Электромагнитная левитация. Создание действующей модели устройства «Левитрон»

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

Личный портфель

Электромагнитная левитация. Создание действующей модели устройства «Левитрон»

Швец Н.А. 1
1МАОУ «Лицей №4» г. Перми
Сергеева Н.М. 1
1МАОУ «Лицей №4» г. Перми
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Однажды во время просмотра телевизионной передачи, я узнал о том, что существует такое явление – левитация, при котором предмет без какой-либо опоры может парить в воздухе.

Меня очень заинтересовало это явление, и я решил разобраться в том, как возникает левитация, какие виды левитации существуют и где она применяется.

Чтобы понять, как возникает левитация и наглядно продемонстрировать это явление я принял решение в домашних условиях создать модель прибора, который сможет удерживать предмет в воздухе без какой-либо опоры.

Цель работы:

  • Создать работоспособную модель левитрона.

Задачи:

  • изучить теоретический материал;

  • узнать, что такое левитация и какие ее виды существуют;

  • узнать, что такое левитрон;

  • изучить принцип работы левитрона;

  • получить ответ на вопрос – возможно ли своими руками в домашних условиях создать действующую модель левитрона?

  • проанализировать полученные результаты.

Глава 1. Левитация

Левита́ция (от лат. levitas – «лёгкость, легковесность») – преодоление гравитации, при котором субъект или объект пари́т в пространстве (левитирует), не касаясь поверхности твёрдой или жидкой опоры. [1].

Виды левитации

Аэродинамическая левитация: основана на использовании подъёмной силы воздушного потока в пограничном слое. Применяется в авиации и других летательных аппаратах. Принцип действия заключается в создании подъёмной силы, превышающей силу тяжести.

Акустическая левитация: использует стоячие волны для удержания объектов. Звуковые волны создают зоны давления, которые могут удерживать мелкие частицы и микрообъекты в воздухе.

Оптическая левитация: основана на световом давлении. Лазерный луч создаёт давление, способное удерживать микрочастицы в воздухе. Технология применяется в микроскопии и нанотехнологиях.

Электростатическая левитация: использует электростатическое отталкивание между одноимёнными зарядами. Заряженные частицы отталкиваются друг от друга, что позволяет удерживать их в воздухе. Применяется для сортировки и обработки материалов.

Магнитная (электромагнитная) левитация: использует магнитное поле для удержания объектов. Пример — поезда на магнитной подушке.

Каждый вид левитации имеет свои особенности и области применения, что делает их важными инструментами в современной науке и технике. [2]

Электромагнитная левитация

Рассмотрим более подробно явление электромагнитной левитации. Электромагнитной она называется потому, что магнитное поле, удерживающее левитирующий предмет, создается электрическим током при помощи электромагнита.

Некоторые примеры практического применения электромагнитной левитации:

Высокоскоростной транспорт (маглевы). Поезда на магнитной подушке развивают скорости свыше 600 км/ч, поскольку у них отсутствует трение о рельсы. Примеры: Шанхайский Транрапид (Китай), SC Maglev (Япония).

Бесконтактные подшипники. Использование магнитной левитации в подшипниках позволяет создавать механизмы без трения и износа. Это критически важно для вакуумных камер, где нельзя использовать смазку, высокооборотистых турбин и маховиков, оборудования для чистых помещений в микроэлектронике и фармацевтике.

Бытовые устройства. Например, магнитные левитационные вентиляторы, док-станции для смартфонов, где устройство парит в воздухе, акустические системы. [3]

Левитрон

С целью визуального наблюдения и демонстрации явления электромагнитной левитации я принял решение изготовить действующую модель устройства «Левитрон».

Левитрон - устройство, которое демонстрирует магнитную левитацию - явление, при котором предмет «парит» в воздухе без видимой опоры.

Первый патент на левитрон был выдан в мае 1983 года американскому изобретателю Рою Хэрригену. [3]

Схематически простейший левитрон можно представить в виде рисунка №1.

Рисунок №1. Схема левитрона

Работу данного устройства можно описать следующим образом:

  1. При приближении левитирующего предмета - постоянного магнита (далее магнит) к датчику положения, датчик фиксирует изменение магнитного поля и подает соответствующий сигнал в систему управления;

  2. Система управления при поступлении соответствующего сигнала от датчика подает электрический ток на электромагнит (катушку) от источника питания;

  3. Электромагнит включается и притягивает к себе магнит;

  4. При приближении магнита ближе к датчику, закрепленному на катушке, датчик снова передает сигнал в систему управления;

  5. Система управления отключает электромагнит, и он под действием силы тяжести опускается вниз.

При работе левитрона вышеописанные процессы непрерывно циклично повторяются, в результате чего достигается эффект электромагнитной левитации.

Глава 2. Создание действующей модели устройства «Левитрон»

На интернет-форуме, посвященному радиоэлектронике [4], я нашел электрическую схему простейшего левитрона, которая подходит для создания действующей модели (рис. 2).

Рисунок №2. Электрическая схема левитрона

Принцип работы данной схемы основан на согласованной работе транзистора и датчика Холла:

  1. без воздействия на датчик Холла магнитного поля от постоянного магнита транзистор подает электрический ток от источника питания на катушку;

  2. при поднесении к катушке постоянного магнита она начинает притягивать его;

  3. при обнаружении датчиком Холла магнитного поля от постоянного магнита датчик дает электрический импульс на управление транзистором;

  4. транзистор, получив импульс, размыкает электрическую цепь между катушкой и источником питания;

  5. катушка при отключении тока от источника питания перестает притягивать магнит;

  6. под действием силы тяжести постоянный магнит начинает падать вниз;

  7. датчик Холла фиксирует изменение магнитного поля и транзистор снова подает электрический ток на катушку, которая начинает притягивать магнит.

