Магнитная левитация

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

Личный портфель

Магнитная левитация

Шалаев Н.В. 1
1МБОУ "Лицей №3"
Перминова Г.Г. 1Стебелева О.П. 2
1МБОУ "Лицей №3"
2Красноярский краевой дворец пионеров
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Очень часто можно увидеть сувенирную продукцию, офисные гаджеты, рекламные модели с использованием магнитной левитации, которая завораживает, привлекает внимание как к чему-то необычному. И меня увлекла магнитная левитация. Почему глобус в сувенире, не касаясь опор, зависает или обычная лампа может гореть на расстоянии от самого светильника?

Раньше я занимался научно исследовательской работой по теме «Тайны магнита», выяснил принцип действия магнита и магнитного поля, исследовал свойства и рассмотрел применение постоянных магнитов. В этой работе хочу погрузиться в более глубоком изучении магнитов.

Магнитная левитация – уникальное явление, которое заключается в удерживании предметов в воздухе в состоянии «парения» над землей. Использование магнитной левитации открывает широкие перспективы для развития современных технологий и создания совершенных технических средств. Наибольшего успеха на сегодняшний день исследователи и инженеры добились в изучении магнитной левитации на постоянных магнитах. Для меня это очень интересно, поэтому я решил изучить это явление, узнать какие виды левитации существуют, исследовать магнитную левитацию на примере постоянных магнитов.

Проблема: магнитная левитация - одно из самых эффектных явлений, она не изучается в школьном курсе физики. Поэтому хочу разобраться в теории и практическом применении.

Новизна работы заключается в выявлении ранее неизвестного мне явления магнитной левитации, объяснение левитации с точки зрения физических законов, исследование ее свойств.

Объект: магнитное поле.

Предмет: магнитная левитация.

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

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

Задачи:

  1. Изучить и проанализировать научную литературу.

  2. Узнать, что такое магнитная левитация.

  3. Узнать виды магнитной левитации.

  4. Выяснить область применения магнитной левитации.

  5. Провести исследования с магнитной левитацией на постоянных магнитах.

Методы проведенных исследований: теоретический анализ и обобщение научной литературы, аналитический, описательный, эксперимент, фотографирование.

Практическая значимость работы состоит в проведении исследований в результате которых будет доказано, что явление магнитной левитации на постоянных магнитах возможно воспроизвести в домашних условиях.

    1. ЧТО ТАКОЕ МАГНИТНАЯ ЛЕВИТАЦИЯ

Левитация (от латинского levitas — «лёгкость, легковесность») - это зависание какого-либо тела в пространстве без подвеса, либо механической опоры.

Магнитная левитация — это технология, за счет которой происходит подъем тела магнитным полем, для компенсации гравитационного воздействия применяется магнитное воздействие на тело.

С точки зрения физики - левитация является устойчивым положением тела в гравитационном поле. Фактически, сила тяжести компенсируется с силами, воздействующими на тело, которые его поднимают. В определенной точке силы уравниваются, благодаря чему тела зависают.

Парение тела возможно только при воздействии на него магнитного поля. При этом само тело, которое зависает в воздухе, не обладает свойствами парить без внешнего воздействия. Оно не сможет делать это абсолютно в любых условиях и на разной высоте.

    1. ВИДЫ МАГНИТНОЙ ЛЕВИТАЦИИ

Для левитации необходимо наличие силы, которая компенсирует силу тяжести. Источниками таких сил могут быть струи воздуха, сильные звуковые колебания, лазерные лучи, магнитное поле.

Существует несколько видов магнитной левитации, которые позволяют добиться эффекта парения и отличаются условиями для их осуществления (приложение 1):

  • Электромагнитная

  • Диамагнитная

  • На постоянных магнитах

  • Сверхпроводниковая

  • Вихретоковая

Электромагнитная левитация. В таком виде левитации применяется электромагнит, который располагается в нижней части устройства. Принцип работы заключается в создании кратковременного воздействия электромагнитного поля на металлические предметы. На самом деле предмет непрерывно то падает, то вновь немного приподнимается электромагнитом, что создаёт иллюзию левитации. [1]

Катушка электромагнита приподнимает металлический предмет и отключается, предмет начинает падать вниз. Катушка снова создает электромагнитное поле поднимающее тело, и оно взлетает. Необходимо периодическое воздействие электромагнита на металлический предмет для того, чтобы обеспечить возможность контроля положения парящего предмета. Так как постоянное электромагнитное поле поднимает металлическое тело, до тех пор, пока оно не выйдет из зоны воздействия электромагнита и не упадет под влиянием силы тяжести. Если же периодически включать и отключать электромагнит, то предмет будет просто подниматься и опускаться. Для этого над электромагнитом закрепляется фотоэлемент, который подает и прерывает питание на электромагнит. Это происходит с периодичностью в доли секунды, благодаря высокой частоте подачи и отключения электромагнитного воздействия, парящий предмет выглядит практически неподвижным. Это создает впечатление его реальной левитации. [2]

 

Рисунок 1. Левитирующий глобус

Такой вид левитации достаточно популярный при производстве сувениров. Например, левитирующий глобус.

