Magnetische levitatie

Voor succesvolle levitatie en controle van alle 6 assen (vrijheidsgraden; 3 translatie en 3 rotatie) een combinatie van permanente magneten en elektromagneten of diamagneten of supergeleiders evenals aantrekkelijke en afstotende velden kan worden gebruikt. Volgens de stelling van Earnshaw moet ten minste één stabiele as aanwezig zijn om het systeem met succes te laten zweven, maar de andere assen kunnen worden gestabiliseerd met behulp van ferromagnetisme.

De primaire assen die worden gebruikt in magneettreinen zijn servo-gestabiliseerde elektromagnetische ophanging (EMS), elektrodynamische ophanging (EDS).

Mechanische beperking (pseudo-levitatie) Bewerken

Met een kleine hoeveelheid mechanische beperking voor stabiliteit, wordt pseudo- levitatie is een relatief eenvoudig proces.

Als twee magneten bijvoorbeeld mechanisch worden vastgehouden langs een enkele as en zijn gerangschikt om elkaar sterk af te stoten, zal dit ervoor zorgen dat een van de magneten boven elkaar zweeft.

Een andere geometrie is waar de magneten worden aangetrokken, maar niet worden aangeraakt door een trekelement, zoals een touw of kabel.

Anoth Een voorbeeld is de centrifuge van het Zippe-type waarbij een cilinder is opgehangen onder een aantrekkelijke magneet en van onderaf wordt gestabiliseerd door een naaldlager.

Een andere configuratie bestaat uit een reeks permanente magneten die zijn geïnstalleerd in een ferromagnetische U-vorm profiel en gekoppeld aan een ferromagnetische rail. De magnetische flux kruist de rail in een richting dwars op de eerste as en creëert een gesloten lus op het U-vormige profiel. Deze configuratie genereert een stabiel evenwicht langs de eerste as waardoor de rail gecentreerd blijft op het fluxkruispunt (minimale magnetische weerstand) en het mogelijk maakt om een magnetische belasting te dragen. Op de andere as wordt het systeem beperkt en gecentreerd door mechanische middelen, zoals wielen.

ServomechanismsEdit

De aantrekkingskracht van een magneet met een vaste sterkte neemt af naarmate de afstand groter wordt en neemt toe naarmate de afstanden dichterbij komen. Dit is instabiel. Voor een stabiel systeem is het tegenovergestelde nodig, variaties van een stabiele positie zouden het terug naar de doelpositie moeten duwen.

Stabiele magnetische levitatie kan worden bereikt door de positie en snelheid van het object dat wordt opgeheven te meten, en met behulp van een feedbacklus die continu een of meer elektromagneten aanpast om de beweging van het object te corrigeren, waardoor een servomechanisme wordt gevormd.

Veel systemen gebruiken magnetische aantrekking die tegen de zwaartekracht in omhoog trekt voor dit soort systemen, omdat dit een inherent laterale stabiliteit, maar sommige gebruiken een combinatie van magnetische aantrekking en magnetische afstoting om omhoog te duwen.

Beide systemen vertegenwoordigen voorbeelden van elektromagnetische ophanging (EMS). Voor een heel eenvoudig voorbeeld gebruiken sommige demonstraties van tafelbladlevitatie dit principe, en het object snijdt een lichtstraal of de Hall-effect-sensormethode wordt gebruikt om de positie van het object te meten. De elektromagneet bevindt zich boven het object dat wordt opgeheven; de elektromagneet wordt uitgeschakeld wanneer de object komt te dichtbij en wordt weer ingeschakeld wanneer het verder weg valt. Zo’n eenvoudig systeem is niet erg robuust; Er bestaan veel effectievere controlesystemen, maar dit illustreert het basisidee.

EMS-treinen met magnetische levitatie zijn gebaseerd op dit soort levitatie: de trein wikkelt zich rond het spoor en wordt van onderaf naar boven getrokken. De servobesturingen houden hem veilig op een constante afstand van de baan.

Induced currents Edit

Deze schema’s werken vanwege afstoting als gevolg van De wet van Lenz. Wanneer een geleider wordt aangeboden met een in de tijd variërend magnetisch veld, worden elektrische stromen in de geleider opgewekt die een magnetisch veld creëren dat een afstotend effect veroorzaakt.

Dit soort systemen vertonen typisch een inherente stabiliteit, hoewel extra demping soms vereist is.

