Исследование магнитной левитации на постоянных магнитах

XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Исследование магнитной левитации на постоянных магнитах

Акулич Д.А. 1
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение муниципального образования Динской район «Средняя общеобразовательная школа № 1 имени героя Российской Федерации Туркина Андрея Алексеевича»
Суздальцева Н.В. 1
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение муниципального образования Динской район «Средняя общеобразовательная школа № 1 имени героя Российской Федерации Туркина Андрея Алексеевича»
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Однажды мне подарили игрушку под названием "Левитрон», с помощью которой вращающийся магнитный волчок должен парить в магнитном поле. В инструкции по использованию было все просто, но у меня ничего не получалось. Как я не старалась, но заставить волчок парить в воздухе я не смогла. Потом я забыла о левитроне, а спустя некоторое время захотела еще раз повторить, результат оказался тот же. В итоге, я решила исследовать магнитную левитацию на постоянных магнитах более подробно, чтобы разобраться в принципе работы левитрона и научиться его запускать. В ходе выполнения проекта я была под таким впечатлением, что решила воссоздать левитрон своими руками в домашних условиях.

Актуальность работы.

Левитация с преодолением силы притяжения волновала человечество с древних времён. Но физики давно доказали, что никто из людей на Земле не может обладать способностью парить в воздухе. Помешает этому гравитация, то есть земное тяготение. Закон о нем сформулировал великий английский ученый Исаак Ньютон. Но, оказывается, уже есть технологии, помогающие преодолеть гравитацию. И в этом направлении активно работают современные учёные. Использование левитации открывает широкие перспективы для развития технологий и создания более совершенных технических средств. Наибольшего успеха на сегодняшний день исследователи и инженеры добились в изучении магнитной левитации на постоянных магнитах. Именно на ней основано такое экологичное и современное средство передвижения, как поезд на магнитной «подушке». Всё это очень интересно, поэтому я решила изучить это необычное явление. И о всех своих открытиях я хочу рассказать в своей работе.

Цель работы: изучить магнитную левитацию на постоянных магнитах и области ее применения.

Гипотеза: предполагаю, что магнитную левитацию на постоянных магнитах возможно воспроизвести в домашних условиях.

Для достижения цели я поставила перед собой следующие задачи:

  1. Изучить литературу по теме исследования.

  2. Выяснить, что такое магнитная левитация и какие бывают способы ее создания.

  3. Провести опыт с магнитной псевдолевитацией на примере двух постоянных магнитов и подробно его объяснить.

  4. Запустить левитрон и изучить принцип его действия с точки зрения физических законов, замерить время парения и определить магнитную силу, действующую на волчок.

  5. Сравнить магнитное поля кольцевого магнита и квадратного основания левитрона.

  6. Сконструировать самодельный левитрон, измерить время парения и определить магнитную силу, действующую на волчок.

Предмет исследования: магнитная левитация на постоянных магнитах и ее применение.

Объект исследования: постоянные магниты и их магнитное поле.

Практическая ценность работы состоит в проведении эксперимента, в результате которого будет доказано, что явление магнитной левитации на постоянных магнитах возможно воспроизвести в домашних условиях.

Срок реализации: сентябрь – декабрь.

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.

  1. Теоретическая часть

1.1. Способы создания магнитной левитации.

Левитация – это преодоление гравитации без дополнительных приспособлений, при котором субъект или объект парит в пространстве, не касаясь поверхности твёрдой или жидкой опоры. Простыми словами – это свободное зависание тел в воздухе. Левитацией не считается полёт, совершаемый за счёт отталкивания от воздуха, как у насекомых, птиц или рукокрылых, или планирование, как у белок-летяг, шерстокрылов, летучих рыб или украшенных древесных змей.

Для левитации необходимо наличие силы, компенсирующей силу тяжести. Источниками таких сил могут быть струи газа, сильные звуковые колебания, магнитное поле, лазерные лучи и др. [1]

Магнитная левитация – это технология, позволяющая поднимать объекты в воздух с помощью магнитного поля, когда для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений используется магнитное действие на объект. Само слово «левитация» происходит от английского «levitate», которое можно перевести как «парить» или «подниматься в воздух». Фактически, данное физическое явление позволяет преодолеть гравитацию без применения реактивной тяги или аэродинамики, как это осуществляется самолетами, вертолетами и дронами.

Почему происходит магнитная левитация.

