VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электромагнитная левитация- все очень просто!
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Электромагнитная левитация – всё очень просто!
Введение
Легендарная история с гробом пророка Магомета, летающим, или, точнее, левитирующим, в магнитной пещере, будоражит умы ученых уже не один век. Впeрвые пoведал миру эту историю великий учёный Гильберт – основоположник теории магнетизма. На страницах своей книги «О магнитах…», 1600 года, он ссылается на человека по имени Маттиола, который «…приводит рассказ о часовне Магомета со сводом из магнитов и пишет, что это необычайное явление (железный сундук, висящий в воздухе) поражает толпу, как некое божественное чудо». Но сам Гильберт опровергает возможность данного явления. «Это нелепо, – пишет Гильберт, – так как более близкая магнитная сила является всегда более мощной. Вследствие того, что сила магнита ненамного поднимает железо от земли, оно должно непрерывно возбуждаться магнитом (если нет никаких преград) и приставать к нему», получается что он описывает невозможность устойчивой левитации в поле неуправляемых магнитов. Эту «сказку» о летающем гробе Магомета опроверг английский офицер Ричард Бартон. Переодевшись паломником, он с огромным трудом, избегая многих опасностей, проник в гробницу и лично убедился, что там нет летающих гробов.
Если задуматься, возможен ли подобный фокус? Ну уроках в школе, проводили интересный эксперимент. Привязанная к нитке иголка висела в воздухе под постоянным магнитом. Одна немецкая фирма, производящая электромагниты проводила подобную демонстрацию. По цепи к шару даже поднимается рабочий – и шар продолжает висеть (Приложение лист I, рис. 1). По сути дела, эти эксперименты очень значимы, поскольку актуальность явления высока. Данное явление используется в электромагнитных подвесах, уменьшающих силы трения, линейных генераторах, позволяющих при линейных колебаниях производить электроэнергию, скоростных поездах на магнитной подушке. Исходя из сказанного, можно выдвинуть предположение, что создать управляемое электромагнитное устройство, позволяющее левитировать возможно « Гробу пророка Магомета» и устойчиво управлять электромагнитным полем.
Цель и задачи работы.
Цель работы – экспериментальная проверка возможностей разработки устройства по созданию управляемого электромагнитного поля, позволяющего осуществлять электромагнитную устойчивую левитацию в воздухе, определённых объектов.
Цель работы предполагала решение следующих задач:
Изучение литературы и интернет – источников по вопросам электромагнитной левитации и понятиям электромагнитного поля.
Изучение и анализ возможностей существующих в настоящее время устройств, способных управлять электромагнитным полем.
Разработка управляемого электромагнитного генератора, позволяющего осуществить эксперименты с управляемым электромагнитным полем.
Экспериментальные исследования с разработанной конструкцией генератора, проверка реальных результатов его функциональных возможностей.
Отчёт об экспериментальной проверке и вывод о возможном применении устройства.
Магнитное поле и электрический ток.
В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл создал теорию электромагнитного поля, в которой он доказал, что всякое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению переменного электрического поля, а всякое изменения со временем электрического поля порождает переменное магнитное, эти порождающие друг друга переменные электрическое и магнитное поля образуют единое электромагнитное поле. Источником электромагнитного поля служат ускоренно движущиеся электрические заряды. Электрическое и магнитное поля возникают вокруг электрических зарядов. Вокруг зарядов, движущихся с постоянной скоростью (проводник с протекающим по нему постоянным током) создается постоянное магнитное поле. Согласно теории Максвелла, при изменении тем или иным образом магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника возникает вихревое электрическое поле, под действием которого свободные заряды, всегда имеющиеся в проводнике, приходят в направленное движение. Электрическое поле существует независимо от наличия проводника. Магнитное поле и электрический ток неразрывно связаны друг с другом. Направление, в котором устанавливается стрелка, внесенная в пространство, окружающее проводник с током, принимают за направление - магнитного поля. (Положительное направление указывается северным концом стрелки). Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми (индукционными) линиями, (Приложение лист I – II, рис. 2 - 4). Магнитные силовые линии всегда являются замкнутыми. Направление магнитного поля зависит от направления тока. Эта зависимость выражается правилом буравчика. Если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока, то направление вращения его рукоятки укажет направление магнитных линий (Приложение лист I, рис. 3). Внесение стального сердечника в катушку, по которой проходит ток, вызывает его намагничивание и значительное увеличение (в сотни раз) как магнитного потока, так и индукции магнитного поля. Намагничивание магнитных материалов объясняется тем, что электроны, входящие в состав атомов, вращаясь по орбитам, создают магнитные поля. Группы кристаллов, из которых состоят магнитные материалы, оказываются намагниченными (области самопроизвольного намагничивания). Внесение размагниченного металла (в котором области самопроизвольного намагничивания компенсируют друг друга) в поле катушки с током вызовет изменение направления полей отдельных областей. Когда магнитные поля всех областей совпадут с направлением поля катушки, то дальнейшее увеличение поля за счет молекулярных магнитных полей прекратится и наступит магнитное насыщение материала. Если в точке поля при отсутствии сердечника магнитная индукция была равна: Во=μоН, а после внесения стали: В = μН, то отношение:
В/В0 = μН/μ0Н = μ/μ0 = μr
где μr- относительная магнитная проницаемость.
