For en vellykket levitation og kontrol af alle 6 akser (frihedsgrader; 3 translationel og 3 rotation) en kombination af permanente magneter og elektromagneter eller diamagneter eller superledere samt attraktive og frastødende felter Kan bruges. Fra Earnshaw s sætning skal mindst en stabil akse være til stede for at systemet kan svæve med succes, men de andre akser kan stabiliseres ved hjælp af ferromagnetisme.
De primære, der anvendes i maglev-tog, er servostabiliseret elektromagnetisk suspension (EMS), elektrodynamisk suspension (EDS).
Et eksempel på magnetisk pseudo-levitation med en mekanisk understøtning (træstang) giver stabilitet.
Mekanisk begrænsning (pseudo-levitation) Rediger
Med en lille mængde mekanisk begrænsning for stabilitet, der opnår pseudo- levitation er en relativt ligetil proces.
Hvis to magneter for eksempel er mekanisk begrænset langs en enkelt akse og arrangeret til at afvise hinanden kraftigt, vil dette virke for at løfte en af magneterne over den anden.
En anden geometri er, hvor magneterne tiltrækkes, men forhindres i at røre ved et trækelement, såsom en streng eller et kabel.
Anoth Eksempel er centrifuge af Zippe-typen, hvor en cylinder er ophængt under en attraktiv magnet og stabiliseret af en nåleleje nedenfra.
En anden konfiguration består af en række permanente magneter installeret i en ferromagnetisk U-formet profil og kombineret med en ferromagnetisk skinne. Den magnetiske flux krydser skinnen i en retning på tværs af den første akse og skaber en lukket sløjfe på den U-formede profil. Denne konfiguration genererer en stabil ligevægt langs den første akse, der opretholder skinnen centreret på fluxovergangspunktet (minimal magnetisk reluktans) og gør det muligt at bære en belastning magnetisk. På den anden akse er systemet begrænset og centreret ved hjælp af mekaniske midler, såsom hjul.
ServomekanismerEdit
Transrapid-systemet bruger servomekanismer til at trække toget op fra under sporet og opretholder et konstant mellemrum under kørsel i høj hastighed
Flydende klode. Magnetisk levitation med en feedback-loop.
Tiltrækningen fra en magnet med fast styrke falder med øget afstand og øges ved tættere afstande. Dette er ustabilt. For et stabilt system er det modsatte nødvendigt, variationer fra en stabil position skal skubbe den tilbage til målpositionen.
Stabil magnetisk levitation kan opnås ved at måle positionen og hastigheden af objektet, der løftes, og ved hjælp af en tilbagekoblingssløjfe, som kontinuerligt justerer en eller flere elektromagneter til at korrigere objektets bevægelse og dermed danner en servomekanisme.
Mange systemer bruger magnetisk tiltrækning, der trækker opad mod tyngdekraften for disse slags systemer, da dette giver nogle iboende lateral stabilitet, men nogle bruger en kombination af magnetisk tiltrækning og magnetisk frastødning for at skubbe opad.
Begge systemer repræsenterer eksempler på elektromagnetisk suspension (EMS). For et meget simpelt eksempel bruger nogle bordpladens levitationsdemonstrationer dette princip, og objektet skærer en lysstråle eller Hall-effekt-sensormetoden bruges til at måle objektets position. Elektromagneten er over objektet, der løftes, elektromagneten slukkes, når genstand kommer for tæt og tændes igen, når den falder længere væk. Et sådant simpelt system er ikke særlig robust; der findes langt mere effektive kontrolsystemer, men dette illustrerer den grundlæggende idé.
EMS magnetiske levitationstog er baseret på denne form for levitation: Toget vikles rundt om sporet og trækkes opad nedenfra. Servokontrollerne holder det sikkert i konstant afstand fra sporet.
Inducerede strømme Rediger
Disse ordninger fungerer på grund af frastødning pga. Lenzs lov. Når en leder præsenteres for et tidsvarierende magnetfelt, oprettes der elektriske strømme i lederen, som skaber et magnetfelt, der forårsager en frastødende virkning.