С физической точки зрения левитация является устойчивым положением объекта в гравитационном поле. Фактически, сила тяжести компенсируется силами, воздействующими на предмет которые его поднимают. В определенной точке данные силы уравниваются, благодаря чему объекты зависают. 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.

Условия, которые необходимо обеспечить, чтобы осуществить магнитную левитацию, могут отличаться. Для создания магнитной левитации существует несколько способов:

  1. Электромагнитная левитация.

  2. Диамагнитная левитация.

  3. Сверхпроводниковая левитация.

  4. Вихретоковая магнитная левитация.

  5. Магнитная левитация на постоянных магнитах.

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, поэтому для человеческого глаза будет казаться, что объект неподвижно левитирует в пространстве, хотя на самом деле он совершает очень быстрые колебания.

Диамагнитная левитация.

В природе существуют такие вещества как диамагнетики, они 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.

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.

Эффект парения в этом методе достигается путем размещения магнита над сверхпроводником, в качестве которого, как правило, применяется оксид иттрия-бария-меди. Данное вещество приобретает способность сверхпроводника при снижении его температуры до 77 градусов по Кельвину.

Эта 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.

И этот процесс будет продолжаться ровно до того момента пока охлажденный металл не покинет фазу сверхпроводящего состояния.

Вихретоковая магнитная левитация.

Этот способ подразумевает использование вихревых токов (токов Фуко) и массивных проводников. Катушка, выдающая вихревой ток может левитировать над замкнутым кольцом из цветного металла. Это обусловлено тем, что, по закону Ленца, металл будет создавать магнитное поле противоположное тому, что на него воздействует, за счет чего и будет происходить левитация.

Индуцируемый в диске или в кольце ток будет создавать такое магнитное поле, что его направление станет препятствовать вызывающей его причине. То есть в каждый период колебаний переменного тока в индукторе, в массивном проводнике будет индуцироваться магнитное поле противоположного направления. [2]

Магнитная левитация на постоянных магнитах.

Данная технология подъема объекта над поверхностью подразумевает применение постоянных магнитов, при взаимодействии одноименных полюсов. Плюс такого парения состоит в том, что для него не требуется подключения к электричеству. (Приложение 1). Этот вид левитации я и хочу разобрать более подробно.

2. Практическая часть

2.1. Эксперимент № 1. «Запуск купленного левитрона».

Цель: запустить левитрон и изучить принцип его работы, замерить время парения и определить магнитную силу, действующую на волчок.

Оборудование:

  1. Волчок – гироскоп, который сделан из немагнитного шпинделя вставленного в неодимовый постоянный магнит. Для того, чтобы при падении магнит не ломался он спрятан в пластик.

  2. Пластиковая подставка со встроенным керамическим - ферритовым квадратным магнитом.

  3. Специальная прозрачная пластиковая пластинка, на которой и нужно будет запускать и поднимать волчок.

  4. Специальные пластиковые и металлические шайбы (утяжелители) разных размеров и веса для достижения равновесия.

  5. Фиксирующие резиновые кольца.

  6. Два пластиковых регулятора наклона подставки в виде пластиковых пирамидок. (Приложение 2).

Указания к эксперименту:

Запуск левитрона:

  1. запустить волчок на пластине подставки;

  2. медленно поднять пластину вверх;

  3. опустить пластину и убрать её;

  4. гироскоп должен остаться вращаться в воздухе над квадратной основой.

Как это должно работать?

Принцип работы левитрона основан на трёх физических законах:

  • втором законе Ньютона ( );

  • законе всемирного тяготения ( ; Fтяж = mg);

  • законе взаимодействия магнитных полей (одинаковые полюсы отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются).

Важные принципы, лежащие в основе левитрона.

Магниты в волчке и подставке расположены относительно друг друга одноименными полюсами. Основание (подставка) ориентированно на север вверх. Волчок - это магнит, ориентированный на север вниз. За чет этого возникают силы отталкивания, которые обеспечивают силу для левитации.

У квадратного магнита особое поле, в котором образуется в магнитная яма. Для того чтобы волчок в ней парил, нам необходимо подобрать такой вес, чтобы сила отталкивания магнитов уравновесила силу тяжести. (Приложение 3) Для того, чтобы эти два вектора компенсировали друг друга, они должны быть равны по величине и противоположны по направлению.

Вес волчка мы можем регулировать, добавляя или удаляя маленькие резиновые, пластиковые и медные кольца, которые входят в комплект поставки Levitron.