Благодаря циклическому повторению процессов, описанных выше, достигается эффект левитации – постоянный магнит парит в воздухе под воздействием переменного магнитного поля, которое создает катушка.

Процесс создания левитрона условно можно разделить на 5 основных этапов:

  1. Изготовление катушки (электромагнита);

  2. Сборка электрической схемы;

  3. Изготовление каркаса устройства;

  4. Сборка устройства;

  5. Испытание готового устройства.

  1. Изготовление катушки (электромагнита)

При помощи картона и термоклея я изготовил каркас катушки. Для этого я вырезал из картона 2 диска (диаметр диска 50 мм) и приклеил их к торцам пластиковой трубки (диаметр трубки 20 мм, длина трубки 30 мм).

На каркас катушки я намотал 570 витков медного лакированного провода (диаметр провода 0,3 мм). Далее я зачистил от лака концы обмотки и выполнил измерения сопротивления катушки мультиметром, сопротивление составило 6 Ом. Данный показатель сопротивления означает, что катушка намотана верно [4]. Выводы катушки я надежно закрепил на ее корпусе.

  1. Сборка электрической схемы

Сборку электрической схемы я выполнил в строгом соответствии с рис.2.

Для этого мне понадобились следующие радиодетали (рис.3):

1. Транзистор irfz44n – 1шт;

2. Датчик холла A3144 – 1шт;

3. Резистор 1 кОм – 1шт;

4. Резистор 330 Ом – 1шт;

5. Диод her207 – 1шт;

6. Светодиод – 1шт;

7. Источник питания напряжением 5 В – 1шт.

Рисунок №3. Радиодетали

В качестве источника питания напряжением 5 В я использовал зарядное устройство для мобильного телефона (USB). Так как количество радиодеталей было небольшим, сбору схемы я выполнил при помощи пайки методом навесного монтажа (рис.4).

Рисунок №4. Процесс сборки схемы

  1. Изготовление каркаса устройства

За основу каркаса левитрона я взял деревянную платформу размером 145 мм на 155 мм, которую выпилил лобзиком из обрезков листа фанеры (толщина листа 12 мм).

Опорный кронштейн левитрона я изготовил из пластиковой канцелярской линейки длиной 40 см. Для этого я при помощи газовой горелки разогрел линейку в 2-х местах и согнул ее под углом 90° в виде буквы С.

Получившийся элемент опорного кронштейна оказался неустойчивым – линейка сгибалась в вертикальной его части. Для того, чтобы увеличить устойчивость я при помощи термоклея дополнительно прикрепил к вертикальному участку опорного кронштейна еще одну прочную линейку. В результате необходимая жесткость и прочность была достигнута.

Изготовление каркаса я завершил соединением основы и опорного кронштейна при помощи саморезов и шуруповерта (рис.5).

Рисунок №6. Процесс изготовления каркаса

  1. Сборка устройства

Для того чтобы выполнить сборку устройства я при помощи термоклея закрепил катушку на верхней части опорного кронштейна, таким образом, чтобы противоположная часть катушки была направлена в сторону основания. Также при помощи термоклея я закрепил на верхней части опорного кронштейна собранную электрическую схему. Провод, подводящий питание я надежно зафиксировал на основании устройства. Датчик Холла я закрепил в центре нижней части катушки. Сборку я завершил пайкой выводов катушки к электрической схеме (рис.5).

Рисунок №6. Готовая модель левитрона

  1. Испытание готового устройства

После окончания сборки я приступил к испытанию готового устройства. Для этого я включил в сеть источник питания и увидел, что светодиод засветился. Это означало, что на катушку подается электрический ток, при этом постоянный магнит находился далеко от датчика Холла. Когда я поднес магнит (придерживая его пальцами) к датчику Холла, светодиод погас. Это означало, что на катушку не подается электрический ток.

Затем расположив свободно на ладони магнит, я поднес его к датчику Холла, и увидел, что магнит начал парить в воздухе. Через 10 секунд парящий магнит начал вибрировать, перевернулся и упал. С целью стабилизации положения магнита в пространстве, я прикрепил к его нижней части небольшую бумажку, потом снова поднес магнит к датчику Холла.

В результате я наблюдал устойчивую левитацию постоянного магнита – он парил в воздухе под воздействием магнитного поля, создаваемого катушкой. Модель устройства «Левитрон» оказалась работоспособной.

Заключение

При выполнении данной работы я узнал, что такое левитация, ознакомился с ее видами и сферами применения.

Также я подробно изучил принцип электромагнитной левитации и устройства «Левитрон», и мне удалось своими руками в домашних условиях создать действующую модель этого удивительного прибора.

При выполнении данной работы я приобрел ценный опыт по чтению электрических схем, работе с паяльником, наглядно ознакомился с процессом сборки и испытания действующей модели левитрона.

Задачи, поставленные данной работой, выполнены, цель достигнута.

Список литературы

  1. Википедия – общедоступная многоязычная универсальная интернет-энциклопедия:

https://ru.wikipedia.org;

  1. Концепция антигравитации (Николай Кириленко): https://proza.ru/2022/05/16/241?ysclid=mlqex0tkas158597925;

  2. Магнитная левитация: принцип работы, виды и применение технологии:

https://magnets.ru/article/magnitnaia-levitaciia-parit-nad-zemlei-ne-narusaia-zakonov-fiziki;

  1. Магнитный левитатор для начинающих: https://radioskot.ru/publ/nachinajushhim1/magnitnyj-levitator-dlya-nachinayushhih?ysclid=mlqhmvon96335808107.

Просмотров работы: 7