Кривая начального намагничивания стали показывает зависимость между магнитной индукцией и направленностью поля, (Приложение лист II, рис.5). Из графика видно, что μ, не является постоянной величиной. Сначала с увеличением напряженности поля индукция растет быстро, затем рост замедляется и. наконец, μ остается почти постоянной. Доводя намагничивание до +Вт (Приложение лист II, рис.6) начнем уменьшать напряженность тока, при этом будет уменьшаться и индукция, но при одних и тех же напряженностях тока магнитная индукция будет теперь несколько больше. Это явление называется остаточной индукцией (отставание, запаздывание магнитной индукции называется гистерезисом). Изменяя направление намагничивающего тока, можно довести напряженность поля до значения - Вт и, уменьшая поле, довести до значения остаточной индукции. В результате графически получается замкнутая кривая, которая называется петлей гистерезиса. Подобные процессы происходят при генерировании электрических импульсов в катушке со стальным сердечником.
Возможна ли левитация в поле постоянного магнита?
Постоянные магниты – это тела, длительное время сохраняющие свойство намагниченности (способность притягивать тела из железа и его сплавов). Постоянные магниты всегда имеют два магнитных полюса. Обычно их называют, северным (N), и южным (S). Полюса обладают наибольшей намагниченностью. Сила постоянного магнита (способность притягивать тела) очень сильно зависит от материала изготовления магнита. Наибольшей магнитной силой обладают неодимовые магниты. Неодимовый магнит – это сплав трёх элементов - неодима (Nd), железа (Fe) и бора (B). Очень сильными, с точки зрения притяжения, являются железные магниты, и магниты, изготовленные из сплавов железа. Более слабыми, являются магниты, из никеля и кобальта. Постоянные магниты взаимодействуют друг с другом разноимёнными полюсами. Взаимодействие магнитов объясняется тем, что любой магнит имеет магнитное поле, и эти магнитные поля взаимодействуют между собой. Рисунок, показывающий форму магнитного поля плоского и дугообразного постоянных магнитов, приведён в приложении (лист II, рис. 7). Одноимённые полюса постоянных магнитов отталкиваются и это явление, вроде бы, позволяет заставить один магнит повиснуть в воздухе относительно другого. На самом деле эта попытка будет неуспешной, поскольку магнит, находящийся в воздухе, тут же перевернётся или откинется в сторону (Приложение лист III, рис. 8). Впрочем, если соблюдать некоторые условия, левитация на постоянных магнитах возможна (Приложение лист III, рис. 9), но эти условия отвергают свободную левитацию. Почему же свободная левитация с постоянными магнитами невозможна? Ответ простой – магнитное поле постоянных магнитов неуправляемое, а для свободной левитации необходимо управляемое электромагнитное поле, способное компенсировать малейшие отклонения магнитных взаимодействий.
Электромагнит – управляемое электромагнитное поле.