Relatieve beweging tussen geleiders en magneten Bewerken

Als men een basis beweegt die is gemaakt van een zeer goede elektrische geleider zoals koper, aluminium of zilver, sluit naar een magneet wordt een (wervel) stroom opgewekt in de geleider die de veranderingen in het veld tegenwerkt en een tegengesteld veld creëert dat de magneet afstoot (wet van Lenz). Bij een voldoende hoge bewegingssnelheid zal een hangende magneet op het metaal zweven, of omgekeerd bij opgehangen metaal.Litzedraad gemaakt van draad dunner dan de huiddiepte voor de frequenties die door het metaal worden waargenomen, werkt veel efficiënter dan massieve geleiders. Figuur 8-spoelen kunnen worden gebruikt om iets uitgelijnd te houden.

Een bijzonder technologisch interessant geval hiervan is wanneer men een Halbach-array gebruikt in plaats van een enkelpolige permanente magneet, omdat dit de veldsterkte bijna verdubbelt, wat in draai verdubbelt bijna de kracht van de wervelstromen. Het netto-effect is om de hefkracht meer dan te verdrievoudigen. Het gebruik van twee tegengestelde Halbach-arrays verhoogt het veld nog verder.

Halbach-arrays zijn ook zeer geschikt voor magnetische levitatie en stabilisatie van gyroscopen en elektrische motor- en generatorspindels.

Oscillerende elektromagnetische velden / h4>

Aluminiumfolie zweeft boven de inductiekookplaat dankzij wervelstromen die erin worden opgewekt.

Een geleider kan boven een elektromagneet zweven (of vice versa) terwijl er een wisselstroom doorheen stroomt. Hierdoor gedraagt elke gewone geleider zich als een diamagneet, vanwege de wervelstromen die in de geleider worden opgewekt. Omdat de wervelstromen hun eigen velden creëren die tegen het magnetische veld zijn, wordt het geleidende object afgestoten door de elektromagneet en zullen de meeste veldlijnen van het magnetische veld niet langer het geleidende object binnendringen.

Dit effect vereist niet-ferromagnetische maar sterk geleidende materialen zoals aluminium of koper, aangezien de ferromagnetische materialen ook sterk worden aangetrokken door de elektromagneet (hoewel bij hoge frequenties het veld nog steeds kan worden uitgestoten) en meestal een hogere soortelijke weerstand hebben, wat leidt tot lagere wervelstromen. Nogmaals, litzendraad geeft de beste resultaten.

Het effect kan worden gebruikt voor stunts zoals het laten zweven van een telefoonboek door er een aluminium plaat in te verbergen.

Bij hoge frequenties (een paar tientallen kilohertz of zo) en kilowatt-vermogens kleine hoeveelheden metalen kunnen worden opgeheven en gesmolten door middel van levitatie-smelten zonder het risico te lopen dat het metaal wordt verontreinigd door de smeltkroes.

Een bron van oscillerend magnetisch veld dat wordt gebruikt is de lineaire inductiemotor. Dit kan zowel worden gebruikt om te zweven als voor voortstuwing.

Diamagnetisch gestabiliseerde levitatie Bewerken

De stelling van Earnshaw is niet van toepassing op diamagneten. Deze gedragen zich anders dan normale magneten vanwege hun relatieve permeabiliteit van μr < 1 (dwz negatieve magnetische susceptibiliteit). Diamagnetische levitatie kan inherent stabiel zijn.

Een permanente magneet kan stabiel worden opgehangen door verschillende configuraties van sterke permanente magneten en sterke diamagneten. Bij gebruik van supergeleidende magneten kan de levitatie van een permanente magneet zelfs worden gestabiliseerd door het kleine diamagnetisme van water in menselijke vingers.

Diamagnetische levitatieEdit

Diamagnetisme is de eigenschap van een object waardoor het om een magnetisch veld te creëren in tegenstelling tot een extern aangelegd magnetisch veld, waardoor het materiaal wordt afgestoten door magnetische velden. Diamagnetische materialen zorgen ervoor dat magnetische fluxlijnen van het materiaal af buigen. In het bijzonder verandert een extern magnetisch veld de orbitale snelheid van elektronen rond hun kernen, waardoor het magnetische dipoolmoment verandert.

