XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Магнитная левитация
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Этим летом я посмотрел фильм «Назад в будущее», и видел, как главный герой парил на «ховерборде» (рис.1). Я знаю о гравитации, о том, что все предметы на Земле притягиваются вниз и я задумался: «Почему же «ховерборд» не падает на землю вследствие притяжения к земле?». Так я захотел изучить явление, которое заставляет парить этот предмет и найти ответ на поставленный вопрос. Так я выбрал тему исследовательской работы «Магнитная левитация».
Для того чтобы выяснить, что ребята слышали о магнитной левитации мы вместе с учителем провели опрос среди учащихся моего класса посредством анкетирования.
В опросе приняли участие 20 учащихся 6З класса. Результаты анкетирования представлены в виде диаграммы. Им были заданы следующие вопросы:
Варианты ответов:
1. да
2. нет
3. не знаю (для 4го вопроса)
1 . Вы когда либо слышали о левитации?
1. 20
2. 0
2 . Вы, когда либо, слышали про магнитную левитацию?
1. 6
2. 14
3 . Вы когда либо сталкивались с магнитной левитацией?
1. 4
2. 16
4 . Как вы думаете, можно ли заставить объект летать с помощью магнита?
1. 1
2. 11
3. 8
Результаты анкетирования показывают: многие мои одноклассники слышали про выражение «левитация», но объяснить, что такое магнитная левитация они не могут.
Актуальность выбранной темы в том, что в наше время необходим поиск новых экологически чистых источников энергии. А с помощью магнитной левитации мы сможем создать удобный, экологичный и безопасный транспорт в сравнении с современным.
Цель: изучить явление магнитной левитации, выяснить как оно работает где и как это явление применяется, а главное самому попробовать воссоздать эффект магнитной левитации.
Для достижения поставленной цели я поставил перед собой следующие задачи:
1. Изучить материал по данной теме (интернет ресурсы, литература).
2. Узнать, какие виды магнитной левитации.
3. Узнать, где применяется магнитная левитация.
5. На практике попробовать воссоздать эффект магнитной левитации.
7. Рассказать одноклассникам про магнитную левитацию.
8. Провести повторный опрос.
9. Сравнить полученные результаты.
Объект исследования: магнит и магнитное поле
Предмет исследования: явление магнитной левитации и ее разнообразное использование в нашей жизни.
Гипотеза исследования: предполагаю, что магнитную левитацию возможно воспроизвести в домашних условиях.
Срок реализации: сентябрь - декабрь
Методы исследования:
1. Изучение литературы и интернет ресурсов.
2. Проведение опроса среди одноклассников.
3. Сравнение результатов анкетирования.
Теоретическая значимость исследования заключается в том, что теперь ребята моего класса узнали о магнитной левитации. Результаты моей работы могут быть использованы на классных часах.
Практическая значимость работы заключается в том, что благодаря ей можно расширить знания не только в области физики, а также узнать практическое применение магнитной левитации в нашей жизни. Также проведении эксперимента, в результате которого будет доказано, что явление магнитной левитации возможно воспроизвести в домашних условиях. Можно узнать много нового об окружающем нас мире.
Основная часть
1. Что такое магнитная левитация?
Наверняка многие из вас смотрели фильм «Назад в будущее», так вот там ховерборд левитировал над поверхностью без каких-либо усилий и приспособлений. Вы никогда не задумывались, возможна ли левитация в реальном мире?
Левитация – это преодоление гравитации, в результате чего объект имеет статическое положение в пространстве, при этом не имея опоры на твердую или жидкую поверхность.
А магнитная левитация - это технология, за счет которой происходит подъем объекта магнитным полем, когда для компенсации гравитационного воздействия применяется магнитное воздействие на объект [6].
С физической точки зрения левитация является устойчивым положением объекта в гравитационном поле. Фактически, сила тяжести компенсируется с силами, воздействующими на предмет, которые его поднимают. В определенной точке данные силы уравниваются, благодаря чему объекты зависают. То понятие, которое укладывается в слово «левитация» в чистом виде недостижимо, что давно является доказанным фактом. На деле парение объекта достигается только путем воздействия на него магнитного поля. При этом сам предмет, который зависает в воздухе, не обладает свойствами парить без внешнего воздействия. Он не сможет делать это абсолютно в любых условиях и на разной высоте [5].
