Magnetisk levitasjon

For vellykket levitering og kontroll av alle 6 akser (frihetsgrader; 3 translasjonelle og 3 rotasjonsmessige) en kombinasjon av permanente magneter og elektromagneter eller diamagneter eller superledere samt attraktive og frastøtende felt kan bli brukt. Fra setningen til Earnshaw må minst en stabil akse være til stede for at systemet skal kunne sveve, men de andre aksene kan stabiliseres ved hjelp av ferromagnetisme.

De primære som brukes i maglevtog er servostabilisert elektromagnetisk oppheng. (EMS), elektrodynamisk suspensjon (EDS).

Mekanisk begrensning (pseudo-levitasjon) Rediger

Med en liten mengde mekanisk begrensning for stabilitet, oppnår pseudo- levitasjon er en relativt grei prosess.

Hvis for eksempel to magneter er mekanisk begrenset langs en enkelt akse, og ordnet for å frastøte hverandre sterkt, vil dette virke for å sveve den ene magneten over den andre. / p>

En annen geometri er hvor magnetene tiltrekkes, men hindres i å berøre av et strekkelement, for eksempel en streng eller kabel.

Eksempelet er sentrifuge av Zippe-typen der en sylinder er suspendert under en attraktiv magnet, og stabilisert av en nålelager nedenfra.

En annen konfigurasjon består av en rekke permanente magneter installert i en ferromagnetisk U-formet profil og kombinert med en ferromagnetisk skinne. Den magnetiske strømmen krysser skinnen i en retning på tvers av den første aksen og skaper en lukket sløyfe på den U-formede profilen. Denne konfigurasjonen genererer en stabil likevekt langs den første aksen som opprettholder skinnen sentrert på flussovergangspunktet (minimum magnetisk motstand) og gjør det mulig å bære en belastning magnetisk. På den andre aksen er systemet begrenset og sentrert med mekaniske midler, for eksempel hjul.

ServomekanismerEdit

Attraksjonen fra en magnet med fast styrke avtar med økt avstand, og øker på nærmere avstander. Dette er ustabilt. For et stabilt system er det motsatte nødvendig, variasjoner fra en stabil posisjon skal skyve den tilbake til målposisjonen.

Stabil magnetisk levitasjon kan oppnås ved å måle posisjonen og hastigheten til objektet som blir levitert, og ved hjelp av en tilbakemeldingssløyfe som kontinuerlig justerer en eller flere elektromagneter for å korrigere objektets bevegelse, og dermed danner en servomekanisme.

Mange systemer bruker magnetisk tiltrekning som trekker oppover mot tyngdekraften for slike system, da dette gir noen iboende sidestabilitet, men noen bruker en kombinasjon av magnetisk tiltrekning og magnetisk frastøting for å skyve oppover.

Enten systemet representerer eksempler på elektromagnetisk suspensjon (EMS). For et veldig enkelt eksempel, bruker noen prinsipper for levitasjon på bordplaten dette prinsippet, og objektet kutter en lysstråle eller Hall-effekt-sensormetoden brukes til å måle posisjonen til objektet. Elektromagneten er over gjenstanden som løftes, elektromagneten slås av når den objektet kommer for nært, og slås på igjen når det faller lenger bort. Et slikt enkelt system er ikke veldig robust; Det finnes langt mer effektive kontrollsystemer, men dette illustrerer grunnideen.

EMS magnetiske levisjonstog er basert på denne typen levitasjon: Toget brytes rundt sporet, og trekkes oppover nedenfra. Servokontrollene holder den trygt i konstant avstand fra sporet.

Induserte strømmer Rediger

Disse ordningene fungerer på grunn av frastøt pga. Lenzs lov. Når en leder presenteres med et tidsvarierende magnetfelt, settes det opp elektriske strømmer i lederen som skaper et magnetfelt som forårsaker en frastøtende effekt.