Недостаток электромагнитной левитации заключается в 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.

Д

Рисунок 2. Левитирующий грифель карандаша

иамагнитная левитация.  Для такого вида левитации используются диамагнетики, которые обладают слабомагнитными свойствами: они не магнитятся, если на них не действует внешнее магнитное поле. Если диамагнетик поместить во внешнее магнитное поле, то вытесняя свое магнитное поле начинает парить. Некоторые вещества могут полностью вытеснять свое магнитное поле, например, графит начинает парить над неодимовыми магнитами, отталкиваясь от них даже при комнатной температуре.

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 кверху. [1]

Неодимовые магниты имеют более стабильное магнитное поле, поверхность в шахматном порядке будет иметь достаточную площадь, относительно длины графитового стержня, то тот зависнет неподвижно.

В очень сильных магнитных полях способны левитировать почти любые предметы. Примером может быть известный научный эксперимент с лягушкой левитирующей внутри круглого электромагнита.

Магнитная левитация на постоянных магнитах. Левитацию на постоянных магнитах можно наблюдать, используя обычные магниты. Расположить постоянные магниты необходимо друг к другу одноимёнными полюсами, поэтому они будут отталкиваться. Исследование свойств магнита и магнитного поля постоянных магнитов рассматривал, выполняя научно – исследовательскую работу «Тайны магнита».

П

Рисунок 3. Левитрон

римером левитации на постоянных магнитах является левитрон. Магниты в устройстве расположены друг к другу одноименными полюсами и отталкиваются. Для устойчивой магнитной левитации большой кольцевой магнит образует впадину, на дне которой волчок зависает над магнитной платформой. Стабильная левитация поддерживается вращением волчка (гироскопический эффект), поэтому волчок не опрокидывается.

Сверхпроводниковая левитация. Магнитная левитация такого вида известна как метод Мейснера (впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом). Эффект парения достигается путем размещения магнита над сверхпроводником, происходит полное вытеснение магнитного поля из проводника при снижении его температуры. Сверхпроводник – материал у которого электрическое сопротивление становится равным нулю при понижении температуры (это очень низкие температуры, например, жидкий гелий при температуре минус 268°C или жидкий азот при минус 196°C). [4]

В

Рисунок 4. Сверхпроводниковая левитация

качестве сверхпроводника применяется оксид иттрия-бария-меди для этого необходимо обеспечить его контакт с жидким азотом, оксид мгновенно охлаждается. Если над ним поместить магнит, то тот начинает левитировать.

Магнитное поле тока уничтожает внутри сверхпроводника внешнее магнитное поле. В этом отношении сверхпроводник ведёт себя формально как идеальный диамагнетик. Однако он не является диамагнетиком, так как внутри него намагниченность равна нулю.

 

Рисунок 5. Левитация вихревых токов

Левитация под воздействием вихревых токов. Еще одним способом создания магнитной левитации является использование вихревых токов (токи Фуко). Вихревые токи наводятся в достаточно больших проводниках переменным магнитным полем и удерживают предметы в левитирующем состоянии.  Создаваемый в катушке либо кольце ток создаёт такое магнитное поле, направление которого будет противодействовать силе, создавшей его (согласно закона Ленца). 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 включён переменный ток. [3]

Для примера: катушка с переменным вихревым током может левитировать над замкнутым кольцом из алюминия или алюминиевый диск будет парить над катушкой с переменным током.

Если неодимовый магнит уронить внутрь медной трубы, то магнит парить не будет, но его падение замедлится. Падение напоминает замедленную съемку или погружение в густую жидкость.