По своей сути электромагнит – это простая катушка провода, подключенная к источнику тока. Если на катушку с проводом подать электрический ток, создаваемое в ней электромагнитное поле превратит её в подобие постоянного магнита. Плотность магнитного потока пропорциональна величине электрического тока, протекающего в катушке. Полярность электромагнита определяется направлением тока. Если присоединить концы катушки к источнику переменного тока, получится магнит с переменным магнитным полем. Для усиления свойств электромагнита в катушку вставляют способный намагничиваться сердечник. Металлический сердечник внутри катушки делает магнитное поле сильнее, так как он сам становится магнитом при включенном токе. Таким образом, важнейшими чертами электромагнита являются способность контролировать силу магнитного поля, полярность и форму магнитного поля. Сила магнитного поля контролируется величиной электрического тока, протекающего через катушку. Полярность магнитного поля определяется направлением протекающего тока. Форма магнитного поля определяется формой металлического сердечника, вокруг которого провод намотан. Таким образом, можно подвести итог. Раз электромагнитное поле управляемое, то создаётся условие возможной свободной левитации. Сваливание и перевёртывание магнита висящего в воздухе (одноимённым полюсом) можно предотвратить мгновенным изменением электромагнитного поля.
Необходимым условием является наличие, каких либо датчиков, способных контролировать поведение вывешенного магнита или магнитопроницаемого тела.
Электромагнит – левитатор.
Важнейшим условием разрабатываемой конструкции, является электромагнит, на который подаётся генерируемый сигнал (постоянный ток), способный изменять силу электромагнитного поля в зависимости от положения левитирующего предмета, контролировать положение предмета можно например, с помощью оптических датчиков, которые в свою очередь, будут управлять генерируемым сигналом. Простейшая схема управления электромагнитом, представлена в приложении (лист III, рис. 10). В схеме управления используется операционный усилитель (ОУ) 1458 или 4558 и мощный MOSFET - транзистор с теплоотводом. Опорное напряжение снимается с делителя R3-R4 и подается на не инвертирующий вход 3 операционного усилителя. Контролируемое напряжение подается с делителя R2-VD2 на вход 2 операционного усилителя. Даже при незначительных изменениях напряжения на R2-VD2 появляется сигнал рассогласования, который многократно, усиливается и изменяет напряжение на транзисторе VT1. Электромагнит изготовили из магнитной системы старого реле. Катушка содержит 1200 витков провода диаметром 0,4 мм. Железный сердечник имеет диаметр 10 мм. Параметры светодиодов подстраиваются резистором R1. Устойчивость работы левитатора определяет постоянная времени контура, которая подбирается номиналом конденсатора С1 (4,7 – 1,0 мкф.). Конструкция простейшего левитатора с управляемым электромагнитом, представлена в приложении (лист IV, рис. 11). Более сложная конструкция электромагнитного левитатора, рассмотрена в патентной разработке [http://www.freepatentsonline.com/20070170798.pdf] (Приложение лист IV, рис 12).В интернете, удалось найти несколько видеофрагментов работы, изготовленных на основе патентной разработки, конструкций левитаторов (Приложение лист V, рис 13). По сути, схема управления повторяет предыдущую схему, но управление осуществляется тремя парами катушек. Контролирующий, положение предмета в пространстве, элемент также изготовлен на основе оптопары. Оптопара, конструкционно не очень удобный элемент для разработки конструкции левитатора, поскольку требует определённого размещения в пространстве. Более удобным, в этом случае, является датчик Холла (элемент -способный определять магнитные воздействия). Датчик Холла - магнитоэлектрическое устройство, получившее своё название от фамилии физика Холла, открывшего принцип, на основе которого впоследствии и был создан этот датчик. Это датчик магнитного поля. Холл заметил, что если в магнитное поле поместить пластину под напряжением, то есть с протекающим по ней током, то электроны в этой пластине отклонятся перпендикулярно направлению магнитного потока. Направление такого отклонения зависит от полярности магнитного поля. Явление названо – эффектом Холла (Приложение лист V, рис. 14). Таким образом, плотность электронов на разных сторонах пластины будет отличаться, что создаст и разность потенциалов. Вот эту разность и улавливают датчики Холла. Различают аналоговые и цифровые