Magnetická levitace

Pro úspěšnou levitaci a ovládání všech 6 os (stupně volnosti; 3 translační a 3 rotační) kombinace permanentních magnetů a elektromagnetů nebo diamagnetů nebo supravodičů i atraktivních a odpudivých polí může být použito. Z Earnshawovy věty musí být k dispozici alespoň jedna stabilní osa, aby systém úspěšně levitoval, ale ostatní osy lze stabilizovat pomocí feromagnetismu.

Primárními osami používanými ve vlacích maglev jsou servo-stabilizované elektromagnetické odpružení (EMS), elektrodynamické zavěšení (EDS).

Mechanické omezení (pseudo-levitace) Upravit

S malým množstvím mechanického omezení pro stabilitu lze dosáhnout pseudo- levitace je relativně přímočarý proces.

Pokud jsou například dva magnety mechanicky omezeny podél jedné osy a jsou uspořádány tak, aby se navzájem silně odpuzovaly, bude to působit tak, že levituje jeden z magnetů nad sebou.

Další geometrie je tam, kde jsou magnety přitahovány, ale brání jim v dotyku s tahovým členem, jako je řetězec nebo kabel.

Anoth Příkladem je odstředivka typu Zippe, kde je válec zavěšen pod atraktivním magnetem a je stabilizován jehlovým ložiskem zespodu.

Další konfiguraci tvoří řada permanentních magnetů instalovaných ve feromagnetickém tvaru písmene U profilu a ve spojení s feromagnetickou kolejnicí. Magnetický tok protíná kolejnici ve směru příčném k první ose a vytváří uzavřenou smyčku na profilu ve tvaru písmene U. Tato konfigurace vytváří stabilní rovnováhu podél první osy, která udržuje kolejnici vystředěnou v bodě křížení toku (minimální magnetická neochota) a umožňuje magneticky nést zátěž. Na druhé ose je systém omezen a centrován mechanickými prostředky, například koly.

ServomechanismsEdit

Přitažlivost magnetu s pevnou silou klesá se zvětšenou vzdáleností a zvyšuje se na menší vzdálenosti. To je nestabilní. U stabilního systému je nutný opak, variace ze stabilní polohy by ji měly tlačit zpět do cílové polohy.

Stabilní magnetické levitace lze dosáhnout měřením polohy a rychlosti levitovaného objektu a pomocí zpětnovazební smyčky, která nepřetržitě upravuje jeden nebo více elektromagnetů tak, aby korigovaly pohyb objektu, čímž se vytváří servomechanismus.

Mnoho systémů používá magnetické přitažlivost táhnoucí nahoru proti gravitaci u těchto druhů systémů, protože to dává určité inherentní boční stabilita, ale některé používají k přitlačení nahoru kombinaci magnetické přitažlivosti a magnetického odpuzování.

Oba systémy představují příklady elektromagnetického zavěšení (EMS). Pro velmi jednoduchý příklad některé demonstrace stolní levitace používají tento princip, a objekt řeže paprsek světla nebo se k měření polohy objektu používá metoda snímače Hallova jevu. Elektromagnet je nad objektem, který je vznášen; elektromagnet se vypne, kdykoli objekt se příliš přiblíží a znovu se zapne, když spadne dále. Takový jednoduchý systém není příliš robustní; mnohem efektivnější systémy řízení existují, ale to ilustruje základní myšlenku.

Magnetické levitační vlaky EMS jsou založeny na tomto druhu levitace: Vlak se omotává kolem tratě a je zdola tažen nahoru. Ovládací prvky serva ji udržují bezpečně v konstantní vzdálenosti od dráhy.

Indukované proudyEdit

Tato schémata fungují kvůli odpuzování kvůli Lenzův zákon. Když je vodič vystaven časově proměnlivému magnetickému poli, jsou ve vodiči nastaveny elektrické proudy, které vytvářejí magnetické pole, které působí odpudivě.

