Pentru levitația și controlul cu succes al tuturor celor 6 axe (grade de libertate; 3 de translație și 3 de rotație) o combinație de magneți permanenți și electromagneti sau diamaniți sau superconductori precum și câmpuri atractive și respingătoare poate fi folosit. Din teorema lui Earnshaw, cel puțin o axă stabilă trebuie să fie prezentă pentru ca sistemul să leviteze cu succes, dar celelalte axe pot fi stabilizate folosind feromagnetismul.
Cele principale utilizate în trenurile maglev sunt suspensia electromagnetică servo-stabilizată. (EMS), suspensie electrodinamică (EDS).
Un exemplu de pseudo-levitație magnetică cu suport mecanic (tijă de lemn) asigurând stabilitate.
Constrângere mecanică (pseudo-levitație) Edit
Cu o cantitate mică de constrângere mecanică pentru stabilitate, realizând pseudo- levitația este un proces relativ simplu.
Dacă doi magneți sunt constrânși mecanic de-a lungul unei singure axe, de exemplu, și aranjați să se respingă puternic unul pe altul, acest lucru va acționa pentru a levita unul dintre magneți deasupra celuilalt.
O altă geometrie este locul în care magneții sunt atrași, dar împiedicați atingerea de către un element de întindere, cum ar fi un șir sau un cablu.
Anoth Un exemplu este centrifuga de tip Zippe în care un cilindru este suspendat sub un magnet atractiv și stabilizat de un rulment cu ac de dedesubt.
O altă configurație constă dintr-o serie de magneți permanenți instalați într-un feromagnetic în formă de U profil și cuplat cu o șină feromagnetică. Fluxul magnetic traversează șina într-o direcție transversală față de prima axă și creează o buclă închisă pe profilul în formă de U. Această configurație generează un echilibru stabil de-a lungul primei axe care menține șina centrată pe punctul de trecere a fluxului (reluctanță magnetică minimă) și permite să suporte o sarcină magnetic. Pe cealaltă axă, sistemul este constrâns și centrat prin mijloace mecanice, cum ar fi roțile.
ServomechanismsEdit
Sistemul Transrapid folosește servomecanisme pentru a trage trenul de sub linie și menține un decalaj constant în timp ce călătoriți cu viteză mare
Glob plutitor. Levitație magnetică cu o buclă de feedback.
Atracția de la un magnet cu rezistență fixă scade odată cu creșterea distanței și crește la distanțe mai apropiate. Acest lucru este instabil. Pentru un sistem stabil, este necesar opusul, variațiile dintr-o poziție stabilă ar trebui să îl împingă înapoi în poziția țintă.
Levitația magnetică stabilă poate fi realizată prin măsurarea poziției și vitezei obiectului care este levitat și folosind o buclă de feedback care reglează continuu unul sau mai mulți electromagneti pentru a corecta mișcarea obiectului, formând astfel un servomecanism.
Multe sisteme folosesc atracția magnetică trăgând în sus împotriva gravitației pentru aceste tipuri de sisteme, deoarece aceasta oferă unele inerente stabilitate laterală, dar unii folosesc o combinație de atracție magnetică și repulsie magnetică pentru a împinge în sus.
Ambele sisteme reprezintă exemple de suspensie electromagnetică (EMS). Pentru un exemplu foarte simplu, unele demonstrații de levitație de masă folosesc acest principiu, iar obiectul taie un fascicul de lumină sau metoda senzorului de efect Hall este utilizată pentru a măsura poziția obiectului. Electromagnetul este deasupra obiectului care este levitat; electromagnetul este oprit ori de câte ori obiectul se apropie prea mult și se aprinde din nou când cade mai departe. Un sistem atât de simplu nu este foarte robust; există sisteme de control mult mai eficiente, dar aceasta ilustrează ideea de bază.
Trenurile de levitație magnetică EMS se bazează pe acest tip de levitație: trenul se înfășoară în jurul căii și este tras în sus de jos. Comenzile servo îl mențin în siguranță la o distanță constantă de cale.
Induced CurrentsEdit
Aceste scheme funcționează datorită repulsiei datorită Legea lui Lenz. Când un conductor este prezentat cu un câmp magnetic care variază în timp, se instalează curenți electrici în conductor care creează un câmp magnetic care provoacă un efect respingător.