1.3. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТНОЙ ЛЕВИТАЦИИ

Магнитная левитация имеет широкое применение: высокоскоростные пассажирские поезда, изоляция чувствительных к вибрациям механизмов, магнитные подшипники, левитация расплавленного металла в индукционных печах, а также левитирование металлических заготовок (приложение 1). В последнее время эффект магнитной левитации также используют в бытовых устройствах и сувенирной продукции. [3]

В космосе: сверхпроводящая пена с магнитной левитацией используется в устройствах для стыковки космических кораблей и спутников. Управляя магнитным полем контролируется причаливание, стыковка и отталкивание.Очень удобно применять такое поле для сбора мусора в космосе. [6]

Благодаря исследованиям магнитной левитации в условиях невесомости стала возможна новая технология 3D-печати биологических тканей. Работа биопринтера основана на технологии магнитной левитации, которая позволяет создавать живые ткани и микроорганы в условиях невесомости. Процесс выращивания материала происходит не послойно, а с использованием «формативного» принципа, когда образец растёт в сильном магнитном поле в условиях микрогравитации. В будущем подобная технология может использоваться в медицине.

 

Рисунок 6. Исследование космического запуска на модели

А также для запусков космических ракет, в Пекине руководитель исследований Веньян Ян утверждает, что «магнитная левитация является многообещающей технологией для космических запусков. Ведь наиболее дорогими при старте являются первые секунды, когда нужно оторваться от земли». [3]

В энергетике: практическое применение магнитных подшипников. Классические подшипники истираются довольно быстро так как они постоянно испытывают высокие механические нагрузки (трение). Магнитные подшипники сохраняют работоспособность во много раз дольше из-за отсутствия контакта, высокая износостойкость и их применяют даже в экстремальных условиях. Например, в атомной энергетике, ветровых технологиях, в оптических системах высокой точности и в лазерных установках, а также в отраслях, сопровождаемых чрезвычайно низкими или же высокими температурами. [4]

Применение магнитной левитации для быстрого передвижения:

п

Рисунок 7. Поезд на магнитной подушке

оезд на магнитной подушке (маглев) - это поезд или трамвай, который удерживается над полотном дороги, движется и управляется магнитным полем. Такой состав в процессе движения не касается поверхности рельса, трение между поездом и поверхностью полотна отсутствует. Скорость, достигаемая поездом на магнитной подушке сравнима со скоростью самолёта и позволяет составить конкуренцию воздушному транспорту на ближне- и среднемагистральных направлениях. [4] Разные страны пытались реализовать проект маглева, но наибольших успехов пока добились Китай, Япония и Южная Корея. В Китае уже есть три линии скоростных поездов. Одна из них, Шанхайская, является самой быстрой дорогой такого типа. Поезд с пассажирами развивает скорость 431 км/ч. Японскому же маглеву принадлежит рекорд скорости 603 км/ч. [5]

Применяют магнитную левитацию при проведении выставок для эффектности и зрелищности экспонаты попросту парят над тумбами. [5] Используют в бытовых устройствах, сувенирной продукции, например, в левитирующих портативных динамиках, проигрывателях пластинок, летающих глобусах, светильниках и других гаджетах.

П

Рисунок 8. Магнитные подшипники

ерспективы применения магнитной левитации в поездах, бесконтактной плавке, магнитных подшипниках, сейсмических датчиках и даже в научных исследованиях на уровне элементарных частиц.

Научно образовательный центр «Север» совместно с корпорацией «Российский Маглев» занимается внедрением технологии магнитолевитационного транспорта для будущего развития Арктики.Сотрудничество станет важным этапом в развитии инженерных и инновационных технологий в области транспорта, а также открытия новых перспектив для развития магнитно-левитационной технологии в России. [6]

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ ЛЕВИТАЦИИ

1. Магнитные подвесы.

Использование силы отталкивания между несколькими магнитами чтобы поднять или переместить в воздухе тяжелые предметы над неподвижной основой – такую технологию называют магнитным подвесом.

Цель: убедится в справедливости технологии магнитного подвеса.

Оборудование: 6 магнитов, пластиковая трубочка, опорная плита (из набора «Природа магнетизма»).

Ход исследования:

  1. Надел на трубочку 2 кольцевых магнита южными полюсами друг к другу. Магниты оттолкнулись. Измерил расстояние между магнитами.

  2. Надел на трубочку по две пары магнитов и по три пары. Измерил расстояние между левитирующими группами магнитов. Таблица результатов измерения в приложении 2.

  3. Надел на трубочку 6 кольцевых магнита, ориентируя их взаимно отталкивающими полюсами: «юг» - «юг» и «север» - «север». Посмотрев сбоку видно, что расстояние между магнитами увеличивается с высотой. Магнитные поля, перекрываясь складываются.