2. Виды магнитной левитации
Условия, которые необходимо обеспечить, чтобы осуществить магнитную левитацию, могут отличаться. Существует несколько технологий, которые позволяют добиться эффекта парения:
Электромагнитная.
Диамагнитная.
Сверхпроводниковая.
Вихретоковая [5].
Рассмотрим отдельно каждую из них.
2.1. Электромагнитная левитация
Данная технология подъема объекта над поверхностью подразумевает применение электромагнита. Он располагается в нижней части устройства. На него укладываются легкие металлические предметы. Над электромагнитом с помощью стойки закрепляется фотоэлемент. Задача последнего заключается в подачи и прерывания 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 [5].
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 (рис.2) [5].
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. 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 [5].
2.2. Диамагнитная левитация
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 (рис.3, 4) [5].
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 (рис.5) [5].
2.3. Сверхпроводниковая левитация
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 [5]. Для этого необходимо обеспечение его контакт с жидким азотом (рис.6, 7).
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 [5].
2.4. Вихретоковая левитация
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 [6].
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 (рис.8) [5].
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 (рис.9) [5].
3. Применение магнитной левитации
Магнитная левитация нашла свое применение не только при создании сувениров. Одним из самых масштабных способов использования данной технологии является современный железнодорожный транспорт на магнитной подушке. Такой поезд двигается очень тихо, поскольку не имеет колес, которые создают трение и стук. Как следствие самый известный проект такого транспорта, который был построен в Японии, смог развить скорость в 581 км/час [1]. Единственный в мире поезд, который работает по данной технологии на постоянном маршруте, располагается в Шанхае (рис.10). Он соединяет метро и аэропорт. Поезд позволяет преодолевать расстояние в 30 км между конечными станциями приблизительно за 7 минут.
Применения магнитной левитации не исчерпывается демонстрацией, где левитирующая лягушка подвешена в воздухе при помощи сильного магнитного поля. Небольшой перечень возможностей использования левитации с воздействием магнитного поля:
на транспорте;
в энергетике;
в летательных аппаратах;
ветряных генераторах;
магнитных подшипниках.
Транспорт с магнитной левитацией Основной плюс использования маглевов – экономный режим потребления энергии, за счёт снижения трения между рельсами и колёсами в традиционных вариантах. Основные затраты приходятся на преодоление сопротивления воздушных масс. Современное оформление вагонов, практическое отсутствие шумов и вибрации делают этот вид транспорта перспективным [1].
История суперпоездов В России не производят маглевы, но в Санкт-Петербурге подобные разработки грузовых поездов на магнитной подушке уже ведутся. Ученые создали прототип грузового маглева, в дальнейшем обещают сконструировать и пассажирский. Страны лидеры – Китай и Япония, представляют свои разработки, которые работают уже не один год. Коммерческая скоростная линия в Шанхае позволяет перемещаться из одной точки в другую со скоростью более 430 км/ч [1].
Японский вариант Скоростное первенство по праву достаётся японским поездам подобного типа. Весной 2015 года опытный экземпляр поезда установил рекорд на участке, построенном в префектуре Яманаси. Модель Синкансэн L0 развила на этом участке скорость 603 км/ч. Японцы ведут разработки ещё с 70-х годов прошлого века. Работы ведутся в институте ж/д техники (JRTRI), в тесном сотрудничестве с оператором Japan Railways. Японский JR-Maglev (рис. 11, 12) [1].
Магнитные подшипники В лазерных установках и в оборудовании, где необходима высокая точность (оптические системы), нашли своё применение магнитные подшипники (рис.13). Они обладают целой линейкой положительных качеств:
- отсутствие трения,
- потери равны нулю;
- повышенная скорость вращения;
- низкий коэффициент вибрации;
- возможность герметизации;
- автоматический электронный контроль.
