и найти ответ на поставленный вопрос.
Цель исследования: изучение явления, которое лежит в основе полёта «ховерборда», нахождение областей применения магнитной левитации в реальной жизни.
Задачи исследования:
Изучить литературу и Интернет-ресурсы по темам: «Магниты», «Магнитное и Электромагнитное поля», «Магнитная левитация».
Выяснить значение терминов: «магнитная левитация» и «электромагнитная левитация».
Провести опыты по проявлению магнитной левитации
Выяснить где и как применяется магнитная левитация.
Гипотеза: я предполагаю, что в основе полета «ховерборда» лежит магнитная левитация, а также считаю, что в реальной жизни это явление широко применимо.
Объект исследования: магнит, магнитное и электромагнитное поле.
Предмет исследования: явление магнитной и электромагнитной левитации и область ее применения.
Методы исследования: изучение учебной, научно-популярной и справочной литературы, проведение опытов.
Актуальность исследования: наверное, каждый человек хотя бы один раз в жизни задумывался над тем: “Почему человечество не летает на «ховербордах»?”. Поэтому я хочу выяснить, какое физическое явление лежит в основе полета воздушного скейтборда, и где это явление используется в реальной жизни.
Проблема: в реальной жизни нельзя парить над землей без специальных приспособлений, а во многих фильмах о будущем это явление повсеместно. Почему же до сих пор «мечта» режиссеров: заставить людей летать не реализована даже в условиях современной технической оснащенности.
Основная часть
Магнитная левитация
Чтобы понять какое явление лежит в основе полета «ховеборда», мы создали запрос в Интернете о преодолении гравитации и получили в ответ незнакомое нам слово «левитация».
«Левитация» происходит от английского «levitate» - парить, подниматься в воздух. То есть левитация — это преодоление объектом гравитации, когда он парит и не касается опоры, не отталкиваясь при этом от воздуха, не используя реактивную тягу. С точки зрения физики, левитация — это устойчивое положение объекта в гравитационном поле, когда сила тяжести скомпенсирована и имеет место возвращающая сила, обеспечивающая объекту устойчивость в пространстве.
В частности, магнитная левитация — это технология подъёма объекта с помощью магнитного поля, когда для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений используется магнитное действие на объект.
Условия, которые необходимо обеспечить, чтобы осуществить магнитную левитацию, могут отличаться. Существует несколько технологий, которые позволяют добиться эффекта парения:
Электромагнитная.
Диамагнитная.
Сверхпроводниковая.
Вихретоковая.
Электромагнитная левитация
Данная технология подъема объекта над поверхностью подразумевает применение в реальной жизни. Электромагнит располагается в нижней части устройства. На него укладываются легкие металлические предметы. Над электромагнитом с помощью стойки закрепляется фотоэлемент. Задача последнего заключается в подаче и прерывании питания на электрический магнит. Если фотоэлемент улавливает тень, то он включает или отключает питание, что зависит от места его расположения. Это происходит с периодичностью в доли секунды.
Принцип работы данной технологии подразумевает создание кратковременного воздействия электромагнитного поля на металлический объект. Катушка его подталкивает, после чего отключается, и предмет начинает падать вниз. Сразу же катушка снова создает электромагнитное поле поднимающее объект, и он взлетает. Цикличное воздействие необходимо для того, чтобы обеспечить возможность контроля местоположения парящего предмета. Дело в том, что постоянное электромагнитное поле смещает объект, пока он не выйдет из зоны воздействия и не упадет под влиянием силы притяжения. Если же циклично включать и отключать поле, то предмет будет просто подскакивать, фактически не удаляясь от точки нахождения.
Рисунок 2
При взгляде со стороны благодаря высокой частоте подачи и отключения электромагнитного воздействия, парящий предмет выглядит практически неподвижным. Это создает впечатление его реальной левитации. Данная технология является весьма популярной при производстве сувениров. Примером ее реализации является летающий глобус. (рис. 2) Недостаток данного способа заключается в определенной сложности запуска устройства. Необходимо закрыть фотодатчик, приподнять предмет для левитации, после чего открыть систему фотодатчика. Далее он возьмет контроль удержания предмета на себя. В том случае, если произойдут перебои с электричеством и объект упадет, то после подачи питания он уже не взлетит без вмешательства человека.
Диамагнитная левитация
Рисунок 3
Рисунок 4
Для реализации данной технологии применяются диамагнетики. Эти вещества намагничиваются против внешнего магнитного поля. Отдельные материалы могут полностью вытеснять свое магнитное поле. Примером такого вещества является графит. Довольно известным экспериментом является магнитная левитация стержня из обычного карандаша. Он зависает над неодимовыми магнитами. Для этого их необходимо расставить в шахматном порядке поворачивая разными полюсами к верху. При таких условиях стержень не будет вытолкнут за пределы площадки, поэтому останется левитировать постоянно. Неодимовые магниты имеют более стабильное поле, поэтому если созданная поверхность в шахматном порядке будет иметь достаточную площадь, касательно длины графитового стержня, то тот зависнет неподвижно.
