Magnetische Levitation

Für eine erfolgreiche Levitation und Steuerung aller 6 Achsen (Freiheitsgrade; 3 Translations- und 3 Rotationsgrade) eine Kombination aus Permanentmagneten und Elektromagneten oder Diamagnets oder Supraleitern sowie attraktiven und abstoßenden Feldern kann verwendet werden. Nach Earnshaws Theorem muss mindestens eine stabile Achse vorhanden sein, damit das System erfolgreich schweben kann. Die anderen Achsen können jedoch mithilfe von Ferromagnetismus stabilisiert werden.

Die in Magnetschwebebahnen verwendeten Hauptachsen sind servostabilisierte elektromagnetische Aufhängungen (EMS), elektrodynamische Suspension (EDS).

Mechanische Einschränkung (Pseudo-Levitation) Bearbeiten

Mit einer geringen mechanischen Einschränkung für Stabilität wird Pseudo- erreicht Das Schweben ist ein relativ einfacher Vorgang.

Wenn beispielsweise zwei Magnete entlang einer einzigen Achse mechanisch eingeschränkt und so angeordnet sind, dass sie sich stark abstoßen, schwebt dies einen der Magnete über dem anderen.

In einer anderen Geometrie werden die Magnete angezogen, aber durch ein Zugelement wie eine Schnur oder ein Kabel nicht berührt.

Anoth Ein Beispiel ist die Zippe-Zentrifuge, bei der ein Zylinder unter einem attraktiven Magneten aufgehängt und durch ein Nadellager von unten stabilisiert wird.

Eine andere Konfiguration besteht aus einer Anordnung von Permanentmagneten, die in einer ferromagnetischen U-Form installiert sind Profil und mit einer ferromagnetischen Schiene gekoppelt. Der magnetische Fluss kreuzt die Schiene in einer Richtung quer zur ersten Achse und erzeugt eine geschlossene Schleife auf dem U-förmigen Profil. Diese Konfiguration erzeugt ein stabiles Gleichgewicht entlang der ersten Achse, das die Schiene auf dem Flusskreuzungspunkt zentriert hält (minimale magnetische Reluktanz) und es ermöglicht, eine Last magnetisch zu tragen. Auf der anderen Achse wird das System durch mechanische Mittel wie Räder eingeschränkt und zentriert.

ServomechanismsEdit

Die Anziehungskraft eines Magneten mit fester Stärke nimmt mit zunehmender Entfernung ab und bei näheren Entfernungen zu. Das ist instabil. Für ein stabiles System ist das Gegenteil erforderlich. Abweichungen von einer stabilen Position sollten es in die Zielposition zurückschieben.

Eine stabile Magnetschwebebahn kann durch Messen der Position und Geschwindigkeit des zu schwebenden Objekts erreicht werden Verwenden einer Rückkopplungsschleife, die einen oder mehrere Elektromagnete kontinuierlich anpasst, um die Bewegung des Objekts zu korrigieren, wodurch ein Servomechanismus gebildet wird.

Viele Systeme verwenden für diese Art von Systemen eine magnetische Anziehung, die gegen die Schwerkraft nach oben zieht, da dies einige inhärente ergibt Seitenstabilität, aber einige verwenden eine Kombination aus magnetischer Anziehung und magnetischer Abstoßung, um nach oben zu drücken.

Beide Systeme stellen Beispiele für elektromagnetische Suspension (EMS) dar. Für ein sehr einfaches Beispiel verwenden einige Demonstrationen der Tischschwebebahn dieses Prinzip: und das Objekt schneidet einen Lichtstrahl oder ein Hall-Effekt-Sensorverfahren wird verwendet, um die Position des Objekts zu messen. Der Elektromagnet befindet sich über dem zu schwebenden Objekt, der Elektromagnet wird ausgeschaltet, wann immer der Objekt kommt zu nahe und wird wieder eingeschaltet, wenn es weiter weg fällt. Ein solch einfaches System ist nicht sehr robust; Es gibt weitaus effektivere Steuerungssysteme, aber dies veranschaulicht die Grundidee.

EMS-Magnetschwebebahnen basieren auf dieser Art von Schweben: Der Zug wickelt sich um das Gleis und wird von unten nach oben gezogen. Die Servosteuerungen halten es sicher in einem konstanten Abstand von der Spur.

Induzierte StrömeEdit

Diese Schemata funktionieren aufgrund von Abstoßung aufgrund von Lenz’sches Gesetz. Wenn einem Leiter ein zeitlich veränderliches Magnetfeld präsentiert wird, werden im Leiter elektrische Ströme aufgebaut, die ein Magnetfeld erzeugen, das einen abstoßenden Effekt verursacht.