Еще одним из главных условий эффекта магнитной левитации является строгое горизонтальное выравнивание подставки, ее можно добиться с помощью пластиковых пирамидок. (Приложение 3).

Однако одной настройки веса волчка и горизонтального положения основания недостаточно для контроля стабильности. Все равно будут небольшие отклонения от идеально сбалансированного состояния.

В этом нам помогает гироскопический эффект, возникающий при вращении волчка вокруг вертикальной оси, который не дает ему опрокинуться на нижний магнит своим другим полюсом и создает стабильность. Если бы волчок не вращался, магнитный (крутящий) момент перевернул бы его. Тогда его южный полюс был бы направлен вниз, и сила, исходящая от основания, была бы притягивающей - то есть в том же направлении, что и гравитация, - и верхушка упала бы. Когда волчок вращается, крутящий момент действует гироскопически, и ось не переворачивается, а вращается вокруг (почти вертикального) направления магнитного поля. Это вращение называется прецессией. В левитроне ось почти вертикальна, и прецессия видна как дрожание, которое становится более выраженным по мере замедления вращения вершины. Другими словами, если волчок немного отклонится, он будет отброшен обратно в потенциальную яму. (Приложение 3)

И когда волчок израсходует свой запас вращения, так как он трется о воздух, он моментально упадет на подставку и перевернется. Сила магнитного притяжения возьмет верх. Поскольку трение волчка о воздух не значительное, то вращаться он должен будет долго.

Ход эксперимента:

Вроде все просто. Будем пробовать. Что я только не делала, у меня ничего не получалось. Волчок много раз падал и у него откололись края. Я предположила, что он не запускается из-за нарушенного равновесия в результате сколов. Решила купить новый левитрон. На нем он буквально через два часа взлетел и завис. Радости не было предела. Я радовалась, как будто я запустила ракету в космос. 1 минута 10 секунд – «полет нормальный»! (Приложение 4).

Регулировка волчка - задача не из самых простых, по началу может потребовать определённого терпения, но оно того стоит.

Итак, как же все-таки я его настроить?

  1. Поставьте на ровную поверхность подставку левитрона.

  2. Установите прозрачную пластинку для запуска ровно по центру подставки, так, чтобы рисунок на пластине и на подставке совпали.

  3. Запустите волчок на прозрачной пластине (не очень сильно). Волчок должен равномерно вращаться на ней. Если волчок все время улетает и у вас не получается запустить его так, чтобы он вращался на пластине, то его необходимо утяжелить металлическими или пластиковыми кольцами, идущими в комплекте.

  4. По-тихоньку поднимайте пластину вместе с волчком. Следите, в какую сторону волчок улетает, соответственно, с той же стороны под подставку надо будет вставить пластиковый клин: если волчок улетает влево, то клин вставляем под левый край и т.д. Главное, вставлять нужно буквально по пол миллиметра. Настройка очень тонкая. Главная задача, чтобы платформа заняла максимально горизонтальное положение.

  5. Повторяя шаги 2 и 3 вы достигните оптимальной настройки волчка, и добьетесь того, что он будет левитировать.

  6. Наконец добившись правильных настроек, вы будете в неописуемом восторге, волчок будет, действительно, левитировать. Можно будет провести под волчком палец или карандаш, волчок по-прежнему будет вращаться в воздухе.

В результате у меня получилась вот такая схема настройки левитрона. (Приложение 5).

Есть еще несколько вещей, на которые стоит обратить внимание в Левитроне. Первая заключается в том, что, когда магниты нагреваются, магнитное поле уменьшается, и вес сверху необходимо отрегулировать с учетом изменения. Важно свести внешние помехи к минимуму, чтобы волчок не раскачивался сильно в стороны. Существуют ограничения на скорость вращения для обеспечения стабильности. Когда угловая скорость становится слишком высокой, вершина больше не может переориентироваться, и мы теряем потенциальный минимум. Когда он вращается слишком медленно, верхняя часть больше не может противостоять крутящему моменту, и ее опускают обратно на пластину. Эта низкая частота называется отсечкой ω. Она должна быть в диапазоне - 1100–1200 об/мин (18–20 Гц), т.е. 18,3 об/с – 20 об/с. [3]

Потом я опять вернулась к старому левитрону (синему) и решила попробовать его запусть. И о чудо!!! Я смогла это сделать. Т.е. сколы по краям волчка не повлияли на его работу. Просто у меня не получалось его настроить по всем правилам. И самое приятное, что это был мой рекорд по зависанию волчка: 1 минута 22 секунды. Супер!!! (Приложение 5)

Найдем магнитную силу, действующую на волчок первого левитрона.