Живые существа тоже обладают свойствами диамагнетиков, поэтому под воздействием магнитного поля с высокой индукцией также могут парить. Примером этого является научный эксперимент с летающей лягушкой. Для некрупного земноводного достаточно создать индукцию больше 16 Тл, и лягушка начинает парить в воздухе на небольшой высоте.
Сверхпроводниковая левитация
Рисунок 5
Магнитная левитация по данной технологии также известна как метод Мейснера. Эффект парения достигается путем размещения магнита над сверхпроводником. В его качестве применяется оксид иттрия-бария-меди. Данное вещество приобретает способность сверхпроводника при снижении его температуры. Для этого необходимо обеспечение его контакт с жидким азотом.
Эксперимент по левитации подразумевает помещение пластины в ванночку с жидким азотом. Оксид иттрия-бария-меди практически мгновенно охлаждается. Если над ним поместить магнит, то тот начнет левитировать. Высота между магнитом и сверхпроводником напрямую зависят от силы индукции. Чем она выше, тем на большем расстоянии окажется магнит. Предмет как бы всплывает над сверхпроводником и весьма устойчиво парит до момента, пока пластина не остынет, потеряв свои свойства.
Вихретоковая магнитная левитация
Рисунок 6
Еще одним способом создания магнитной левитации является использование вихревых токов и массивных проводников. Катушка, выдающая вихревой ток может левитировать над замкнутым кольцом из цветного металла. Аналогичная ситуация наблюдается и с дисками из данного металла, уложенными над большими катушками.
Это обусловлено тем, что по закону Ленца индексируемый в данном случае цветной металл будет создавать магнитное поле противоположное от того, что на него воздействует. Иными словами, в каждый период колебания переменного тока в катушке будет создаваться противоположное по направлению магнитное поле. Поскольку они отталкивают друг друга, то более легкий предмет будет левитировать над тяжелым.
Рисунок 7
Еще одним примером вихревой левитации является пропускание неодимового магнита через толстостенную медную трубу. В этом случае постоянное парение не происходит, но магнит замедляется. Его падение сквозь трубу напоминает замедленную съемку или погружение в густую жидкость.
2. Применение магнитной левитации
Использование магнитной левитации при конструкции поездов
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 TrackedHovercraft, который должен был стать самым скоростным поездом, 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.
Рисунок 8
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.
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 магнитная левитация. Этой же стране принадлежат и скоростные рекорды, поставленные данными поездами. Последний из них показал скоростной режим более 550 км/ч
Использование магнитной левитации в энергетике
Рисунок 9
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. Магнитные подшипники 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
Рисунок 10
Использование магнитной левитации в современном искусстве
Магнитную левитацию применяют для эффектности при проведении выставок. Экспонаты попросту парят над тумбами, что придает зрелищности
Практическая часть
3.1 Опыт «Простейший электропоезд»
Приборы и материалы:
Батарейка типа АА;
Медная проволока диаметром 1.2 мм;
Неодимовые магниты;
Маркер;
Подготовка
Рисунок 11
Рисунок 12
Для того, чтобы найти медную проволоку, мне пришлось купить одножильный провод длиной 40 м. Конечно же этот провод был с изоляцией. И я 3 часа сидел, очищал медный провод. Теперь у меня есть 40 м проволоки. Дальше у меня возникла проблема с неодимовыми магнитами. В моём городе их просто нет. Целый день ходил, искал по всем электрическим и бытовым магазинам. Так их и не нашёл. В отчаянии зашёл я в интернет-магазин и там купил магниты. Теперь у меня всё есть для проведения опыта.
Рисунок 13
Итак, теперь берем провод и наматываем в спираль с помощью маркера, причем диаметр наматываемой катушки должен быть несколько больше используемых магнитов. У вас должно получиться нечто подобное (рис. 13).
После этого берем нашу батарейку и на каждый из концов крепим по магниту следующим образом:
Рисунок 14
Теперь просто вставляем получившийся «локомотив» в спираль и смотрим, как состав из одного вагона стремительно проходит по спирали.
А почему батарейка вообще движется в спирали?
Рисунок 15
Скрутив медный провод в спираль, я создал простейшую катушку. И если пропустить через нее ток, внутри нее возникнет магнитное поле. Причем оно будет сконцентрировано, внутри созданного соленоида, а на внешней стороне поле будет, крайне слабо.
Если поместить в такую катушку стержень, то наведенное ЭДС и магнитное поле приведут данный стержень в движение.
Но как перемещается батарейка с магнитами, ведь наша катушка не подключена к источнику питания? А соль заключена в следующем: наша батарея выступает в роли источника питания, а постоянные магниты выступают в роли питающих контактов.