Disse slags systemer viser typisk en iboende stabilitet, selvom der undertiden kræves ekstra dæmpning.
Relativ bevægelse mellem ledere og magneterEdit
Hvis man bevæger en base lavet af en meget god elektrisk leder som kobber, aluminium eller sølv, luk til en magnet vil en (hvirvelstrøm) blive induceret i lederen, der vil modsætte sig ændringer i marken og skabe et modsat felt, der vil afvise magneten (Lenzs lov). Ved en tilstrækkelig høj bevægelseshastighed vil en ophængt magnet svæve over metallet eller omvendt med ophængt metal.Litz-ledning lavet af ledning tyndere end huddybden for de frekvenser, der ses af metallet, virker meget mere effektivt end faste ledere. Figur 8-spoler kan bruges til at holde noget justeret.
Et særligt teknologisk interessant tilfælde af dette kommer, når man bruger en Halbach-array i stedet for en enkelt pol permanent magnet, da dette næsten fordobler feltstyrken, som i drejning fordobler næsten styrken af hvirvelstrømmene. Nettoeffekten er mere end tredoblet løftekraften. Brug af to modstående Halbach-arrays øger feltet yderligere.
Halbach-arrays er også velegnede til magnetisk levitation og stabilisering af gyroskoper og elektriske motor- og generator-spindler.
Oscillerende elektromagnetiske felter Rediger
Aluminiumsfolie, der flyder over induktionskogepladen takket være hvirvelstrømme induceret i den.
En leder kan svæves over en elektromagnet (eller omvendt) med en vekselstrøm, der strømmer gennem den. Dette får enhver regelmæssig leder til at opføre sig som en diamagnet på grund af de hvirvelstrømme, der genereres i lederen. Da hvirvelstrømmene skaber deres egne felter, der modsætter sig magnetfeltet, afvises det ledende objekt fra elektromagneten, og de fleste af feltlinjerne i magnetfeltet trænger ikke længere ind i det ledende objekt.
Denne effekt kræver ikke-ferromagnetiske, men stærkt ledende materialer som aluminium eller kobber, da de ferromagnetiske også er stærkt tiltrukket af elektromagneten (selvom feltet ved høje frekvenser stadig kan udvises) og har tendens til at have en højere resistivitet, hvilket giver lavere hvirvelstrømme. Igen giver litz-ledning de bedste resultater.
Effekten kan bruges til stunts såsom at løfte en telefonbog ved at skjule en aluminiumsplade i den.
Ved høje frekvenser (et par snesevis af kilohertz eller deromkring) og kilowatt styrker små mængder metaller kan leviteres og smeltes ved hjælp af levitationssmeltning uden risiko for, at metallet bliver forurenet med diglen.
En kilde til oscillerende magnetfelt, der anvendes, er den lineære induktionsmotor. Dette kan bruges til at svæve såvel som at give fremdrift.
Diamagnetisk stabiliseret levitationEdit
Permanent magnet stabilt svævet mellem fingerspidserne
Earnshaw’s sætning gælder ikke for diamagneter. Disse opfører sig på den modsatte måde med normale magneter på grund af deres relative permeabilitet af μr < 1 (dvs. negativ magnetisk modtagelighed). Diamagnetisk levitation kan i sig selv være stabil.
En permanent magnet kan være stabilt ophængt af forskellige konfigurationer af stærke permanente magneter og stærke diamagneter. Når du bruger superledende magneter, kan levitationen af en permanent magnet endda stabiliseres af den lille diamagnetisme af vand i menneskelige fingre.
Diamagnetisk levitationEdit
Diamagnetisk levitation af pyrolytisk kulstof
Diamagnetisme er ejendommen til et objekt, der forårsager det at skabe et magnetfelt i modsætning til et eksternt anvendt magnetfelt, hvilket får materialet til at blive frastødt af magnetfelter. Diamagnetiske materialer får linjer med magnetisk flux til at kurve væk fra materialet. Specifikt ændrer et eksternt magnetfelt elektroners orbitale hastighed omkring deres kerner og ændrer således det magnetiske dipolmoment.