Volgens de wet van Lenz is dit tegengesteld aan het externe veld. Diamagneten zijn materialen met een magnetische permeabiliteit minder dan μ0 (een relatieve permeabiliteit kleiner dan 1). Bijgevolg is diamagnetisme een vorm van magnetisme die alleen wordt vertoond door een stof in de aanwezigheid van een extern aangelegd magnetisch veld. Het is over het algemeen een vrij zwak effect in de meeste materialen, hoewel supergeleiders een sterk effect vertonen.

Directe diamagnetische levitatie Bewerken

Een stof die diamagnetisch is, stoot een magnetisch veld af. Alle materialen hebben diamagnetische eigenschappen, maar de effect is erg zwak, en wordt gewoonlijk overwonnen door de paramagnetische of ferroma van het object gnetische eigenschappen, die op de tegenovergestelde manier werken. Elk materiaal waarin de diamagnetische component sterker is, wordt afgestoten door een magneet.

Diamagnetische levitatie kan worden gebruikt om zeer lichte stukken pyrolytisch grafiet of bismut boven een matig sterke permanente magneet te laten zweven. Omdat water overwegend diamagnetisch is, is deze techniek gebruikt om waterdruppels en zelfs levende dieren te laten zweven, zoals een sprinkhaan, een kikker en een muis.De magnetische velden die hiervoor nodig zijn, zijn echter erg hoog, typisch in het bereik van 16 tesla’s, en veroorzaken daarom aanzienlijke problemen als ferromagnetische materialen in de buurt zijn. Voor de werking van deze elektromagneet die werd gebruikt in het experiment met kikkerlevitatie was 4 MW (4000000 watt) vermogen vereist. : 5

Het minimumcriterium voor diamagnetische levitatie is B d B dz = μ 0 ρ g χ {\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}, waarbij:

Uitgaande van ideale omstandigheden langs de z-richting van de solenoïde magneet:

SuperconductorsEdit

Supergeleiders kunnen worden beschouwd als perfecte diamagneten en stoten magnetische velden volledig uit vanwege het Meissner-effect wanneer de supergeleiding zich aanvankelijk vormt; dus supergeleidende levitatie kan worden beschouwd als een bijzonder geval van diamagnetische levitatie. In een type II supergeleider wordt de levitatie van de magneet verder gestabiliseerd als gevolg van flux pinning in de supergeleider; dit heeft de neiging om te voorkomen dat de supergeleider beweegt ten opzichte van het magnetische veld, zelfs als het zwevende systeem omgekeerd is.

Deze principes worden benut door EDS (Electrodynamic Suspension), supergeleidende lagers, vliegwielen, enz.

Een zeer sterk magnetisch veld is vereist om een trein te laten zweven. De JR-Maglev-treinen hebben supergeleidende magnetische spoelen, maar de JR-Maglev-levitatie is niet te wijten aan het Meissner-effect.

RotatiestabilisatieEdit

Een magneet of correct gemonteerde reeks magneten met een ringkernveld kan stabiel tegen de zwaartekracht in zweven wanneer hij gyroscopisch wordt gestabiliseerd door hem in een seconde te draaien ringkernveld gecreëerd door een basisring van magneet (en). Dit werkt echter alleen als de precessie zich tussen zowel de bovenste als de onderste kritische drempel bevindt – het stabiliteitsgebied is vrij smal, zowel ruimtelijk als in de vereiste precessie.

De eerste ontdekking van dit fenomeen was door Roy M. Harrigan, een uitvinder uit Vermont die in 1983 op basis daarvan een patent had op een levitatie-apparaat. Er zijn verschillende apparaten ontwikkeld die rotatiestabilisatie gebruiken (zoals het populaire Levitron-speelgoed met zwevende top) onder verwijzing naar dit patent. Er zijn niet-commerciële apparaten gemaakt voor universitaire onderzoekslaboratoria, die over het algemeen magneten gebruiken die te krachtig zijn voor veilige openbare interactie.

Sterke focus Bewerken

De theorie van Earnshaw is strikt alleen van toepassing op statische velden. Wisselende magnetische velden, zelfs puur afwisselende aantrekkelijke velden, kunnen stabiliteit induceren en een traject door een magnetisch veld beperken om een levitatie-effect te geven.

Dit wordt gebruikt in deeltjes. versnellers om geladen deeltjes op te sluiten en op te tillen, en is ook voorgesteld voor magneettreinen.