Таким образом, вокруг «состава» формируется магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с постоянным магнитным полем магнитов и «поезд» начинает перемещаться.
Опыт с летающей лягушкой
Дело было так. Андре Гейм и Майкл Берри опубликовали исследование "Летающие лягушки и левитроны" в "EuropeanJournalofPhysics", т.18, 1997, с.307-313. "Если лягушка изначально находится в состоянии равновесия, то на нее не действуют никакие силы. При изменении формы (например, шарообразная форма меняется на эллипсоид) индуцированный дипольный момент тоже меняется, и соотношение сил уже не равно нулю; тогда лягушка слегка смещается, начинает колебаться вокруг другой точки. Повторяя этот маневр при минимальной частоте колебаний, лягушка покидает зону стабильности".
Из объяснений Майкла Берри: "Удивительно в первый раз смотреть на лягушку, парящую в воздухе вопреки гравитации. Ее держат силы магнетизма. Источником силы служит мощный электромагнит. Он способен вытолкнуть лягушку вверх, потому, что лягушка тоже является магнитом, хотя и слабым. По своей природе лягушка не может быть магнитом, но она намагничивается полем электромагнита - это называется "индуцированным диамагнетизмом". Большинство веществ обладают диамагнетизмом, и Андре удалось подвергнуть левитации многие предметы, включая каплю воды и лесной орех.
В принципе человека тоже можно подвергнуть магнитной левитации, как и лягушку: ведь мы в основном состоим из воды. Поле не должно быть более сильным, но оно должно быть достаточно велико, чтобы вместить человека, а этого пока достичь не удалось. У меня нет причин полагать, что такая левитация может быть бесполезной или как-то повредить человеку, но, естественно, в этом никто не может быть уверен. Тем не менее, я бы охотно согласился левитировать первым".
За свою магнитную левитацию Андре Гейм и Майкл Берри удостоены Шнобелевской премии в области физики за 2000 год.
«Парение» лягушки можно посмотреть по ссылке:
https://www.youtube.com/watch?v=-EVMOp59J_c
Как он это сделал? Всего лишь достаточно создать индукцию больше 16 Тл, и лягушка начинает парить в воздухе на небольшой высоте.
Продукт исследования
Я создал установку для опыта «простейший электропоезд». Поэтому я могу её принести в школу и на уроке физики, когда мы будем проходить тему «магнитная левитация», представить этот опыт. Также я создал лабораторную работу для учебника физики 11 класса. Могу её предложить учителям, чтобы они её сделали.
Лабораторная работа
«Исследование магнитной левитации»
Цель работы: изучить явление магнитной левитации на опыте
Оборудование: батарейка типа ААА, медная проволока диаметром 1,2 мм, маркер, неодимовые магниты.
Подготовка к работе:
Изучите описание к работе.
Ход работы:
Возьмите медную проволоку и намотайте в спираль с помощью маркера, причем диаметр наматываемой катушки должен быть несколько больше используемых магнитов.
После этого возьмите батарейку и на каждый из концов прикрепите по 2 неодимовых магнита.
Просто вставьте получившийся «локомотив» в спираль и смотрите, как состав из одного вагона стремительно проходит по спирали.
Определите и объясните: почему батарейка движется внутри спирали
Запишите вывод.
Заключение
По результатам моего исследования можно сделать вывод, что магнитная левитация существует. И «ховерборд», действительно, не просто выдумка режиссеров, а как раз, использование магнитной левитации на практике. Но также, можно утверждать, что в то, время, когда снимался фильм «Назад в будущее» ученые-физики уже были в поисках сверхпроводников, и режиссер фильма предположил, что ко времени, куда он отправлял своего героя эта проблема решиться, но не угадал.
Несмотря на все трудности, с которыми сталкиваются ученые при изучении магнитной левитации, она активно используется в повседневной жизни: в конструкции поездов, в электроэнергетике, а также при проведении выставок в сфере будущего.
Широко применять магнитную левитацию так, как это показано в фильме «Назад в будущее» невозможно, так как это экономически невыгодно, ведь охлаждение сверхпроводников до температур близких к абсолютному нулю, очень дорого.
Мечта режиссера воплотится в жизнь, как только будет найден сверхпроводник, у которого сопротивление будет равно нулю. Будем надеяться, что мы застанем это время.
Таким образом, гипотеза подтвердилась.
Список Интернет – источников
http://allrefs.net/c24/3t5zh/p9/
http://referatwork.ru/category/tehnologii/view/495443_magnitnaya_levitaciya
https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитная_левитация
http://izobreteniya.net/magnitnaya-levitatsiya-na-postoyannyih-magnitah-idei-i-opyityi/
https://allhe.ru/publ/svoimi_rukami/igrushki/levitron_na_postojannykh_magnitakh_svoimi_rukami/4-1-0-93