För framgångsrik levitation och kontroll av alla 6 axlar (frihetsgrader, 3 translationella och 3 roterande) en kombination av permanentmagneter och elektromagneter eller diamagneter eller superledare samt attraktiva och motbjudande fält kan användas. Från Earnshaws sats måste minst en stabil axel vara närvarande för att systemet ska kunna sväva framgångsrikt, men de andra axlarna kan stabiliseras med hjälp av ferromagnetism.
De primära som används i maglevtåg är servostabiliserad elektromagnetisk upphängning (EMS), elektrodynamisk suspension (EDS).
Ett exempel på magnetisk pseudo-levitation med ett mekaniskt stöd (trästav) som ger stabilitet.
Mekanisk begränsning (pseudo-levitation) Redigera
Med en liten mängd mekanisk begränsning för stabilitet, uppnår pseudo- levitation är en relativt enkel process.
Om två magneter är mekaniskt begränsade längs en enstaka axel, till exempel, och anordnade att stöta varandra kraftigt, kommer detta att fungera för att lyfta en av magneterna ovanför den andra.
En annan geometri är där magneterna lockas, men hindras från att röra vid ett dragelement, såsom en sträng eller kabel.
Anoth Exempel är centrifug av Zippe-typ där en cylinder är upphängd under en attraktiv magnet och stabiliserad av en nållager underifrån.
En annan konfiguration består av en uppsättning permanentmagneter installerade i en ferromagnetisk U-formad profil och i kombination med en ferromagnetisk skena. Det magnetiska flödet korsar skenan i en riktning tvärs den första axeln och skapar en sluten slinga på den U-formade profilen. Denna konfiguration genererar en stabil jämvikt längs den första axeln som upprätthåller skenan centrerad på flödesövergångspunkten (minimal magnetisk reluktans) och gör det möjligt att bära en belastning magnetiskt. På den andra axeln är systemet begränsat och centrerat med mekaniska medel, såsom hjul.
Servomekanismer Redigera
Transrapid-systemet använder servomekanismer för att dra tåget upp från under spåret och upprätthåller ett konstant gap när man reser i hög hastighet
Flytande jordglob. Magnetisk svävning med en återkopplingsslinga.
Attraktionen från en magnet med fast styrka minskar med ökat avstånd och ökar vid närmare avstånd. Detta är instabilt. För ett stabilt system behövs det motsatta, variationer från ett stabilt läge borde skjuta tillbaka det till målpositionen.
Stabil magnetisk levitation kan uppnås genom att mäta positionen och hastigheten för det objekt som ska svävas och med hjälp av en återkopplingsslinga som kontinuerligt justerar en eller flera elektromagneter för att korrigera objektets rörelse och därmed bildar en servomekanism.
Många system använder magnetisk dragning uppåt mot tyngdkraften för dessa typer av system eftersom detta ger en del inneboende sidostabilitet, men vissa använder en kombination av magnetisk attraktion och magnetisk avstötning för att trycka uppåt.
Vardera systemet representerar exempel på ElectroMagnetic Suspension (EMS). För ett mycket enkelt exempel använder vissa levande demonstrationer på bordsskivan denna princip, och objektet skär en ljusstråle eller Hall-effekt-sensormetoden används för att mäta objektets position. Elektromagneten ligger ovanför föremålet som lyfts ut; elektromagneten stängs av närhelst objektet kommer för nära och slås på igen när det faller längre bort. Ett sådant enkelt system är inte särskilt robust; det finns mycket mer effektiva styrsystem, men detta illustrerar grundidén.
EMS magnetiska levitationståg är baserade på denna typ av levitation: Tåget lindar runt spåret och dras uppåt nedifrån. Servokontrollerna håller det säkert på ett konstant avstånd från spåret.
Inducerade strömmar Redigera
Dessa scheman fungerar på grund av avstötning på grund av Lenzs lag. När en ledare presenteras med ett tidsvarierande magnetfält upprättas elektriska strömmar i ledaren som skapar ett magnetfält som orsakar en avstötande effekt.
Dessa typer av system visar vanligtvis en inneboende stabilitet, även om extra dämpning ibland krävs.
Relativ rörelse mellan ledare och magneterRedigera
Om man flyttar en bas av en mycket bra elektrisk ledare som koppar, aluminium eller silver stänger till en magnet kommer en (virvel) ström att induceras i ledaren som kommer att motsätta sig förändringarna i fältet och skapa ett motsatt fält som kommer att stöta bort magneten (Lenzs lag). Vid en tillräckligt hög rörelsehastighet svävar en upphängd magnet på metallen, eller tvärtom med upphängd metall.Litz-tråd gjord av tråd tunnare än huddjupet för de frekvenser som metallen ser fungerar mycket mer effektivt än fasta ledare. Figur 8-spolar kan användas för att hålla något i linje.
Ett särskilt tekniskt intressant fall av detta kommer när man använder en Halbach-array istället för en enpolig permanentmagnet, eftersom detta nästan fördubblar fältstyrkan, som i vändningen nästan fördubblar styrkan hos virvelströmmarna. Nettoeffekten är att mer än tredubbla lyftkraften. Genom att använda två motsatta Halbach-arrays ökar fältet ytterligare.
Halbach-arrays är också väl lämpade för magnetisk levitation och stabilisering av gyroskop och elektriska motor- och generator-spindlar.
Oscillerande elektromagnetiska fält Redigera
Aluminiumfolie som flyter ovanför induktionshällen tack vare virvelströmmar som induceras i den.