По второму закону Ньютона:

Спроецируем на ось OY:

(1)

где m – масса волчка (кг), g – ускорение свободного падения (9,8 м/с2).

Найдем с помощью весов массу магнита:

m = 20,91 гр = 0,02091 кг

Подставляем наши данные в формулу (1):

Найдем магнитную силу, действующую на волчок второго левитрона.

По второму закону Ньютона:

Спроецируем на ось OY:

(1)

где m – масса волчка (кг), g – ускорение свободного падения (9,8 м/с2).

Найдем с помощью весов массу магнита:

m = 20, 35 гр = 0,02035кг

Подставляем наши данные в формулу (1):

Вывод: я научилась запускать левитрон, изучила подробно принцип его работы, замерила время парения и определила магнитную силу, действующую на волчки. Запустить левитрон возможно, но надо правильно его настроить.

2.2. Эксперимент № 2. «Сравнение магнитного поля кольцевого магнита и квадратного основания левитрона».

Цель: сравнить магнитные поля кольцевого и квадратного магнита.

Оборудование: железные опилки, кольцевой магнит, основание левитрона, прозрачная пластиковая пластина.

Ход эксперимента:

Какое же магнитное поле имеет квадратный магнит? Я изучила очень много информации, но четкого ответа я не нашла. По одной теории у квадратного магнита сила отталкивания на краях магнита значительно сильнее, чем в середине. За счет этого образуется так называемая магнитная яма, в которой должен парить наш левитрон. По другой теории говорилось, что в игрушке основание, намагниченное перпендикулярно плоской поверхности, имеет квадратную форму и имеет большое круглое отверстие или не намагниченную область в центре.

Мне пришлось разобрать основание левитрона и никакого круглого отверстия я не нашла. (Приложение 6).

Потом я решила проверить магнитные поля квадратного и кольцевого магнита. Для этого я использовала железные опилки. Оказывается, магнитное поле квадратного магнита очень похоже на магнитное поле кольцевого магнита. Я увидела, что в их центре оно было слабее, чем по краям. А еще интереснее оказалось то, что в близи центра этих магнитов магнитное поле направлено в другую сторону (магнит, который изначально отталкивался от основания, вблизи центра начинал притягиваться). Перемещая железные опилки вверх и вниз, на определенном расстоянии от основания появляется не намагниченная область - магнитная яма (место устойчивого нахождения волчка), где и будет парить наш магнит. (Приложение 6).

Вывод: магнитное поле квадратного магнита представляет собой магнитное поле кольцевого магнита.

2.3. Эксперимент № 3. «Сборка и запуск самодельного левитрона».

Цель: Собрать и запустить самодельный левитрон, замерить время парения и определить магнитную силу, действующую на волчок.

Оборудование:

  1. Ферритовые магниты (наружный диаметр – 10 см, внутренний диаметр - 0,9 см и толщина – 0,9 см) – для базы.

  2. Неодимовый магнит (наружный диаметр – 3 см, внутренний диаметр - 0,5 см и толщина – 0,5 см).

  3. Простой карандаш – диаметром 0,7 мм.

  4. Нож.

  5. Пластиковые и металлические шайбы (утяжелители) разных размеров и веса.

  6. Прозрачная пластиковая пластинка, на которой и нужно будет запускать и поднимать волчок.

  7. Пластиковые подставки под пластину.

  8. Пластиковые пирамидки – клинья для выравнивания базы.

  9. Весы. (Приложение 7)

Ход эксперимента:

Основой для сборки волчка у меня будет служить часть карандаша. Обрезаю с помощью ножа тыльную часть карандаша длиной 6 см. Стачиваю оправу, делая диаметр 0,5 см. Место среза будет верхом волчка, тыльная часть – нижней. Для того чтобы магнит имел под собой опору, необходимо не трогать нижнюю часть. Надеваю неодимовый магнит на основу строго по центру.

Пластиковые и металлические шайбы (утяжелители) разных размеров и веса я использую из своего купленного левитрона. Их внутренний диаметр составляет 0,8 см. Значит мне необходимо намотать изоленту чтобы шайбы садились плотно и не болтались при вращении. Волчок готов к использованию.

