Pour une lévitation et un contrôle réussis des 6 axes (degrés de liberté; 3 en translation et 3 en rotation) une combinaison d’aimants permanents et d’électroaimants ou de diamagnets ou de supraconducteurs ainsi que des champs attractifs et répulsifs peut être utilisé. D’après le théorème d’Earnshaw, au moins un axe stable doit être présent pour que le système lévite avec succès, mais les autres axes peuvent être stabilisés à l’aide du ferromagnétisme.
Les principaux axes utilisés dans les trains maglev sont une suspension électromagnétique servo-stabilisée (EMS), suspension électrodynamique (EDS).
Un exemple de pseudo-lévitation magnétique avec un support mécanique (tige en bois) assurant la stabilité.
Contrainte mécanique (pseudo-lévitation) Edit
Avec une petite quantité de contrainte mécanique pour la stabilité, réalisant une pseudo- La lévitation est un processus relativement simple.
Si deux aimants sont mécaniquement contraints le long d’un seul axe, par exemple, et disposés pour se repousser fortement, cela agira pour faire léviter l’un des aimants au-dessus de l’autre.
Une autre géométrie est l’endroit où les aimants sont attirés, mais empêchés de se toucher par un élément de traction, comme une ficelle ou un câble.
Anoth Un exemple est la centrifugeuse de type Zippe où un cylindre est suspendu sous un aimant attrayant et stabilisé par un roulement à aiguilles par le bas.
Une autre configuration consiste en un réseau d’aimants permanents installés dans un U ferromagnétique profilé et couplé à un rail ferromagnétique. Le flux magnétique traverse le rail dans une direction transversale au premier axe et crée une boucle fermée sur le profil en U. Cette configuration génère un équilibre stable le long du premier axe qui maintient le rail centré sur le point de passage du flux (réluctance magnétique minimale) et permet de supporter une charge magnétiquement. Sur l’autre axe, le système est contraint et centré par des moyens mécaniques, tels que des roues.
ServomécanismesEdit
Le système Transrapid utilise des servomécanismes pour tirer le train du dessous de la voie et maintient un écart constant tout en voyageant à grande vitesse
Globe flottant. Lévitation magnétique avec une boucle de rétroaction.
L’attraction d’un aimant à force fixe diminue avec l’augmentation de la distance et augmente à des distances plus proches. Ceci est instable. Pour un système stable, le contraire est nécessaire, les variations d’une position stable devraient le repousser vers la position cible.
Une lévitation magnétique stable peut être obtenue en mesurant la position et la vitesse de l’objet en lévitation, et en utilisant une boucle de rétroaction qui ajuste en permanence un ou plusieurs électroaimants pour corriger le mouvement de l’objet, formant ainsi un servomécanisme.
De nombreux systèmes utilisent l’attraction magnétique tirant vers le haut contre la gravité pour ces types de systèmes car cela donne un certain stabilité latérale, mais certains utilisent une combinaison d’attraction magnétique et de répulsion magnétique pour pousser vers le haut.
Les deux systèmes représentent des exemples de suspension électromagnétique (EMS). Pour un exemple très simple, certaines démonstrations de lévitation sur table utilisent ce principe, et l’objet coupe un faisceau de lumière ou la méthode du capteur à effet Hall est utilisée pour mesurer la position de l’objet. L’électroaimant est au-dessus de l’objet en lévitation; l’électroaimant est désactivé chaque fois que le L’objet s’approche trop près et se rallume lorsqu’il s’éloigne. Un système aussi simple n’est pas très robuste; Des systèmes de contrôle beaucoup plus efficaces existent, mais cela illustre l’idée de base.
Les trains à lévitation magnétique EMS sont basés sur ce type de lévitation: le train s’enroule autour de la voie et est tiré vers le haut par le bas. Les servocommandes le maintiennent en toute sécurité à une distance constante de la piste.
Courants induitsEdit
Ces schémas fonctionnent en raison de la répulsion due à Loi de Lenz. Lorsqu’un conducteur est présenté avec un champ magnétique variant dans le temps, des courants électriques dans le conducteur sont mis en place qui créent un champ magnétique qui provoque un effet répulsif.
Ces types de systèmes montrent généralement un stabilité inhérente, bien qu’un amortissement supplémentaire soit parfois nécessaire.