Denne typen systemer viser vanligvis en iboende stabilitet, selv om ekstra demping noen ganger er nødvendig.

Relativ bevegelse mellom ledere og magneterEdit

Hvis man beveger en base laget av en veldig god elektrisk leder som kobber, aluminium eller sølv, lukk til en magnet vil en (virvel) strøm bli indusert i lederen som vil motsette seg endringene i feltet og skape et motsatt felt som vil avvise magneten (Lenzs lov). Ved en tilstrekkelig høy bevegelseshastighet vil en suspendert magnet sveve på metallet, eller omvendt med suspendert metall.Litz-wire laget av ledning tynnere enn huddybden for frekvensene som metallet ser, fungerer mye mer effektivt enn solide ledere. Figur 8-spoler kan brukes til å holde noe justert.

Et spesielt teknologisk interessant tilfelle av dette kommer når man bruker en Halbach-array i stedet for en enkeltpolig permanentmagnet, da dette nesten dobler feltstyrken, som i turn dobler nesten styrken på virvelstrømmene. Nettoeffekten er å mer enn tredoble løftekraften. Bruk av to motstående Halbach-matriser øker feltet ytterligere.

Halbach-matriser er også godt egnet til magnetisk levitasjon og stabilisering av gyroskop og elektriske motor- og generator-spindler.

Oscillerende elektromagnetiske felt Rediger

En leder kan løftes over en elektromagnet (eller omvendt) med en vekselstrøm som strømmer gjennom den. Dette får enhver vanlig leder til å oppføre seg som en diamagnet på grunn av virvelstrømmene som genereres i lederen. Siden virvelstrømmene lager sine egne felt som motsetter seg magnetfeltet, blir den ledende gjenstanden frastøtt fra elektromagneten, og de fleste av feltlinjene til magnetfeltet vil ikke lenger trenge gjennom det ledende objektet.

Denne effekten krever ikke-ferromagnetiske, men sterkt ledende materialer som aluminium eller kobber, ettersom de ferromagnetiske også er sterkt tiltrukket av elektromagneten (selv om feltet fortsatt kan utvises ved høye frekvenser) og har en tendens til å ha høyere resistivitet som gir lavere virvelstrøm. Igjen gir litz wire de beste resultatene.

Effekten kan brukes til stunts som å løfte en telefonbok ved å skjule en aluminiumsplate i den.

Ved høye frekvenser (noen få titalls kilohertz eller så) og kilowatt krefter små mengder metaller kan leviteres og smeltes ved hjelp av levitasjonssmelting uten risiko for at metallet blir forurenset av digelen.

En kilde til oscillerende magnetfelt som brukes er den lineære induksjonsmotoren. Dette kan brukes til å levitere og gi fremdrift.

Diamagnetisk stabilisert levitasjonEdit

Earnshaw-setningen gjelder ikke diamagneter. Disse oppfører seg på motsatt måte til normale magneter på grunn av deres relative permeabilitet på μr < 1 (dvs. negativ magnetisk følsomhet). Diamagnetisk sveving kan være iboende stabil.

En permanent magnet kan være stabilt opphengt av forskjellige konfigurasjoner av sterke permanente magneter og sterke diamagneter. Når du bruker superledende magneter, kan levitasjonen av en permanent magnet til og med stabiliseres av den lille diamagnetismen av vann i menneskelige fingre.

Diamagnetisk levitasjonEdit

Diamagnetisme er egenskapen til et objekt som forårsaker det å skape et magnetfelt i motsetning til et eksternt påført magnetfelt, og dermed føre til at materialet blir frastøtt av magnetfelt. Diamagnetiske materialer får linjer med magnetisk strømning til å bøye seg bort fra materialet. Spesielt endrer et eksternt magnetfelt elektronens banehastighet rundt kjernene, og endrer dermed det magnetiske dipolmomentet.