Беру два больших кольцевых магнита, сцепляю их разноименными полюсами. Их необходимо разместить так, чтобы волчок втягивался в центр конструкции. Сверху на магниты устанавливаю пластиковые подставки толщиной 1,5 см. Они должны стоять по бокам, чтобы на них можно было поставить пластиковую прозрачную пластинку.

Знания о запуске левитрона у меня есть. Начинаю пробовать. Волчок подлетает с излишней стремительностью. Увеличиваю его вес. Надеваю все кольца, которые у меня были в наличии. Волчок все равно подлетает и улетает с пластины.

Делаю вывод: Магнитное поле больших магнитов очень сильное. Массы волчка не хватает для парения.

К настройке следует подойти с особой скрупулезностью, ведь эта часть работы имеет решающее значение и является наиболее трудоемкой.

Убираю с базы один большой кольцевой магнит. Запускаю волчок со всеми кольцами. При его поднятии он не отрывается от прозрачной пластинки. Значит необходимо уменьшить массу волчка. Экспериментирую с весом, убирая по очереди шайбы. Выравниваю базу с помощью клиньев, чтобы волчок не улетал в стороны. И о чудо! Самодельный левитрон в деле. Волчок парит в воздухе. (Приложение 7)

Отмечу, что все эти настройки придется повторять неоднократно. Но если вам хоть раз удастся запустить волчок, дальше он будет летать как миленький. Правда, время от времени придется проводить микроскопическую корректировку массы волчка. Я теперь могу считать себя специалистом по левитронам!

Время парения волчка – 1 минута 43 секунды. Это новый рекорд!!!

Найдем магнитную силу, действующую на волчок самодельного левитрона.

По второму закону Ньютона:

Спроецируем на ось OY:

(1)

где m – масса волчка (кг), g – ускорение свободного падения (9,8 м/с2).

Найдем с помощью весов массу магнита:

m = 33,75 гр = 0,03375 кг (массу пенопласта я скинула на весах).

Подставляем наши данные в формулу (1):

Вывод: Я собрала и запустила самодельный левитрон, замерила время парения и определила магнитную силу, действующую на волчок. Она оказалась больше, чем в первых опытах, так как волчок имел большую массу.

Заключение

Я изучила много литературы по теме исследования. Классифицировала виды магнитов. Разобралась в строении постоянных магнитов и в причине намагничивания железа, никеля и кобальта. Выяснила, что такое магнитная левитация и какие бывают способы ее создания.

Провела опыт с магнитной псевдолевитацией на примере двух постоянных магнитов и пришла к выводу, что кольцеобразный магнит может зависать в воздухе над другим кольцевым магнитом только благодаря вертикальной стойке, которая не дает верхнему магниту перевернуться на 1800 градусов и притянуться своим противоположным полюсом к нижнему магниту.

Запустила левитрон и изучила принцип его действия с точки зрения физических законов, замерила время парения и определила магнитную силу, действующую на волчок. И пришла к выводу, что запустить левитрон возможно, но надо правильно его настроить.

Сравнив магнитное поле квадратного магнита, пришла к выводу что оно идентично магнитному полю кольцевого магнита.

Я собрала и запустила самодельный левитрон, замерила время парения и определила магнитную силу, действующую на волчок. Она оказалась больше, чем в первых опытах, так как волчок имел большую массу. Я доказала, что левитрон можно сделать в домашних условиях.

Очень надеюсь, что моя работа будет полезной для любителей физики.

Источники информации.

  1. Левитация.https://ru.wikipedia.org/wiki/Левитация#:~:text=Левита́ция%20(от%20лат.%20levitas%20—,рыб%20или%20украшенных%20древесных%20змей.

  2. Магнитная левитация. Виды и работа. Применение и особенности. https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/magnitnaia-levitatsiia/#:~:text=Магнитная%20левитация%20-%20это%20технология%2C,осуществляется%20самолетами%2C%20вертолетами%20и%20дронами.

  3. Научно-популярный физико-математический журнал. КВАНТ. 2014. № 4. Леветирующий магнитный волчок. А. Панов.

Приложение 1.

Для создания магнитной левитации существует несколько способов.

Приложение 2.

Купленный левитрон

Приложение 3.

Магнитное поле квадратного магнита. Не правильная версия.

Приложение 4.

Запуск нового левитрона

Приложение 5.

Запуск старого левитрона

Приложение 6.

Квадратный магнит в основании левитрона.

Сравнение магнитного поля кольцевого магнита и квадратного основания левитрона

Приложение 7.

Детали для самодельного левитрона

Просмотров работы: 43