Ifølge Lenzs lov modsætter dette sig det ydre felt. Diamagneter er materialer med magnetisk permeabilitet mindre end μ0 (en relativ permeabilitet mindre end 1). Derfor er diamagnetisme en form for magnetisme, der kun udvises af et stof i nærvær af et eksternt påført magnetfelt. Det er generelt en ganske svag effekt i de fleste materialer, selvom superledere udviser en stærk effekt.
Direkte diamagnetisk levitationEdit
En levende frø svæver inde i en 32 mm lodret boring i en bitter magnetventil i et magnetfelt på ca. 16 teslas
Et stof, der er diamagnetisk, afviser et magnetfelt. Alle materialer har diamagnetiske egenskaber, men effekten er meget svag og overvindes normalt af objektets paramagnetiske eller ferroma gnetiske egenskaber, der virker på den modsatte måde. Ethvert materiale, hvor den diamagnetiske komponent er stærkere, afvises af en magnet.
Diamagnetisk levitation kan bruges til at svæve meget lette stykker pyrolytisk grafit eller vismut over en moderat stærk permanent magnet. Da vand overvejende er diamagnetisk, er denne teknik blevet brugt til at svæve vanddråber og endda levende dyr, såsom en græshoppe, frø og en mus.De krævede magnetfelter til dette er imidlertid meget høje, typisk i området 16 teslas, og skaber derfor betydelige problemer, hvis ferromagnetiske materialer er i nærheden. Drift af denne elektromagnet, der blev brugt i frølevitationseksperimentet, krævede 4 MW (4000000 watt) strøm. : 5
Minimumskriteriet for diamagnetisk levitation er B d B dz = μ 0 ρ g χ {\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}, hvor:
Under forudsætning af ideelle forhold langs z-retningen af magnetmagneten:
SuperconductorsEdit
Superledere kan betragtes som perfekte diamagneter og uddriver magnetiske felter fuldstændigt på grund af Meissner-effekten, når superledningsevnen oprindeligt dannes; således kan superledende levitation betragtes som en særlig forekomst af diamagnetisk levitation. I en type II-superleder stabiliseres magnetens levitation yderligere på grund af fluxpinning inde i superlederen; dette har en tendens til at stoppe superlederen fra at bevæge sig i forhold til magnetfeltet, selvom det leviterede system er inverteret.
Disse principper udnyttes af EDS (elektrodynamisk ophæng), superledende lejer, svinghjul osv.
Der kræves et meget stærkt magnetfelt for at svæve et tog. JR – Maglev-togene har superledende magnetiske spoler, men JR – Maglev-levitationen skyldes ikke Meissner-effekten.
RotationsstabiliseringEdit
Levitron-mærketoppen er et eksempel på spin-stabiliseret magnetisk levitation
En magnet eller korrekt samlet række magneter med et toroidefelt kan løftes stabilt mod tyngdekraften, når de gyroskopisk stabiliseres ved at dreje den i et sekund toroidefelt skabt af en basisring af magnet (er). Dette fungerer dog kun, mens hastigheden af præcession er mellem både øvre og nedre kritiske tærskler – stabilitetsområdet er ret smalt både rumligt og i den krævede hastighed for præession.
Den første opdagelse af dette fænomen var af Roy M. Harrigan, en Vermont-opfinder, der patenterede en levitationsanordning i 1983 baseret på den. Flere enheder, der bruger rotationsstabilisering (såsom det populære Levitron-mærket levitating top-legetøj) er blevet udviklet med henvisning til dette patent. Ikke-kommercielle enheder er oprettet til universitetsforskningslaboratorier, der generelt bruger magneter, der er for kraftige til sikker offentlig interaktion.
Stærk fokusering Rediger
Earnshaws teori gælder strengt taget kun for statiske felter. Alternerende magnetfelter, selv rent vekslende attraktive felter, kan inducere stabilitet og begrænse en bane gennem et magnetfelt for at give en levitationseffekt.
Dette bruges i partikler acceleratorer til at begrænse og løfte ladede partikler, og er også blevet foreslået for maglev-tog.