Lewitacja magnetyczna

Do skutecznej lewitacji i kontroli wszystkich 6 osi (stopnie swobody; 3 translacyjne i 3 obrotowe) połączenie magnesów trwałych i elektromagnesów lub diamagnesów lub nadprzewodników, a także atrakcyjnych i odpychających pól może być użyty. Z twierdzenia Earnshawa wynika, że przynajmniej jedna stabilna oś musi być obecna, aby system mógł z powodzeniem lewitować, ale pozostałe osie można ustabilizować za pomocą ferromagnetyzmu.

Podstawowymi używanymi w pociągach maglev są stabilizowane serwo zawieszenie elektromagnetyczne (EMS), zawieszenie elektrodynamiczne (EDS).

Ograniczenie mechaniczne (pseudo-lewitacja) Edytuj

Przy niewielkiej ilości mechanicznego ograniczenia stabilności, osiągnięcie pseudo- lewitacja jest stosunkowo prostym procesem.

Jeśli na przykład dwa magnesy są mechanicznie ściskane wzdłuż jednej osi i ustawione tak, aby silnie się od siebie odpychały, spowoduje to lewitację jednego magnesu nad drugim.

Inną geometrią jest miejsce, w którym magnesy są przyciągane, ale nie dotykają go elementy rozciągliwe, takie jak sznurek lub kabel.

Inne Przykładem jest wirówka typu Zippe, w której cylinder jest zawieszony pod atrakcyjnym magnesem i stabilizowany przez łożysko igiełkowe od dołu.

Inna konfiguracja składa się z szeregu magnesów trwałych zainstalowanych w ferromagnetycznym kształcie litery U profil i połączone z szyną ferromagnetyczną. Strumień magnetyczny przecina szynę w kierunku poprzecznym do pierwszej osi i tworzy zamkniętą pętlę na profilu w kształcie litery U. Taka konfiguracja generuje stabilną równowagę wzdłuż pierwszej osi, która utrzymuje szynę wyśrodkowaną w punkcie przecięcia strumienia (minimalna reluktancja magnetyczna) i pozwala na magnetyczne przenoszenie obciążenia. Na drugiej osi system jest ograniczony i wyśrodkowany za pomocą środków mechanicznych, takich jak koła.

SerwomechanizmyEdit

Przyciąganie magnesu o stałej sile maleje wraz ze wzrostem odległości i zwiększa się przy mniejszych odległościach. To jest niestabilne. Aby uzyskać stabilny system, potrzebne jest odwrotne ustawienie, odchylenia od stabilnej pozycji powinny popychać go z powrotem do pozycji docelowej.

Stabilną lewitację magnetyczną można osiągnąć, mierząc pozycję i prędkość lewitowanego obiektu oraz przy użyciu pętli sprzężenia zwrotnego, która w sposób ciągły dostosowuje jeden lub więcej elektromagnesów, aby skorygować ruch obiektu, tworząc w ten sposób serwomechanizm.

Wiele systemów wykorzystuje przyciąganie magnetyczne przyciągające w górę wbrew grawitacji w tego typu systemach, ponieważ daje to pewne nieodłączne stabilność boczna, ale niektórzy używają kombinacji przyciągania magnetycznego i odpychania magnetycznego do pchania w górę.

Każdy system reprezentuje przykłady zawieszenia elektromagnetycznego (EMS). Dla bardzo prostego przykładu, niektóre demonstracje lewitacji na stole wykorzystują tę zasadę: a obiekt przecina wiązkę światła lub metoda czujnika Halla służy do pomiaru położenia obiektu. Elektromagnes znajduje się nad lewitowanym obiektem; elektromagnes jest wyłączany za każdym razem, gdy obiekt zbliża się zbyt blisko i włącza się ponownie, gdy spada dalej. Taki prosty system nie jest bardzo solidny; Istnieją znacznie bardziej efektywne systemy sterowania, ale to ilustruje podstawową ideę.

Pociągi z lewitacją magnetyczną EMS są oparte na tego rodzaju lewitacji: pociąg owija się wokół toru i jest ciągnięty do góry od dołu. Kontrolery serwa utrzymują go bezpiecznie w stałej odległości od toru.

Prądy indukowaneEdit

Te schematy działają z powodu odpychania z powodu Prawo Lenza. Kiedy przewodnik ma zmienne w czasie pole magnetyczne, powstają w nim prądy elektryczne, które wytwarzają pole magnetyczne, które wywołuje efekt odpychający.