Газовые турбины, электрогенераторы, работающие на высоких оборотах, криогенные установки – это только некоторые решения для использования таких подшипников [1].
Применение в энергетике Избавление от трения в магнитных подшипниках позволяет говорить о применении магнитной левитации в энергетике. КПД газовых турбин на ТЭС (тепловых электрических станциях) повысился с применением таких деталей. Возможность контролировать и регулировать работу подшипниковых узлов высокооборотных генераторов тока позволила модернизировать и повысить коэффициент автоматизации процесса получения электроэнергии [1].
Обычный вертолёт тоже можно назвать левитирующим объектом, однако силу земного притяжения он преодолевает с помощью воздушного потока, создаваемого лопастями.
Летательные аппараты, использующие магнитное поле и движущиеся целенаправленно в разных плоскостях, – это ещё только будущее [1]. В отличие от поездов, проблема конструктивного выполнения стороннего магнитного поля находится только в процессе поиска решения (рис.14).
Использование магнитной ленвитации в ветрогенераторах. Всё дело – в магнитной подвеске, которая значительно увеличивает срок службы генератора. При её наличии ветряная турбина требует гораздо меньших затрат в обслуживании [1].
Дальнейшие перспективы использования. Переход транспорта любых видов на магнитную левитацию позволит в корне изменить транспортные системы. Кроме коллективного использования таких видов транспорта, возможен переход на индивидуальные системы передвижения человека. Экономия энергии, долговечность вращающихся механизмов, подъём и перемещение грузов – всё это в корне изменит структуру промышленных и сельскохозяйственных объектов, а также внешний облик планеты.
Ховерборд. Одним из самых долгожданных изобретений стал Ховерборд (рис.15, 16). В 2015 году были представлены два прототипа «летающего скейта»: HENDO и Lexus. Они отличаются друг от друга своим устройством, но оба эти прототипа левитируют за счет магнитов. Не один из них не производят для продаж, погтому что ховерборды летают только над специальными поверхностями и они очень дороги. Эти модели работают непродолжительное время (около 5 минут), к тому же их тяжело производить и они ненадежны [2][3].
Практическая часть
Эксперименты с магнитами
1. Два магнита.
В первую очередь я узнал, что такое магнит. Магнит - тело, обладающее намагниченностью. Намагниченность - способность тела сохранять магнитные свойства. Магнитные свойства проявляются за счет движения зарядов внутри них [4]. Каждый магнит обладает полюсами - северным и южным. При поднесении разноименных полюсов друг к другу - заряды начинают переходить от плюса к минусу, поэтому магниты притягиваются. Если поднести друг к другу одноименные полюса - то они будут отталкиваться из-за воздействий зарядов внутри них (рис.17). Я решил проверить это! Я взял два магнита (рис.18) и поднес их друг к другу, они притянулись друг к другу. Затем я перевернул их и один магнит начал отталкиваться (рис.19, 20) (левитировать) от другого магнита.
2. Левитирующий магнит.
Для того, чтобы сделать левитирующий магнит, можно выполнить небольшой опыт по созданию условий левитации дома. Для этого понадобятся: четыре небольших кольцеобразных постоянных магнитов; несколько маленьких неодимовых магнитов; подставка; упор (я использовал обычный диск). Маленькие магниты собираем вместе друг за другом, образуя палочку. Помещаем четыре магнита в подставку. Ставим упор (рис.21-24). Регулируя расстояния между магнитами, добиваются левитации нашей палочки из маленьких магнитиков (рис.25-27).
3. Левитирующие диски.
Я узнал, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные притягиваются. Именно на этом основаны поезда на магнитной подушке или маглевы. По тому же принципу я решил попробовать сделать свой маглев, но только с дисками. Для этого мне понадобится бокс от дисков; три компакт диска; много кольцевых магнитов (рис. 28). На диск, по кругу, я прикрепил кольцевые магниты, соблюдая одинаковую полярность (рис. 29,30). Далее я, также соблюдая полярность, прикрепил магниты на другой диск (рис.31). После этого я поместил оба диска на шпиндель так, чтобы магниты были обращены друг к другу одинаковыми полюсами (рис.32, 33). Таким образом верхний диск начал левитировать относительно нижнего (рис.34). У меня получилось!