  4. Если с силой надавить на верхний магнит, то магниты подпрыгнут, отталкивание магнитов друг от друга будет сильнее, если они расположены ближе. Магнитное отталкивание можно применять в амортизирующих устройствах.

В ывод: проведя исследование, убедился в справедливости технологии магнитного подвеса, используя магнитную левитацию можно поддерживать на весу значительные грузы и также использовать в качестве амортизаторов.

  1. Диамагнитная левитация.

Цель: наблюдение диамагнитной левитации.

О борудование: 6 неодимовых магнитов, грифели от механического и обычного карандашей.

Ход исследования:

  1. Для наблюдения магнитной левитации необходимо расставить неодимовые магниты в шахматном порядке поворачивая разными полюсами кверху.

  2. Графитовый стержень – диамагнетик и если его поместить во внешнее магнитное поле (созданное неодимовыми магнитами), то вытесняя свое магнитное поле начинает парить.

Вывод: пронаблюдал диамагнитную левитацию, неодимовые магниты имеют более стабильное магнитное поле, если поверхность в шахматном порядке имеет достаточную площадь, относительно длины графитового стержня, то тот зависнет неподвижно.

  1. Магнитные весы.

Цель: можно ли магнитную левитацию использовать в качестве весов.

Оборудование: опорная плита (из набора «Природа магнетизма»), 4 круговых магнита, чаша весов, шкала на перегородке, стержень.

Ход исследования:

  1. Собрал установку: установил стержень на опорную плиту, соединил 2 магнита южными полюсами вверх и вставил их в стержень.

Сверху надел на стержень еще один магнит, южным полюсом вниз. Верхний магнит левитирует над двумя другими.

Закрепил на опоре шкалу и на верхний магнит установил чашу весов. Стрелку чаши весов установить на уровень «нуль» по шкале. При необходимости – уравновесить.

  1. Положить на чашу весов грузы. Чем больше масса груза, тем ниже опускается чаша.

Вывод: магнитная левитация действует как весы. Но настоящие весы - очень точный прибор, а весы, которые использовались в эксперименте только демонстрируют действие магнитов. Они приблизительно показывают массу предметов.

4. Левитирующая вертушка.

Цель: наблюдение вращения левитирующего стержня.

Оборудование: пластиковый стержень, насадка, 6 магнитов, перегородка, опорная плита (из набора «Природа магнетизма»)

Ход исследования:

1. Собрал установку: вставил перегородку в щель на опорной плите, вставил 4 магнита в опорную плиту южными сторонами к перегородке.

2. Прикрепил насадку к стержню. Аккуратно надел магнит на стержень южной стороной к перегородке на уровне с первым рядом магнитов на опорной плите.

3. Еще один магнит надел с другой стороны стержня также южной стороной к перегородке на уровне с вторым рядом магнитов на опорной плите.

  1. Установил стержень над опорной плитой так, чтобы кончик насадки упирался в перегородку. Медленно отпустил стержень. Стержень левитирует над плитой! Он так держался очень долго, пока сам его не убрал.

  2. Аккуратно крутанул стержень, и он начал вращаться. Левитация вращающегося стержня похоже на волшебство! Быстрое вращение стержня продолжалось 7 минут, затем скорость вращения уменьшилась (из-за трения о воздух) и стержень завалился на бок и упал.

Вывод: пронаблюдал вращение левитирующего стержня.

5. Левитрон.

Цель: исследование вращения волчка левитрона, его принцип действия.

Оборудование: волчок – гироскоп (неодимовый магнит в пластике), квадратный керамо – ферритовый магнит в пластмассовой коробочке, пластиковая прозрачная пластинка, пластиковые и металлические шайбы (утяжелители), 2 регулятора наклона (приложение 3).

Ход исследования:

Для проведения исследования необходимо запустить волчок на пластине, медленно поднять вверх и аккуратно убрать пластину. Волчок – гироскоп должен вращаться в воздухе над квадратной основой – магнитом.

Магниты в волчке и подставке расположены друг к другу одноименными полюсами (у меня – северные полюса). Это необходимо для возникновения силы отталкивания и левитации.

Квадратный магнит имеет особое магнитное поле, в центре образуется магнитная яма, которая создает условия для парения и вращения в ней волчка. Если волчок не попадает в яму то он вылетает в сторону. И еще необходимо подобрать такую массу волчка, чтобы магнитная сила отталкивания уравновесила силу тяжести, т.е. силы должны быть равны по величине и противоположны по направлению.

Для наблюдения левитации важно чтобы магнит был расположен строго горизонтально для этого использовать регуляторы наклона.