Diese Arten von Systemen zeigen typischerweise eine inhärente Stabilität, obwohl manchmal eine zusätzliche Dämpfung erforderlich ist.

Relative Bewegung zwischen Leitern und MagnetenEdit

Wenn man eine Basis aus einem sehr guten elektrischen Leiter wie Kupfer, Aluminium oder Silber nahe bewegt Zu einem Magneten wird im Leiter ein (Wirbel-) Strom induziert, der den Feldänderungen entgegenwirkt und ein entgegengesetztes Feld erzeugt, das den Magneten abstößt (Lenz’sches Gesetz). Bei einer ausreichend hohen Bewegungsgeschwindigkeit schwebt ein hängender Magnet auf dem Metall oder umgekehrt mit suspendiertem Metall.Litzendraht aus Draht, der für die vom Metall gesehenen Frequenzen dünner als die Hauttiefe ist, arbeitet viel effizienter als feste Leiter. Abbildung 8 Spulen können verwendet werden, um etwas ausgerichtet zu halten.

Ein besonders technologisch interessanter Fall ist die Verwendung eines Halbach-Arrays anstelle eines einpoligen Permanentmagneten, da dies die Feldstärke fast verdoppelt Durch Drehen wird die Stärke der Wirbelströme fast verdoppelt. Der Nettoeffekt besteht darin, die Auftriebskraft mehr als zu verdreifachen. Die Verwendung von zwei gegenüberliegenden Halbach-Arrays erhöht das Feld noch weiter.

Halbach-Arrays eignen sich auch gut zur Magnetschwebebahn und Stabilisierung von Gyroskopen sowie Spindeln von Elektromotoren und Generatoren.

Oszillierende elektromagnetische FelderEdit

Ein Leiter kann über einem Elektromagneten (oder umgekehrt) schweben, durch den Wechselstrom fließt. Dies führt dazu, dass sich jeder reguläre Leiter aufgrund der im Leiter erzeugten Wirbelströme wie ein Diamagnet verhält. Da die Wirbelströme ihre eigenen Felder erzeugen, die dem Magnetfeld entgegengesetzt sind, wird das leitende Objekt vom Elektromagneten abgestoßen, und die meisten Feldlinien des Magnetfelds durchdringen das leitende Objekt nicht mehr.

Dieser Effekt erfordert nicht ferromagnetische, aber hochleitfähige Materialien wie Aluminium oder Kupfer, da die ferromagnetischen Materialien auch stark vom Elektromagneten angezogen werden (obwohl das Feld bei hohen Frequenzen immer noch ausgestoßen werden kann) und tendenziell einen höheren spezifischen Widerstand aufweisen, was zu niedrigeren Wirbelströmen führt. Auch hier liefert Litzendraht die besten Ergebnisse.

Der Effekt kann für Stunts wie das Schweben eines Telefonbuchs verwendet werden, indem eine Aluminiumplatte darin verborgen wird.

Bei hohen Frequenzen (einige wenige) Zehn Kilohertz oder so) und Kilowattleistung Kleine Mengen von Metallen können durch Levitationsschmelzen schweben und geschmolzen werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass das Metall durch den Tiegel verunreinigt wird.

Eine Quelle für ein oszillierendes Magnetfeld, das verwendet wird, ist der lineare Induktionsmotor. Dies kann sowohl zum Schweben als auch zum Antreiben verwendet werden.

Diamagnetisch stabilisierte LevitationEdit

Der Satz von Earnshaw gilt nicht für Diamagnete. Diese verhalten sich aufgrund ihrer relativen Permeabilität von μr < 1 (dh negative magnetische Suszeptibilität). Diamagnetische Levitation kann von Natur aus stabil sein.

Ein Permanentmagnet kann durch verschiedene Konfigurationen starker Permanentmagnete und starker Diamagnete stabil aufgehängt werden. Bei Verwendung von supraleitenden Magneten kann die Schwebung eines Permanentmagneten sogar durch den geringen Diamagnetismus von Wasser in menschlichen Fingern stabilisiert werden.

Diamagnetische LevitationEdit

Diamagnetismus ist die Eigenschaft eines Objekts, das ihn verursacht ein Magnetfeld im Gegensatz zu einem von außen angelegten Magnetfeld zu erzeugen, wodurch das Material durch Magnetfelder abgestoßen wird. Diamagnetische Materialien bewirken, dass sich Magnetflusslinien vom Material weg krümmen. Insbesondere verändert ein externes Magnetfeld die Umlaufgeschwindigkeit der Elektronen um ihre Kerne und ändert so das magnetische Dipolmoment.