I følge Lenzs lov motvirker dette det ytre feltet. Diamagneter er materialer med magnetisk permeabilitet. mindre enn μ0 (en relativ permeabilitet mindre enn 1). Følgelig er diamagnetisme en form for magnetisme som bare vises av et stoff i nærvær av et eksternt påført magnetfelt. Det er generelt ganske svak effekt i de fleste materialer, selv om superledere utviser en sterk effekt.

Direkte diamagnetisk levitasjonEdit

Et stoff som er diamagnetisk, frastøter et magnetfelt. Alle materialer har diamagnetiske egenskaper, men effekten er veldig svak, og blir vanligvis overvunnet av objektets paramagnetiske eller ferroma gnetiske egenskaper, som virker på motsatt måte. Ethvert materiale der den diamagnetiske komponenten er sterkere, blir frastøtt av en magnet.

Diamagnetisk levitasjon kan brukes til å sveve veldig lette biter av pyrolytisk grafitt eller vismut over en moderat sterk permanentmagnet. Siden vann overveiende er diamagnetisk, har denne teknikken blitt brukt til å sveve vanndråper og til og med levende dyr, som gresshoppe, frosk og mus.Imidlertid er magnetfeltene som kreves for dette veldig høye, typisk i området 16 teslas, og skaper derfor betydelige problemer hvis ferromagnetiske materialer er i nærheten. Driften av denne elektromagneten som ble brukt i froskelevasjonseksperimentet krevde 4 MW (4000000 watt) kraft. : 5

Minimumskriteriet for diamagnetisk levitasjon er B d B dz = μ 0 ρ g χ {\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}, hvor:

Forutsatt ideelle forhold langs z-retningen til magnetmagneten:

SuperconductorsEdit

Superledere kan betraktes som perfekte diamagneter, og utdriver magnetiske felt fullstendig på grunn av Meissner-effekten når superledningsevnen opprinnelig dannes; således kan superledende levitasjon betraktes som et spesielt tilfelle av diamagnetisk levitasjon. I en type II superleder stabiliseres svekkingen av magneten ytterligere på grunn av fluxpinning i superlederen; dette har en tendens til å stoppe superlederen fra å bevege seg i forhold til magnetfeltet, selv om det leviterte systemet er invertert.

Disse prinsippene utnyttes av EDS (Electrodynamic Suspension), superledende lagre, svinghjul osv.

Det kreves et veldig sterkt magnetfelt for å sveve et tog. JR – Maglev-togene har superledende magnetiske spoler, men JR – Maglev-levitasjonen skyldes ikke Meissner-effekten.

RotasjonsstabiliseringEdit

En magnet eller riktig sammensatt rekke magneter med et toroidefelt kan løftes stabilt mot tyngdekraften når gyroskopisk stabiliseres ved å spinne den i et sekund toroidefelt opprettet av en basering av magnet (er). Dette fungerer imidlertid bare mens hastigheten på presesjon er mellom både øvre og nedre kritiske terskler – stabilitetsområdet er ganske smalt både i rom og i den nødvendige hastigheten på presesjon.

Den første oppdagelsen av dette fenomenet var av Roy M. Harrigan, en oppfinner i Vermont som patenterte en levitasjonsanordning i 1983 basert på den. Flere enheter som bruker rotasjonsstabilisering (for eksempel det populære Levitron-merket levitating top toy) er utviklet med henvisning til dette patentet. Ikke-kommersielle enheter er opprettet for universitetsforskningslaboratorier, som vanligvis bruker magneter som er for kraftige for sikker offentlig samhandling.

Sterk fokusering Rediger

Earnshaws teori gjelder strengt tatt bare statiske felt. Alternerende magnetfelt, selv rent vekslende attraktive felt, kan indusere stabilitet og begrense en bane gjennom et magnetfelt for å gi en levitasjonseffekt.

Dette brukes i partikkel akseleratorer for å begrense og løfte ladede partikler, og er også foreslått for maglevtog.