Вывод: запустить волчок мне удалось, но далеко не с первого раза!

  1. Определение магнитной силы левитрона.

Согласно Ⅱзакона Ньютона:

произведение массы тела на ускорение равно векторной сумме действующих на него сил:

ma = F1 + F2

В нашем случае действуют две силы: сила тяжести и магнитная сила, то mа = F магн. +F тяж.

Направление сил показано на рисунке 9.

Так как левитрон находится в уравновешенном состоянии (не падает под действием силы тяжести), то F магн. – F тяж. = 0

F магн. = F тяж. ⇒ F тяж. = mg ⇒ F магн = mg (1)

где m – масса волчка (кг),

g – ускорение свободного падения (9,8 м/с2).

Нашел с помощью весов массу магнита: m = 33,75 г = 0,03375 кг

 

Рисунок 9. Силы, действующие на левитрон.

Подставляем наши данные в формулу (1):

F магн = 0,03375кг ∙ 9,8 м/с 2 = 0,33075Н ≈ 0,3 Н

Вывод: определил магнитную силу,действующую на волчок левитрона. Она равна 0,3 Н.

    1. СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ ПОЕЗДА НА МАГНИТНОЙ ПОДУШКЕ

Цель:возможно ли изготовить модель поезда на магнитной подушке в домашних условиях?

Оборудование: неодимовые магниты, магнитная лента с клеевым слоем, клей «Момент», жидкие гвозди, детали конструктора Lego, оргстекло.

Изготовление: чтобы понять, как работает поезд на магнитной подушке, я изготовил свою модель такого поезда.

За основу макета поезда взял собранный ранее вагон из конструктора, облегчил его (убрал внутренние детали: пассажирские кресла, дополнительные панели) и полотно дороги – рельсы (скрепил полоской из оргстекла).

К рельсам и днищу вагона приклеил по 2 полоски магнитной ленты. Но заметной левитации не наблюдал. Необходимо было добавить магнитной силы, для этого с помощью специального клея приклеил неодимовые магниты на днище вагона и на рельсы. Очень важно соблюдать полюса магнитов!

Чтобы наблюдать левитацию необходимо вертикально расположить макет вагона относительно рельс. Чтобы вагон не заваливался на бок укрепил макет пластинами из оргстекла, которые приклеил к рельсам.

Вагон парит над рельсами! Мне удалось собрать модель поезда на магнитной подушке. Вагон легко движется вдоль рельсов (трение отсутствует). Если его подтолкнуть он развивает большую скорость (приложение 4).

Вывод: в домашних условиях можно изготовить модель поезда на магнитной подушке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполняя работу, я нашел ответы на вопросы, которые меня заинтересовали. Теперь знаю, что магнитная левитация – уникальное явление, которое заключается в удерживании предметов в воздухе в состоянии «парения» над землей.

Использование магнитной левитации открывает широкие перспективы для развития современных технологий и создания совершенных технических средств.

Разобрался в теории (правда не совсем глубоко погрузился в теорию, не все понятно) и практическом применении. Выяснил какие виды левитации существуют, исследовал магнитную левитацию на постоянных магнитах.

Моя гипотеза подтвердилась, магнитную левитацию на постоянных магнитах возможно воспроизвести в домашних условиях. Поставленная цель и задачи достигнуты.

Думаю, что моя работа будет интересна для любителей физики.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

  1. https://zaochnik-com.com/spravochnik/fizika/magnitnoe-pole/klassifikatsija-magnetikov

  2. https://usamodelkina.ru/12655-platformennyj-levitron-svoimi-rukami.html

  3. https://zen.yandex.ru/media/elektroradio/levitron-na-datchike-holla-i-polevom-tranzistoresvoimi-rukami-5d5cfb5d5eb26800ac99bc7d

  4. http://electrik.info/main/fakty/1259-magnitnaya-levitaciya.htm

  5. https://livescience.ru/content/view/519/145/Матанцев А. Н. Левитация, или полёты камней и мегалитов в воздухе – Екатеринбург: Издательские решения, 2020. – 540 с.

  6. ttps://nocsever.com/news/tpost/l2po3ikoh1-magnitnaya-levitatsiya-vozmozhnosti-dlya

ПРИЛОЖЕНИЯ

  1. Виды левитации:

  1. Таблица результатов измерения расстояния между магнитами:

№ п/п

Количество магнитов

Расстояние, мм

1

по 1

17

2

по 2

20

3

по 3

23

  1. Левитрон:

  1. М одель поезда на магнитной подушке:

Просмотров работы: 32