Заключение
Задумывались ли вы, возможна ли левитация в реальном мире или это из мира фантастики? Изучив магнитную левитацию, я понял, что это не фантастика, это наше скорое будущее!
В ходу исследования, я узнал, что магнитная левитация - это технология, за счет которой происходит подъем объекта магнитным полем, когда для компенсации гравитационного воздействия применяется магнитное воздействие на объект.
Еще я узнал, что магнитная левитация бывает нескольких видов: электромагнитная, диамагнитная, сверхпроводниковая, вихретоковая.
Как оказалось, магнитная левитация уже вовсю применяется в разных отраслях: на транспорте, в энергетике, в летательных аппаратах, ветряных генераторах, магнитных подшипниках. Еще я узнал, что магнитная левитация широко используется при создании сувениров. Одним из самых масштабных способов использования данной технологии является современный железнодорожный транспорт на магнитной подушке. Такой поезд двигается очень тихо, поскольку не имеет колес, которые создают трение и стук. Вот это действительно транспорт будущего, а не просто выдумка режиссера фантастического фильма. Преимущества такого средства передвижения очевидны - скорость, экологичность, безопасность. Так как наука не стоит на месте, я думаю, что в скором времени найдется способ удешевить постройку данного вида транспорта, и расстояния между нашими городами станут еще меньше. А у детей на улице появятся личные ховерборды.
Дома я попробовал воссоздать эффект магнитной левитации и у меня это получилось. Скажу честно, что это очень тяжелый и долгий процесс, но это того стоило.
Таким образом, моя гипотеза о том, что магнитную левитацию возможно воспроизвести в домашних условиях. подтвердилась.
На классном часе я рассказал все то, что узнал сам, показал эксперименты с магнитами (рис.72 – рис.77) и после этого мы вместе с учителем решили провести повторный опрос и задать те же самые вопросы моим одноклассникам.
Количество опрошенных 20 учащихся 6З класса.
Результаты анкетирования представлены в виде диаграмм:
Варианты ответов:
1. да
2. нет
3. не знаю (для 4го вопроса)
1 . Вы когда-либо слышали о левитации?
1. 20
2. 0
2 . Вы, когда либо, слышали про магнитную левитацию?
1. 20
2. 0
3 . Вы когда-либо сталкивались с магнитной левитацией?
1. 19
2. 1
4 . Как вы думаете, можно ли заставить объект летать с помощью магнита?
1. 20
2. 0
3. 0
Далее мы сравнили результаты анкетирования и увидели, что теперь многие ребята знают о том, что такое магнитная левитация, виды магнитной левитации, где ее используют. Значит, я не зря провел столько работы по изучению магнитной левитации.
Список литературы
1. Ампероф. Магнитная левитация. https://amperof.ru/teoriya/magnitnaya-levitaciya.html
2. Компьютерра. Легендарный журнал о современных технологиях https://www.computerra.ru/226818/lexus-hoverboard/
3. Новости. Нi-techhttps://hi-tech.mail.ru/news/new-hendo-hoverboard/
4. Пироженко Т. Опыты и игры с магнитами. [Электронный ресурс]
5. Электросам.ру https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/magnitnaia-levitatsiia/
6. Энергофиксик https://dzen.ru/a/XKOYedZ3tACzuJ3X
Приложение
Рис.1
Рис.2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис.6
Рис.7
Рис.8
Рис.9
Рис.10 Маглев в Германии – поезд на магнитной подушке
Рис.11 Маглев в Японии
Рис.12
Рис.13 Бесконтактный магнитный подшипник
Рис.14 Самолёт на магнитной подушке
Рис.15
Рис.16
Рис.17
Рис.18
Рис.19
Рис.20
Рис.21
Рис.22
Рис.23
Рис.24
Рис.25
Рис.26
Рис.27
Рис.28
Рис.29
Рис.30
Рис.31
Рис.32
Рис.33
Рис.34
Рис.35