磁悬浮的原理及制作

39度创意研究所 2018-09-14 11:10 次阅读

磁悬浮想法由来已久,就是用磁力克服重力让物体悬空,但真正做起来并不容易,主要原因是没有稳定的平衡点。要达到悬浮,必须是稳定的悬浮。也就是说,用一个力(或位移)在任何方向上(上下左右前后等)来(小)扰动被悬浮物,都会有一个恢复力,使得外力撤消后重新恢复平衡。

我见过的磁悬浮可以分成有源的和无源的两大类,前者比如反馈式的,用光电、磁电等手段检测到被悬浮物体偏离正常悬浮点后,通过调节电磁铁的电流来使得物体保持在悬浮点附近,因此需要用电。这样的悬浮从道理上看,与开直升飞机悬停没什么区别。

磁悬浮的原理及制作

无源悬浮又分为超导悬浮和普通磁悬浮两类,前者是靠超导体的完全抗磁性来达到的,超导体和磁体之间就像安装了弹簧一样。简单说就是任何磁铁在超导体附近的移动都会在超导体表面产生电流,而这个感生电流所产生的磁场阻碍磁铁的运动,因此磁铁就与超导体相对静止。

普通磁悬浮又可分成两类,排斥悬浮和吸引悬浮。排斥悬浮有成品可买到,就是所谓的陀螺悬浮。其原理是用五块大磁铁(比如四角四块N极向上、中间一块S极向上)在悬浮空间上方产生一个磁场谷(对N极向下的悬浮磁铁周围排斥力强但中间弱),那么只要被悬浮磁铁的极性得到保持,就可以成功悬浮。但处于自由状态的磁铁会上下反转,把排斥力变成吸引力,结果悬浮就失败。解决这一问题的办法就是把悬浮磁铁做成陀螺,保证在运转期间极性不反转,这样才能悬浮起来。这个“玩具”我很早也买过,悬浮需要技巧,陀螺的重量要通过垫片调整到误差在0.1g之内才能悬浮,而且要求底座很平。

磁悬浮的原理及制作

以上悬浮要么需要能量,要么需要不会持久保持的条件(超导的低温、陀螺的旋转),因此都不是永久悬浮方案。

最后一种,就是吸引悬浮。但吸引悬浮中,两块磁铁的吸引力基本上是与距离的平方成反比的,尽管吸力与重力有一个平衡点,但为非稳定平衡。

为了解决这一问题,需要用反磁性物质制造一个局部的稳定空间。

我先给出我的试验过程和结果,过一会儿再讲具体原理,并给出另一个制作实例。

1、花90元买来500克分析纯的铋粒。实际上用不了这么多,也用不着这么纯,但只有这个可买。

磁悬浮的原理及制作

2、用不锈钢勺子在煤气灶上熔化铋(铋的熔点不算高,500多度C),用易拉罐的底做模具,做了两块铋锭。

3、相对钻上6个小孔,用三根适当长度的铜丝把两块铋锭架起来,中间留有空隙。把稀土磁铁放到中间。

4、在上面适当位置放上大磁铁,结果小磁铁悬浮了起来。

这个悬浮自然是稳定的,前后左右偏离达10mm,仍然可以复原。上下位置,由于有金属的限位自然跑不掉,但会自动居中。

工作原理

所谓(正)磁性,就是类似铁这样的物质,会被磁铁的N极或S极所吸引,而且基本上力的大小与距离的平方成反比。

所谓反磁性/逆磁性,会被磁铁排斥,或者说无论磁铁的N极或S极接近反磁性物质,都会产生排斥力,而且力的大小也基本上与距离的平方成反比。

铋是具备最强的反磁性的金属。当然,这个反磁性的大小还是比较弱的,甚至正常情况下很难观察到。我刚才用电子分析天平测量了一下,某稀土小磁铁在距离铋块0.5mm的位置上,排斥力只有0.05克力。而同样的磁铁距离铁块0.5mm的场合下有500g的吸引力,因此铋的反磁性的大小只有铁的正磁性的万分之一,因此这个装置也需要精心的设计和调整才能达到悬浮。

首先,磁铁的重力是靠上面的一块上下极性相反的大磁铁来平衡的。

其次,由于这个磁铁选的比较大,因此可以在距离比较远的情况下,其吸引力就可以与小磁铁的重力相等(平衡点)。而由于距离比较远,因此可以在小磁铁周围一个小范围内建立比较均匀的磁场,也就是说,当小磁铁上下少量移动时,吸引力的变化不至于过大。

第三,由于两块铋板的引入,使得小磁铁在靠近铋的时候排斥力很快增大,无论是向上靠近还是向下靠近(因为排斥力也基本上与距离的平方成反比),而这种排斥力随距离的变化大于上下磁铁之间吸引力的变化。因此,中间就成为一个稳定的平衡点。也可以这样来理解:由于铋的反磁性,如果在失重状态下把磁铁装到用铋做的空心盒里,那么磁铁将保持在中心。

最后,当小磁铁在水平方向上偏离中心位置后,由于上边磁铁吸引力的“悬挂”效应(类似单摆),会产生一个水平的向心分力,使得小磁体复原。这也是吸引悬浮的优势所在。

制作又一例

以上是一个初步的模型,后来我又就地取材,找了一段塑料水管,做了两只方便使用的成品。

主体结构采用外径20.5mm的塑料管,内径16mm,整个高度100mm(到底多高应先把材料凑齐,做试验确定),大磁铁一定要稀土的,我选的是直径15mm、高度20mm,有条件用更大的,或者用多个串联,塑料管也可以用大一号的,则铋锭间隙可以做得更大。用一个4mm的铁螺丝拧在焊了螺母的电路上盖板上(也可以在电路板上直接套丝)以便通过旋转来调节大磁铁的高度。铋锭的厚度大约3mm-4mm,不必太厚,是拆了一个小电解容器的铝壳做模子做的。由于铋凝固时膨胀,因此不容易取下,所以模子不能重复使用,可以拆两个电容同时铸造。模子的高度只取底部3mm高即可,太高了浇铸铋时不容易判断高度。安装前先在塑料管的适当位置开一个窗口(缝隙高度为5mm,大约占圆周的2/3),电路板和铋是靠热熔胶粘上去的。

制作初步完成后,最后的调整还是需要耐心的。最主要是两块铋的间距的调整。间距大一些效果好,但太大了则小磁体不是浮在上边就是沉底,此时就要减少间距,我的间距是3.5mm。如果热熔化胶已经凝固,可以用烙铁加热铋锭(不要太热)后就可以移动。大磁铁的上下调整倒是比较方便,直接调节螺丝就可以。小磁铁也要选稀土的,大小不限,都可以悬浮,但最好是1.5mm厚度左右的。

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