Tyto druhy systémů obvykle vykazují inherentní stabilita, i když je někdy nutné zvláštní tlumení.

Relativní pohyb mezi vodiči a magnety Upravit

Pokud se člověk pohybuje základnou z velmi dobrého elektrického vodiče, jako je měď, hliník nebo stříbro, zavřít magnetu bude ve vodiči indukován (vířivý) proud, který bude bránit změnám v poli a vytvoří opačné pole, které magnet odpuzuje (Lenzův zákon). Při dostatečně vysoké rychlosti pohybu bude zavěšený magnet levitovat na kovu nebo naopak se zavěšeným kovem.Litzový drát vyrobený z drátu tenčího než je hloubka kůže pro frekvence viděné kovem funguje mnohem efektivněji než plné vodiče. K udržení něčeho vyrovnaného lze použít cívky z obrázku 8.

Obzvláště technologicky zajímavý případ toho nastane, když místo jednopólového permanentního magnetu použijeme Halbachovo pole, protože to téměř zdvojnásobuje intenzitu pole, což v Turn téměř zdvojnásobuje sílu vířivých proudů. Čistým efektem je více než trojnásobná síla zdvihu. Použití dvou protilehlých Halbachových polí pole ještě zvětšuje.

Halbachova pole se také dobře hodí pro magnetickou levitaci a stabilizaci gyroskopů a vřeten elektromotorů a generátorů.

Oscilační elektromagnetická pole Upravit / h4>

Hliníková fólie plovoucí nad indukční varnou deskou díky vířivým proudům v ní indukovaným.

Vodič lze vznášet nad elektromagnetem (nebo naopak) a protékat ním střídavý proud. To způsobí, že se každý běžný vodič chová jako diamagnet, kvůli vířivým proudům generovaným ve vodiči. Protože vířivé proudy vytvářejí svá vlastní pole, která jsou proti magnetickému poli, je vodivý objekt odpuzován od elektromagnetu a většina siločar magnetického pole již vodivým objektem nepronikne.

Tento efekt vyžaduje neferomagnetické, ale vysoce vodivé materiály, jako je hliník nebo měď, protože feromagnetické jsou také silně přitahovány k elektromagnetu (i když při vysokých frekvencích může být pole stále vyloučeno) a mají tendenci mít vyšší měrný odpor s nižšími vířivými proudy. Nejlepší výsledky opět dává litzový drát.

Efekt lze použít pro kaskadérské kousky, jako je levitace telefonního seznamu, skrytím hliníkové desky v něm.

Při vysokých frekvencích (několik desítky kilohertzů nebo tak) a kilowattové síly lze levitovat a tavit pomocí levitačního tavení malé množství kovů, aniž by hrozilo riziko kontaminace kovu kelímkem.

Jedním použitým zdrojem oscilačního magnetického pole je lineární indukční motor. To lze použít jak k levitaci, tak k zajištění pohonu.

Diamagneticky stabilizovaná levitaceEdit

Earnshawova věta neplatí pro diamagnety. Ty se chovají opačným způsobem než normální magnety kvůli jejich relativní propustnosti μr < 1 (tj. negativní magnetická susceptibilita). Diamagnetická levitace může být ze své podstaty stabilní.

Permanentní magnet lze stabilně zavěsit pomocí různých konfigurací silných permanentních magnetů a silných diamagnetů. Při použití supravodivých magnetů lze levitaci permanentního magnetu dokonce stabilizovat malým diamagnetismem vody v lidských prstech.

Diamagnetická levitaceEdit

Diamagnetismus je vlastnost objektu, který jej způsobuje vytvořit magnetické pole v opozici vůči externě aplikovanému magnetickému poli, což způsobí, že materiál bude magnetickými poli odpuzován. Diamagnetické materiály způsobují zakřivení čar magnetického toku od materiálu. Konkrétně vnější magnetické pole mění orbitální rychlost elektronů kolem jejich jader, a tím mění magnetický dipólový moment.