Tego rodzaju systemy zazwyczaj wykazują naturalna stabilność, chociaż czasami wymagane jest dodatkowe tłumienie.

Względny ruch między przewodnikami i magnesamiEdytuj

Jeśli przesuniesz podstawę wykonaną z bardzo dobrego przewodnika elektrycznego, takiego jak miedź, aluminium lub srebro zamknij W przypadku magnesu w przewodniku zostanie indukowany (wirowy) prąd, który przeciwstawi się zmianom pola i utworzy przeciwne pole, które będzie odpychać magnes (prawo Lenza). Przy wystarczająco dużej szybkości ruchu zawieszony magnes będzie lewitował na metalu lub odwrotnie w przypadku zawieszonego metalu.Drut Litz wykonany z drutu cieńszego niż grubość naskórka dla częstotliwości widzianych przez metal działa znacznie wydajniej niż przewodniki stałe. Ryc. 8 cewki mogą być użyte do utrzymania czegoś wyrównanego.

Szczególnie interesujący technologicznie przypadek tego ma miejsce, gdy używa się matrycy Halbacha zamiast jednobiegunowego magnesu stałego, ponieważ to prawie podwaja siłę pola, która w turn prawie podwaja siłę prądów wirowych. Efektem netto jest ponad trzykrotne zwiększenie siły nośnej. Zastosowanie dwóch przeciwstawnych macierzy Halbacha jeszcze bardziej zwiększa pole.

Macierze Halbacha są również dobrze przystosowane do lewitacji magnetycznej i stabilizacji żyroskopów oraz wrzecion silnika elektrycznego i generatora.

Oscylujące pola elektromagnetyczneEdytuj

Przewodnik może unosić się nad elektromagnesem (lub odwrotnie) z przepływającym przez niego prądem przemiennym. Powoduje to, że każdy zwykły przewodnik zachowuje się jak diamagnes ze względu na prądy wirowe generowane w przewodniku. Ponieważ prądy wirowe tworzą własne pola, które przeciwstawiają się polu magnetycznemu, obiekt przewodzący jest odpychany od elektromagnesu, a większość linii pola magnetycznego nie będzie już penetrować obiektu przewodzącego.

Ten efekt wymaga materiałów nieferromagnetycznych, ale silnie przewodzących, takich jak aluminium lub miedź, ponieważ te ferromagnetyczne są również silnie przyciągane do elektromagnesu (chociaż przy wysokich częstotliwościach pole może być nadal wyrzucane) i mają tendencję do posiadania większej rezystywności, co daje niższe prądy wirowe. Ponownie, najlepsze wyniki daje drut litzowy.

Efekt można wykorzystać do akrobacji, takich jak lewitacja książki telefonicznej poprzez ukrycie w niej aluminiowej płytki.

Przy wysokich częstotliwościach (kilka dziesiątki kiloherców) i moc kilowatów małe ilości metali mogą być lewitowane i topione za pomocą topienia lewitacyjnego bez ryzyka zanieczyszczenia metalu przez tygiel.

Jednym ze źródeł oscylującego pola magnetycznego jest liniowy silnik indukcyjny. Może być używany zarówno do lewitacji, jak i do zapewnienia napędu.

Lewitacja stabilizowana diamagnetycznieEdit

Twierdzenie Earnshawa nie dotyczy diamagnesów. Zachowują się one odwrotnie niż zwykłe magnesy ze względu na ich względną przepuszczalność wynoszącą μr < 1 (tj. ujemna podatność magnetyczna). Lewitacja diamagnetyczna może być z natury stabilna.

Magnes trwały może być stabilnie zawieszony dzięki różnym konfiguracjom silnych magnesów trwałych i silnych diamagnetyków. W przypadku stosowania magnesów nadprzewodzących lewitację magnesu trwałego można nawet ustabilizować dzięki małej diamagnetyzmowi wody w ludzkich palcach.

Lewitacja diamagnetycznaEdit

Diamagnetyzm jest własnością obiektu, który go powoduje aby wytworzyć pole magnetyczne w przeciwieństwie do zewnętrznego pola magnetycznego, powodując odpychanie materiału przez pola magnetyczne. Materiały diamagnetyczne powodują, że linie strumienia magnetycznego odchylają się od materiału. W szczególności zewnętrzne pole magnetyczne zmienia prędkość orbitalną elektronów wokół ich jąder, zmieniając w ten sposób moment dipolowy magnetyczny.