Nach dem Lenzschen Gesetz ist dies dem externen Feld entgegengesetzt. Diamagnete sind Materialien mit einer magnetischen Permeabilität weniger als μ0 (eine relative Permeabilität von weniger als 1). Folglich ist Diamagnetismus eine Form von Magnetismus, die nur von einer Substanz in Gegenwart eines von außen angelegten Magnetfelds gezeigt wird. Er ist in den meisten Materialien im Allgemeinen ein ziemlich schwacher Effekt, obwohl Supraleiter zeigen einen starken Effekt.

Direkte diamagnetische LevitationEdit

Eine diamagnetische Substanz stößt ein Magnetfeld ab. Alle Materialien haben diamagnetische Eigenschaften, aber die Der Effekt ist sehr schwach und wird normalerweise durch das paramagnetische oder Ferroma des Objekts überwunden gnetische Eigenschaften, die umgekehrt wirken. Jedes Material, in dem die diamagnetische Komponente stärker ist, wird von einem Magneten abgestoßen.

Diamagnetische Levitation kann verwendet werden, um sehr leichte Stücke von pyrolytischem Graphit oder Wismut über einem mäßig starken Permanentmagneten zu schweben. Da Wasser überwiegend diamagnetisch ist, wurde diese Technik verwendet, um Wassertropfen und sogar lebende Tiere wie eine Heuschrecke, einen Frosch und eine Maus zu schweben.Die dafür erforderlichen Magnetfelder sind jedoch sehr hoch, typischerweise im Bereich von 16 Teslas, und verursachen daher erhebliche Probleme, wenn sich ferromagnetische Materialien in der Nähe befinden. Der Betrieb dieses im Froschschwebeexperiment verwendeten Elektromagneten erforderte eine Leistung von 4 MW (4000000 Watt). : 5

Das Mindestkriterium für die diamagnetische Levitation ist B d B dz = μ 0 ρ g χ {\ Anzeigestil B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}, wobei:

ideale Bedingungen entlang der z-Richtung des Magnetmagneten angenommen werden:

SupraleiterEdit

Supraleiter können als perfekte Diamagnete angesehen werden und Magnetfelder aufgrund des Meissner-Effekts vollständig ausstoßen, wenn sich die Supraleitung anfänglich bildet; Somit kann die supraleitende Levitation als ein besonderer Fall einer diamagnetischen Levitation angesehen werden. In einem Typ II-Supraleiter wird die Levitation des Magneten aufgrund der Flussverankerung innerhalb des Supraleiters weiter stabilisiert; Dies neigt dazu, die Bewegung des Supraleiters in Bezug auf das Magnetfeld zu stoppen, selbst wenn das schwebende System invertiert ist.

Diese Prinzipien werden von EDS (Electrodynamic Suspension), supraleitenden Lagern, Schwungrädern usw. ausgenutzt.

Zum Schweben eines Zuges ist ein sehr starkes Magnetfeld erforderlich. Die JR-Maglev-Züge haben supraleitende Magnetspulen, aber die JR-Maglev-Levitation ist nicht auf den Meissner-Effekt zurückzuführen.

RotationsstabilisierungEdit

Ein Magnet oder eine ordnungsgemäß zusammengesetzte Anordnung von Magneten mit einem Ringfeld kann stabil gegen die Schwerkraft schweben, wenn er durch Drehen in einer Sekunde gyroskopisch stabilisiert wird Toroidfeld, das durch einen Basisring aus Magneten erzeugt wird. Dies funktioniert jedoch nur, wenn die Präzessionsrate sowohl zwischen den oberen als auch den unteren kritischen Schwellenwerten liegt – der Stabilitätsbereich ist sowohl räumlich als auch in der erforderlichen Präzessionsrate ziemlich eng.

Die erste Entdeckung dieses Phänomens war von Roy M. Harrigan, einem Erfinder aus Vermont, der 1983 ein darauf basierendes Levitationsgerät patentierte. Unter Berufung auf dieses Patent wurden mehrere Vorrichtungen entwickelt, die eine Rotationsstabilisierung verwenden (wie das beliebte Levitron-Spielzeug der Marke Levitron). Für kommerzielle Forschungslabors an Universitäten wurden nichtkommerzielle Geräte entwickelt, die im Allgemeinen Magnete verwenden, die für eine sichere öffentliche Interaktion zu stark sind.

Starke FokussierungEdit

Earnshaws Theorie gilt ausschließlich für statische Felder. Wechselnde Magnetfelder, selbst rein wechselnde attraktive Felder, können Stabilität induzieren und eine Flugbahn durch ein Magnetfeld einschränken, um einen Levitationseffekt zu erzielen.

Dies wird in Partikeln verwendet Beschleuniger zum Einschließen und Anheben geladener Teilchen, und wurde auch für Magnetschwebebahnen vorgeschlagen.