Aceste tipuri de sisteme arată de obicei o stabilitate inerentă, deși este necesară uneori o amortizare suplimentară.
Mișcarea relativă dintre conductori și magneți Editați
Dacă se deplasează o bază făcută dintr-un conductor electric foarte bun precum cupru, aluminiu sau argintiu închideți unui magnet, un conductor (turbionar) va fi indus în conductor care se va opune schimbărilor din câmp și va crea un câmp opus care va respinge magnetul (legea lui Lenz). La o rată de mișcare suficient de ridicată, un magnet suspendat va levita pe metal sau invers cu metalul suspendat.Sârmă Litz din sârmă mai subțire decât adâncimea pielii pentru frecvențele văzute de metal funcționează mult mai eficient decât conductorii solizi. Figura 8 bobine poate fi folosită pentru a menține ceva aliniat.
Un caz deosebit de interesant din punct de vedere tehnologic vine atunci când se folosește o matrice Halbach în locul unui magnet permanent cu un singur pol, deoarece aceasta aproape dublează intensitatea câmpului, care în virajul aproape dublează puterea curenților turbionari. Efectul net este de a tripla forța de ridicare. Folosirea a două rețele Halbach opuse crește câmpul și mai mult.
Rețelele Halbach sunt, de asemenea, potrivite pentru levitația magnetică și stabilizarea giroscopilor și a motorului electric și a fusurilor generatorului.
Câmpuri electromagnetice oscilanteEdit
Folie de aluminiu care pluteste deasupra blatului de inducție datorită curenților turbionari induși în acesta.
Un conductor poate fi levitat deasupra unui electromagnet (sau invers) cu un curent alternativ care curge prin el. Acest lucru face ca orice conductor regulat să se comporte ca un diamagnet, datorită curenților turbionari generați în conductor. Deoarece curenții turbionari își creează propriile câmpuri care se opun câmpului magnetic, obiectul conductor este respins de electromagnet și majoritatea liniilor de câmp ale câmpului magnetic nu vor mai pătrunde în obiectul conductor.
Acest efect necesită materiale neferomagnetice, dar foarte conductoare, cum ar fi aluminiu sau cupru, deoarece cele feromagnetice sunt, de asemenea, puternic atrase de electromagnet (deși la frecvențe înalte câmpul poate fi totuși expulzat) și tind să aibă o rezistivitate mai mare, dând curenți turbionari mai mici. Din nou, firul litz dă cele mai bune rezultate.
Efectul poate fi folosit pentru cascadorii, cum ar fi levitarea unei agende telefonice prin ascunderea unei plăci de aluminiu în ea.
La frecvențe înalte (câteva zeci de kilohertz sau cam așa) și puterea de kilowați cantități mici de metale pot fi levitate și topite utilizând topirea prin levitație fără ca riscul ca metalul să fie contaminat de creuzet.
O sursă de câmp magnetic oscilant utilizat este motorul cu inducție liniară. Aceasta poate fi utilizată atât pentru levitarea, cât și pentru a oferi propulsie.
Levitație stabilizată diamagnetic Editați
Magnetul permanent levitat stabil între vârfurile degetelor
Teorema lui Earnshaw nu se aplică diamagnetilor. Aceștia se comportă în mod opus magneților normali datorită permeabilității lor relative de μr < 1 (adică susceptibilitate magnetică negativă). Levitația diamagnetică poate fi în mod inerent stabilă.
Un magnet permanent poate fi suspendat stabil prin diferite configurații de magneți permanenți puternici și diamani puternici. Atunci când se utilizează magneți supraconductori, levitația unui magnet permanent poate fi chiar stabilizată de micul diamagnetism al apei din degetele umane.
Levitație diamagneticăEdit
Levitația diamagnetică a carbonului pirolitic
Diamagnetismul este proprietatea unui obiect care îl provoacă pentru a crea un câmp magnetic în opoziție cu un câmp magnetic aplicat extern, provocând astfel respingerea materialului de câmpuri magnetice. Materialele diamagnetice determină curbarea liniilor de flux magnetic de material. Mai exact, un câmp magnetic extern modifică viteza orbitală a electronilor din jurul nucleelor lor, modificând astfel momentul dipol magnetic.