датчики Холла. Цифровые датчики определяют наличие, либо же отсутствие поля. То есть, если индукция достигает определённого порога - датчик выдаёт присутствие поля в виде логической единицы, если порог не достигнут - датчик выдаёт логический ноль. Минус такого датчика – наличие зоны нечувствительности между порогами. Аналоговые датчики Холла – преобразуют индукцию поля в напряжение, величина показанная датчиком зависит от полярности поля и его силы. Но опять же, нужно учитывать расстояние, на котором установлен датчик. В нашем случае, необходимо контролировать силу магнитного поля, и для этого полностью подходит алгоритм действия аналоговых датчиков Холла. За основу катушек левитатора (плоских) были взяты катушки от старого двигателя видеомагнитофона (Приложение лист VI, рис. 15). Катушки аккуратно были демонтированы с платы и размещены на новом основании. В центре катушек были просверлены отверстия и вмонтированы сердечники с дополнительной обмоткой. По краям плоских катушек закрепили, с обоих сторон платы, неодимовые магниты. Их роль, создавать основное магнитное поле устройства, электромагниты в свою очередь создают управляемое электромагнитное поле. Конструкция узлов и их расположение на плате, показаны в приложении (лист VI – VII, рис. 16 – 17). Схема управления состоит из нескольких функциональных блоков:
Блок питания устройства. В состав этого блока входит аккумулятор (3,7 В), фильтр и схема заряда аккумулятора. Включение питания устройства осуществляется герконом, расположенным на плате управления. При опускании магнита, прикреплённого к левитирующему предмету, происходит срабатывание геркона, и начинают работать электромагниты;
Блок контроля заряда аккумулятора. Собран блок, на одном из элементов операционного усилителя. Блок контролирует заряд и разряд аккумулятора;
Блок управления электромагнитами. Три элемента блока построены на операционных усилителях (по схеме сравнения сигналов на неинвертируемом и инвертируемом входах). Управляющим элементом являются датчики Холла, которые в результате приближения магнита или изменения положения его в пространстве, выдают сигнал на неинвертируемый вход операционного усилителя. Сигнал сравнивается с опорным напряжением и усиленный усилителем управляет силовыми ключами.
Блок силовых ключей. Роль блока – управлять катушками электромагнита, в зависимости от поданного операционным усилителем сигнала. В качестве силовых ключей используются N – канальные полевые транзисторы IRF (Приложение лист VIII, рис. 18). Каждая пара электромагнитов управляется двумя ключами с общим затвором и стоком.
Принципиальная схема блока управления электромагнитами, приведена в приложении (лист VIII, рис. 19). Фотографии, изготовленного левитатора, приведены в приложении (лист IX, рис. 20 – 21).
Исследование функциональных характеристик левитатора.
Устойчивость левитации объекта определяет взаимное положение датчиков Холла. Они должны быть разнесены на как можно большее расстояние друг от друга и находится в одной плоскости. При правильной регулировке датчиков (при питании батареей 3,7 В) максимальный потребляемый ток не должен превышать 100-120 mA. Смещение объекта по горизонтали, в какую либо сторону, вызывает определённое усилие. Расстояние левитирующего объекта от электромагнитов, определяется положением датчиков и составляет 25-40 мм. Нами проводились эксперименты по увеличению расстояния свободной левитации. С этой целью, геркон исключался из цепи питания и повышалось напряжение питания до 5 – 9В. При этом объект поднимался на высоту до 45 – 55 мм., но мгновенно отлетал в сторону. Мы объясняем данное явление тем, что исчезает управляемое электромагнитное поле. Датчики Холла на таком расстоянии уже не способны контролировать величину магнитного взаимодействия, и наступает эффект «сваливания» магнита в обычном постоянном магнитном поле. Таким образом, в нашей конструкции, максимальная высота устойчивой левитации составляет 45 мм. При изучении эффекта свободной левитации выяснилась одна интересная особенность. Объект способен к самопроизвольному раскручиванию против часовой стрелки. Частота вращения составляет 50-60 оборотов в минуту, причём зависит от напряжения питания. При 5 В частота вращения повышается до 100 оборотов в минуту. Мы объясняем это явление определёнными силовыми взаимодействиями в магнитном поле катушек и скорее всего с магнитной индукцией и её векторным направлением. Некоторые наши наблюдения проанализированы и представлены в приложении (лист X, рис. 22 – 23).