Podle Lenzova zákona je to proti vnějšímu poli. Diamagnety jsou materiály s magnetickou permeabilitou menší než μ0 (relativní permeabilita menší než 1). V důsledku toho je diamagnetismus forma magnetismu, která se projevuje látkou pouze v přítomnosti externě aplikovaného magnetického pole. U většiny materiálů je to obecně poměrně slabý účinek, i když supravodiče vykazují silný účinek.

Přímá diamagnetická levitaceEdit

Látka, která je diamagnetická, odpuzuje magnetické pole. Všechny materiály mají diamagnetické vlastnosti, ale účinek je velmi slabý a je obvykle překonán paramagnetickým nebo ferromem objektu gnetické vlastnosti, které působí opačným způsobem. Jakýkoli materiál, ve kterém je diamagnetická složka silnější, bude magnetem odpuzován.

Diamagnetická levitace může být použita k levitaci velmi lehkých kousků pyrolytického grafitu nebo vizmutu nad středně silným permanentním magnetem. Protože voda je převážně diamagnetická, byla tato technika používána k vznášení vodních kapiček a dokonce i živých zvířat, jako je kobylka, žába a myš.Požadovaná magnetická pole jsou však velmi vysoká, obvykle v rozmezí 16 teslas, a proto způsobují značné problémy, pokud jsou poblíž feromagnetické materiály. Provoz tohoto elektromagnetu použitého v experimentu levitace žáby vyžadoval výkon 4 MW (4000000 W). : 5

Minimální kritérium pro diamagnetickou levitaci je B d B dz = μ 0 ρ g χ {\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}, kde:

Za předpokladu ideálních podmínek ve směru z elektromagnetického magnetu:

SuperconductorsEdit

Supravodiče lze považovat za dokonalé diamagnety a úplně vylučují magnetická pole díky Meissnerovu jevu, když se původně vytvoří supravodivost; tedy supravodivou levitaci lze považovat za konkrétní případ diamagnetické levitace. V supravodiči typu II je levitace magnetu dále stabilizována v důsledku přichycení toku v supravodiči; to má tendenci zastavit pohyb supravodiče vzhledem k magnetickému poli, i když je levitovaný systém obrácen.

Tyto principy využívá EDS (Electrodynamic Suspension), supravodivá ložiska, setrvačníky atd.

K vznášení vlaku je zapotřebí velmi silné magnetické pole. Vlaky JR – Maglev mají supravodivé magnetické cívky, ale levitace JR – Maglev není způsobena Meissnerovým efektem.

Rotační stabilizaceEdit

Magnet nebo správně sestavené pole magnetů s toroidním polem lze stabilně levitovat proti gravitaci, když se gyroskopicky stabilizuje otáčením za sekundu toroidní pole vytvořené základním prstencem magnetu (magnetů). Funguje to však pouze tehdy, když je míra precese mezi horními a dolními kritickými prahovými hodnotami – oblast stability je poměrně úzká jak prostorově, tak v požadované míře precese.

První objev tohoto jevu byl Roy M. Harrigan, vynálezce ve Vermontu, který si v roce 1983 patentoval levitační zařízení na jeho základě. Na základě tohoto patentu bylo vyvinuto několik zařízení využívajících stabilizaci otáčení (například populární levitující hračka značky Levitron). Pro univerzitní výzkumné laboratoře byla vytvořena nekomerční zařízení, která obvykle používají příliš silné magnety pro bezpečnou veřejnou interakci.

Silné focusEdit

Earnshawova teorie striktně platí pouze pro statická pole. Střídavé magnetické pole, dokonce i čistě střídavé atraktivní pole, může vyvolat stabilitu a omezit trajektorii magnetickým polem, aby poskytlo levitační efekt.

Toto se používá v částice urychlovače k zadržování a zvedání nabitých částic a byl navržen také pro vlaky maglev.