Zgodnie z prawem Lenza przeciwstawia się to zewnętrznemu polu. Diamagnety to materiały o przenikalności magnetycznej mniej niż μ0 (względna przepuszczalność mniejsza niż 1). W konsekwencji diamagnetyzm jest formą magnetyzmu, którą wykazuje substancja tylko w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Generalnie jest to dość słaby efekt w większości materiałów, chociaż nadprzewodniki wykazują silny efekt.

Bezpośrednia lewitacja diamagnetycznaEdit

Diamagnetyczna substancja odpycha pole magnetyczne. Wszystkie materiały mają właściwości diamagnetyczne, ale Efekt jest bardzo słaby i zwykle jest przezwyciężany przez paramagnetyczny lub ferromagnetyczny obiekt właściwości gnetyczne, które działają w odwrotny sposób. Każdy materiał, w którym składnik diamagnetyczny jest silniejszy, zostanie odparty przez magnes.

Lewitacja diamagnetyczna może być użyta do lewitacji bardzo lekkich kawałków grafitu pirolitycznego lub bizmutu nad umiarkowanie silnym magnesem trwałym. Ponieważ woda jest głównie diamagnetyczna, technika ta została wykorzystana do lewitacji kropelek wody, a nawet żywych zwierząt, takich jak konik polny, żaba i mysz.Jednak wymagane do tego pola magnetyczne są bardzo duże, zwykle w zakresie 16 tesli, a zatem stwarzają poważne problemy, jeśli w pobliżu znajdują się materiały ferromagnetyczne. Działanie tego elektromagnesu użytego w eksperymencie z lewitacją żaby wymagało 4 MW (4000000 watów) mocy. : 5

Minimalnym kryterium lewitacji diamagnetycznej jest B d B dz = μ 0 ρ g χ {\ Displaystyle B {\ Frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}, gdzie:

Zakładając idealne warunki wzdłuż kierunku z magnesu elektromagnesu:

SuperconductorsEdit

Nadprzewodniki mogą być uważane za doskonałe diamagnety i całkowicie usuwają pola magnetyczne z powodu efektu Meissnera, gdy początkowo tworzy się nadprzewodnictwo; tak więc lewitację nadprzewodzącą można uznać za szczególny przypadek lewitacji diamagnetycznej. W nadprzewodniku typu II lewitacja magnesu jest dodatkowo stabilizowana dzięki przypinaniu strumienia w nadprzewodniku; ma to tendencję do powstrzymywania nadprzewodnika przed przemieszczaniem się w odniesieniu do pola magnetycznego, nawet jeśli lewitowany system jest odwrócony.

Zasady te są wykorzystywane przez EDS (zawieszenie elektrodynamiczne), łożyska nadprzewodzące, koła zamachowe itp.

Do lewitacji pociągu potrzebne jest bardzo silne pole magnetyczne. Pociągi JR – Maglev mają nadprzewodzące cewki magnetyczne, ale lewitacja JR – Maglev nie jest spowodowana efektem Meissnera.

Stabilizacja obrotowaEdit

Magnes lub odpowiednio zmontowany układ magnesów z polem toroidalnym można stabilnie lewitować w stosunku do grawitacji, gdy jest stabilizowany żyroskopowo, obracając go w ciągu sekundy pole toroidalne wytwarzane przez pierścień podstawy magnesu (ów). Jednak działa to tylko wtedy, gdy tempo precesji znajduje się między górnym i dolnym progiem krytycznym – obszar stabilności jest dość wąski zarówno przestrzennie, jak i w wymaganym tempie precesji.

Pierwszym odkryciem tego zjawiska było autorstwa Roya M. Harrigana, wynalazcy z Vermontu, który w 1983 roku opatentował oparte na nim urządzenie lewitacyjne. Cytując ten patent, opracowano kilka urządzeń wykorzystujących stabilizację obrotową (takich jak popularna lewitująca górna zabawka marki Levitron). Urządzenia niekomercyjne zostały stworzone dla uniwersyteckich laboratoriów badawczych, na ogół przy użyciu magnesów zbyt silnych dla bezpiecznych interakcji publicznych.

Silne skupienieEdytuj

Teoria Earnshawa ma zastosowanie wyłącznie do pól statycznych. Zmienne pola magnetyczne, nawet czysto zmienne pola atrakcyjne, mogą wywoływać stabilność i ograniczać trajektorię w polu magnetycznym, dając efekt lewitacji.

Jest to używane w cząstkach akceleratory do zatrzymywania i podnoszenia naładowanych cząstek i zostały zaproponowane również dla pociągów maglev.