Выводы.
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
Изучены основные понятия теории магнитного и электромагнитного поля, особенности протекания электрического тока в прямолинейном проводнике и катушке, принцип действия электромагнита;
Определены возможные условия левитации ферромагнитных предметов в постоянном магнитном поле и определено положение о невозможности свободной левитации в магнитном поле постоянного магнита;
Определены и изучены возможности управления электромагнитным полем;
Изготовлены устройства, позволяющие осуществлять свободную левитацию в управляемом магнитном поле, и экспериментами доказана сама возможность этого явления;
Проведены экспериментальные исследования, позволившие определить функциональные возможности, изготовленного устройства, и его эффективность.
Список использованной литературы и интернет – источников.
1. Жангисина Г.Д., и др. Постоянные магниты и постоянные магнитные поля. Успехи современного естествознания.- 2015.-№1-8. - С. 1355-137.
2. Зильберман Г.Е., Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 1970.
3. Савельев И.В. , Курс общей физики. Т.2. – М.: Наука, 1977.
4. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф., Курс физики. Электричество.-М.: Просвещение, 1970.
5. http://www.matri-x.ru/energy/mobile3.shtml, - Виктор Чеботарёв, Тайны постоянного магнита, 2009.
6. http://class-fizika.narod.ru/9_34.htm, -Электромагнитное поле.
7.https://interneturok.ru/physics/11-klass/belektromagnitnaya-indukciyab/elektromagnitnoe-pole-teoriya-maksvella, - Электромагнитное поле, теория Максвела.
8. http://www.valtar.ru/Magnets4/mag_4_43.htm, Электромагниты, управление электромагнитом.
9. http://electrik.info/main/fakty/1259-magnitnaya-levitaciya.html, Магнитная левитация - что это такое и как это возможно.
10. http://radiopolyus.ru/neobychnye-sxemy/320-ustrojstvo-elektromagnitnoj-levitaczii, Электромагнитная левитация.
11. http://digitrode.ru/newtech/451-ochen-prostaya-shema-ustroystva-magnitnoy-levitacii.html, Электромагнитная левитация своими руками.
12. http://mozgochiny.ru/electronics-2/samodelnyiy-levitron/, Самодельный левитрон.
13. http://radiokot.ru/circuit/analog/games/26/, Левитатор на электромагнитах.
П риложение
Рис. 1 Демонстрация подъёмной силы электромагнита.
Рис. 2. Магнитное поле прямолинейного проводника с током
Рис. 3. Направление магнитного поля прямолинейного проводника с током и кольцевого проводника.
Рис. 4.Магнитное поле катушки.
Рис. 5.Кривая начального намагничивания стали.
Рис. 6. Петля гистерезиса.
Рис. 7. Магнитное поле плоского и дугообразного постоянных магнитов.
Р ис. 8. Поведение магнита (направление полюсов одноимённое) в воздухе.
Рис. 9. Возможные случаи левитации на постоянных магнитах (условия – опора или замкнутое пространство, не позволяющее магниту перевернуться, гироскопический эффект).
Рис. 10 Схема оптического управления электромагнитом.
Рис. 11 Конструкция простейшего левитатора с управляемым электромагнитом.
Рис. 12 Патентная разработка электромагнитного левитатора (http://www.freepatentsonline.com/20070170798.pdf).
Рис. 13 Конструкции электромагнитных левитаторов на основе представленной патентной разработки (http://www.youtube.com/user/nick500453/videos).
Рис. 14 Датчик Холла и принцип его
работы.
Рис. 15 Плоские катушки левитатора.
Рис. 16 Конструкция силовых катушек электромагнитов.
Рис. 17 Расположение катушек электромагнитов на плате управления.
Рис. 18 N- канальный полевой транзистор с защитным диодом Шотке (IRF).
Рис. 19 Принципиальная схема блока управления левитатора.
Рис. 20 Фотографии устройства
Рис. 21 Фотографии устройства
Рис. 22 Графическая зависимость высоты подъёма левитирующего объекта от напряжения
питания установки.
Рис. 23 Графическая зависимость частоты вращения левитирующего объекта от напряжения питания установки.