Mouvement relatif entre les conducteurs et les aimantsModifier
Si l’on déplace une base faite d’un très bon conducteur électrique comme le cuivre, l’aluminium ou l’argent se referme à un aimant, un courant (de Foucault) sera induit dans le conducteur qui s’opposera aux changements de champ et créera un champ opposé qui repoussera l’aimant (loi de Lenz). À une vitesse de mouvement suffisamment élevée, un aimant suspendu lévitera sur le métal, ou vice versa avec du métal suspendu.Le fil Litz fait d’un fil plus fin que la profondeur de la peau pour les fréquences vues par le métal fonctionne beaucoup plus efficacement que les conducteurs solides. Les bobines de la figure 8 peuvent être utilisées pour garder quelque chose aligné.
Un cas particulièrement intéressant sur le plan technologique est celui où l’on utilise un réseau Halbach au lieu d’un aimant permanent unipolaire, car cela double presque l’intensité du champ, ce qui en son tour double presque la force des courants de Foucault. L’effet net est de plus que tripler la force de levage. L’utilisation de deux réseaux Halbach opposés augmente encore le champ.
Les réseaux Halbach sont également bien adaptés à la lévitation magnétique et à la stabilisation des gyroscopes et des broches de moteurs électriques et de générateurs.
Champs électromagnétiques oscillantsEdit
Feuille d’aluminium flottant au-dessus de la table de cuisson à induction grâce aux courants de Foucault induits dans celle-ci.
Un conducteur peut être mis en lévitation au-dessus d’un électroaimant (ou vice versa) avec un courant alternatif qui le traverse. Cela amène tout conducteur régulier à se comporter comme un diamagnet, en raison des courants de Foucault générés dans le conducteur. Puisque les courants de Foucault créent leurs propres champs qui s’opposent au champ magnétique, l’objet conducteur est repoussé de l’électroaimant et la plupart des lignes de champ du champ magnétique ne pénètrent plus dans l’objet conducteur.
Cet effet nécessite des matériaux non ferromagnétiques mais hautement conducteurs comme l’aluminium ou le cuivre, car les ferromagnétiques sont également fortement attirés par l’électroaimant (bien qu’à des fréquences élevées, le champ puisse toujours être expulsé) et ont tendance à avoir une résistivité plus élevée donnant des courants de Foucault plus faibles. Encore une fois, le fil litz donne les meilleurs résultats.
L’effet peut être utilisé pour des cascades telles que la lévitation d’un annuaire téléphonique en cachant une plaque d’aluminium à l’intérieur.
À hautes fréquences (quelques des dizaines de kilohertz environ) et kilowatts de puissance, de petites quantités de métaux peuvent être lévitées et fondues par fusion par lévitation sans risque de contamination du métal par le creuset.
Une source de champ magnétique oscillant utilisée est le moteur à induction linéaire. Cela peut être utilisé pour léviter ainsi que pour fournir la propulsion.
Lévitation diamagnétiquement stabilisée
Aimant permanent en lévitation stable entre le bout des doigts
Le théorème d’Earnshaw ne s’applique pas aux diamagnets. Ceux-ci se comportent de manière inverse aux aimants normaux en raison de leur perméabilité relative de μr < 1 (c.-à-d. susceptibilité magnétique négative). La lévitation diamagnétique peut être intrinsèquement stable.
Un aimant permanent peut être suspendu de manière stable par diverses configurations d’aimants permanents puissants et d’aimants diamagnétiques puissants. Lors de l’utilisation d’aimants supraconducteurs, la lévitation d’un aimant permanent peut même être stabilisée par le petit diamagnétisme de l’eau dans les doigts humains.
Lévitation diamagnétiqueEdit
Lévitation diamagnétique du carbone pyrolytique
Le diamagnétisme est la propriété d’un objet qui le provoque pour créer un champ magnétique en opposition à un champ magnétique appliqué de l’extérieur, provoquant ainsi la répulsion du matériau par des champs magnétiques. Les matériaux diamagnétiques provoquent la courbure des lignes de flux magnétique loin du matériau. Plus précisément, un champ magnétique externe modifie la vitesse orbitale des électrons autour de leurs noyaux, modifiant ainsi le moment dipolaire magnétique.