Conform legii lui Lenz, acest lucru se opune câmpului extern. Diametații sunt materiale cu permeabilitate magnetică. mai puțin de μ0 (o permeabilitate relativă mai mică de 1). În consecință, diamagnetismul este o formă de magnetism care este expusă doar de o substanță în prezența unui câmp magnetic aplicat extern. Este, în general, un efect destul de slab în majoritatea materialelor, deși supraconductori prezintă un efect puternic.
Levitația diamagnetică directăEdit
O broască vie levitează în interiorul unui Alezaj vertical de 32 mm diametru al unui solenoid amar într-un câmp magnetic de aproximativ 16 teslas
O substanță diamagnetică respinge un câmp magnetic. Toate materialele au proprietăți diamagnetice, dar efectul este foarte slab și este de obicei depășit de paramagneticul sau feromul obiectului proprietăți gnetice, care acționează în mod opus. Orice material în care componenta diamagnetică este mai puternică va fi respins de un magnet.
Levitația diamagnetică poate fi utilizată pentru a levita bucăți foarte ușoare de grafit pirolitic sau bismut deasupra unui magnet permanent moderat. Deoarece apa este predominant diamagnetică, această tehnică a fost utilizată pentru levitarea picăturilor de apă și chiar a animalelor vii, cum ar fi o lăcustă, o broască și un șoarece.Cu toate acestea, câmpurile magnetice necesare pentru aceasta sunt foarte mari, în mod obișnuit în intervalul de 16 tesle și, prin urmare, creează probleme semnificative dacă se află materiale feromagnetice în apropiere. Funcționarea acestui electromagnet utilizat în experimentul de levitație a broaștei a necesitat 4 MW (4000000 wați) de putere. : 5
Criteriul minim pentru levitația diamagnetică este B d B dz = μ 0 ρ g χ {\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}, unde:
Presupunând condiții ideale de-a lungul direcției z a magnetului solenoid:
SuperconductorsEdit
Superconductorii pot fi considerați diamagnete perfecte și elimină complet câmpurile magnetice datorită efectului Meissner atunci când se formează inițial superconductivitatea; astfel levitația supraconductoare poate fi considerată un caz particular al levitației diamagnetice. Într-un superconductor de tip II, levitația magnetului este stabilizată în continuare datorită fixării fluxului în interiorul supraconductorului; aceasta tinde să oprească mișcarea supraconductorului față de câmpul magnetic, chiar dacă sistemul levitat este inversat.
Aceste principii sunt exploatate de EDS (suspensie electrodinamică), rulmenți supraconductori, volante etc.
Pentru a levita un tren este necesar un câmp magnetic foarte puternic. Trenurile JR – Maglev au bobine magnetice supraconductoare, dar levitația JR – Maglev nu se datorează efectului Meissner.
Rotational stabilizationEdit
Topul mărcii Levitron este un exemplu de levitație magnetică stabilizată la spin
Un magnet sau un ansamblu de magneți asamblat corespunzător cu un câmp toroidal poate fi levitat în mod stabil împotriva gravitației atunci când este giroscopic stabilizat prin rotirea acestuia într-o secundă câmp toroidal creat de un inel de bază de magnet (i). Cu toate acestea, acest lucru funcționează numai în timp ce rata precesiunii este între pragurile critice superioare și inferioare – regiunea stabilității este destul de îngustă atât în spațiu, cât și în rata necesară de precesie.
Prima descoperire a acestui fenomen a fost de Roy M. Harrigan, un inventator din Vermont care a brevetat un dispozitiv de levitație în 1983 pe baza acestuia. Au fost dezvoltate mai multe dispozitive care utilizează stabilizarea rotațională (cum ar fi popularul jucărie de vârf Levitron cu levitație), citând acest brevet. Dispozitive necomerciale au fost create pentru laboratoarele universitare de cercetare, folosind în general magneți prea puternici pentru interacțiunea publică sigură.
Strong focusEdit
Teoria lui Earnshaw se aplică strict numai câmpurilor statice. Câmpurile magnetice alternante, chiar și doar câmpurile atractive alternante, pot induce stabilitate și pot limita o traiectorie printr-un câmp magnetic pentru a da un efect de levitație.
Acest lucru este utilizat în particule acceleratoare pentru a limita și ridica particulele încărcate și a fost propus și pentru trenurile maglev.