Selon la loi de Lenz, cela s’oppose au champ externe. Les diamagnets sont des matériaux à perméabilité magnétique inférieure à μ0 (une perméabilité relative inférieure à 1). Par conséquent, le diamagnétisme est une forme de magnétisme qui n’est présentée que par une substance en présence d’un champ magnétique appliqué de l’extérieur. Il s’agit généralement d’un effet assez faible dans la plupart des matériaux, bien que les supraconducteurs présentent un effet puissant.
Lévitation diamagnétique directeEdit
Une grenouille vivante lévite à l’intérieur d’un Alésage vertical de 32 mm de diamètre d’un solénoïde Bitter dans un champ magnétique d’environ 16 teslas
Une substance diamagnétique repousse un champ magnétique. Tous les matériaux ont des propriétés diamagnétiques, mais le L’effet est très faible et est généralement surmonté par le paramètre paramagnétique ou ferrome de l’objet propriétés génétiques, qui agissent de manière opposée. Tout matériau dans lequel le composant diamagnétique est plus fort sera repoussé par un aimant.
La lévitation diamagnétique peut être utilisée pour faire léviter des morceaux très légers de graphite pyrolytique ou de bismuth au-dessus d’un aimant permanent moyennement puissant. L’eau étant majoritairement diamagnétique, cette technique a été utilisée pour léviter des gouttelettes d’eau et même des animaux vivants, comme une sauterelle, une grenouille et une souris.Cependant, les champs magnétiques nécessaires pour cela sont très élevés, typiquement de l’ordre de 16 teslas, et créent donc des problèmes importants si des matériaux ferromagnétiques sont à proximité. Le fonctionnement de cet électroaimant utilisé dans l’expérience de lévitation de grenouille nécessitait 4 MW (4000000 watts) de puissance. : 5
Le critère minimum de lévitation diamagnétique est B d B dz = μ 0 ρ g χ {\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}, où:
En supposant des conditions idéales le long de la direction z de l’aimant du solénoïde:
SuperconductorsEdit
Les supraconducteurs peuvent être considérés comme des diamagnets parfaits, et expulsent complètement les champs magnétiques en raison de l’effet Meissner lorsque la supraconductivité se forme initialement; ainsi la lévitation supraconductrice peut être considérée comme un cas particulier de lévitation diamagnétique. Dans un supraconducteur de type II, la lévitation de l’aimant est en outre stabilisée en raison de l’épinglage de flux dans le supraconducteur; cela tend à empêcher le supraconducteur de bouger par rapport au champ magnétique, même si le système lévité est inversé.
Ces principes sont exploités par EDS (suspension électrodynamique), roulements supraconducteurs, volants, etc.
Un champ magnétique très puissant est nécessaire pour faire léviter un train. Les trains JR – Maglev ont des bobines magnétiques supraconductrices, mais la lévitation JR – Maglev n’est pas due à l’effet Meissner.
Rotational stabilizationEdit
Le haut de la marque Levitron est un exemple de lévitation magnétique stabilisée en rotation
Un aimant ou un réseau d’aimants correctement assemblé avec un champ toroïdal peut être lévité de manière stable contre la gravité lorsqu’il est stabilisé gyroscopiquement en le faisant tourner en une seconde champ toroïdal créé par un anneau de base d’aimant (s). Cependant, cela ne fonctionne que lorsque le taux de précession se situe entre les seuils critiques supérieur et inférieur – la région de stabilité est assez étroite à la fois spatialement et au taux de précession requis.
La première découverte de ce phénomène a été par Roy M. Harrigan, un inventeur du Vermont qui a breveté un dispositif de lévitation en 1983 basé sur celui-ci. Plusieurs dispositifs utilisant la stabilisation de rotation (tels que le jouet supérieur en lévitation de marque populaire Levitron) ont été développés en citant ce brevet. Des dispositifs non commerciaux ont été créés pour les laboratoires de recherche universitaires, utilisant généralement des aimants trop puissants pour une interaction publique en toute sécurité.
Focalisation forteEdit
La théorie d’Earnshaw ne s’applique strictement qu’aux champs statiques. Les champs magnétiques alternés, même les champs attractifs purement alternés, peuvent induire la stabilité et confiner une trajectoire à travers un champ magnétique pour donner un effet de lévitation.
Ceci est utilisé dans les particules. accélérateurs pour confiner et soulever les particules chargées, et a également été proposé pour les trains maglev.