En ledare kan lyftas ovanför en elektromagnet (eller vice versa) med en växelström som strömmar genom den. Detta gör att varje vanlig ledare beter sig som en diamagnet på grund av virvelströmmarna som genereras i ledaren. Eftersom virvelströmmarna skapar sina egna fält som motsätter sig magnetfältet, avvisas det ledande objektet från elektromagneten, och de flesta av fältfälten i magnetfältet kommer inte längre att tränga igenom det ledande objektet.
Denna effekt kräver icke-ferromagnetiska men mycket ledande material som aluminium eller koppar, eftersom de ferromagnetiska också är starkt lockade av elektromagneten (även om fältet fortfarande kan utvisas vid höga frekvenser) och tenderar att ha en högre resistivitet vilket ger lägre virvelströmmar. Återigen ger litztråd de bästa resultaten.
Effekten kan användas för stunts som att lyfta en telefonbok genom att dölja en aluminiumplatta i den.
Vid höga frekvenser (några tiotals kilohertz eller så) och kilowattkrafter små mängder metaller kan svävas och smältas med hjälp av levitationssmältning utan risk för att metallen förorenas av degeln.
En källa till oscillerande magnetfält som används är den linjära induktionsmotorn. Detta kan användas för att levitera såväl som för att ge framdrivning.
Diamagnetiskt stabiliserad levitationEdit
Permanent magnet som stabiliseras mellan fingertopparna
Earnshaw sats gäller inte diamagneter. Dessa beter sig på motsatt sätt till normala magneter på grund av deras relativa permeabilitet av μr < 1 (dvs. negativ magnetisk känslighet). Diamagnetisk svävning kan i sig vara stabil.
En permanentmagnet kan hållas stabilt genom olika konfigurationer av starka permanentmagneter och starka diamagneter. När du använder supraledande magneter kan levitationen av en permanentmagnet till och med stabiliseras av den lilla diamagnetismen av vatten i mänskliga fingrar.
Diamagnetisk levitationEdit
Diamagnetisk levitation av pyrolytiskt kol
Diamagnetism är egenskapen hos ett objekt som orsakar det att skapa ett magnetfält i motsats till ett externt applicerat magnetfält, vilket får materialet att avvisas av magnetfält. Diamagnetiska material får linjer med magnetiskt flöde att böja sig bort från materialet. Specifikt förändrar ett yttre magnetfält elektronernas omloppshastighet runt deras kärnor och ändrar således det magnetiska dipolmomentet.
Enligt Lenzs lag motsätter det sig det yttre fältet. Diamagneter är material med magnetisk permeabilitet. mindre än μ0 (en relativ permeabilitet mindre än 1). Följaktligen är diamagnetism en form av magnetism som endast uppvisas av ett ämne i närvaro av ett externt applicerat magnetfält. Det är i allmänhet en ganska svag effekt i de flesta material, även om supraledare uppvisar en stark effekt.
Direkt diamagnetisk levitation Redigera
En levande groda svävar inuti en En vertikal borrning på 32 mm i en bitter solenoid i ett magnetfält på cirka 16 teslas
Ett ämne som är diamagnetiskt stöter bort ett magnetfält. Alla material har diamagnetiska egenskaper, men effekten är mycket svag och övervinns vanligtvis av objektets paramagnetiska eller ferroma gnetiska egenskaper, som fungerar på motsatt sätt. Varje material där den diamagnetiska komponenten är starkare kommer att avvisas av en magnet.
Diamagnetisk levitation kan användas för att levitera mycket lätta bitar av pyrolytisk grafit eller vismut över en måttligt stark permanentmagnet. Eftersom vattnet huvudsakligen är diamagnetiskt har denna teknik använts för att levitera vattendroppar och till och med levande djur, såsom en gräshoppa, groda och en mus.De magnetiska fälten som krävs för detta är dock mycket höga, typiskt i intervallet 16 teslas, och skapar därför betydande problem om ferromagnetiska material finns i närheten. Driften av denna elektromagnet som användes i grodeavlyftningsexperimentet krävde 4 MW (4000000 watt) effekt. : 5
Minimikriteriet för diamagnetisk levitation är B d B dz = μ 0 ρ g χ {\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}, där:
Antar idealiska förhållanden längs z-riktningen för magnetmagneten:
SuperconductorsEdit
Supraledare kan betraktas som perfekta diamagneter och kan helt utvisa magnetfält på grund av Meissner-effekten när superledningen först bildas; sålunda kan supraledande levitation betraktas som ett särskilt fall av diamagnetisk levitation. I en typ II-supraledare stabiliseras magnetens svävning ytterligare på grund av flödesnålning i supraledaren; detta tenderar att hindra superledaren från att röra sig i förhållande till magnetfältet, även om det upphöjda systemet är inverterat.
Dessa principer utnyttjas av EDS (elektrodynamisk upphängning), supraledande lager, svänghjul etc.
Ett mycket starkt magnetfält krävs för att levitera ett tåg. JR – Maglev-tågen har supraledande magnetiska spolar, men JR – Maglev-svävningen beror inte på Meissner-effekten.
Rotationsstabilisering Redigera
Levitron-märketoppen är ett exempel på snurrstabiliserad magnetisk levitation
En magnet eller en ordentligt monterad uppsättning magneter med ett toroidfält kan stabiliseras mot tyngdkraften när den gyroskopiskt stabiliseras genom att snurra den en sekund toroidfält skapat av en basring av magnet (er). Detta fungerar dock bara medan hastigheten på pressionen ligger mellan både övre och nedre kritiska trösklar – stabilitetsområdet är ganska smalt både rumsligt och i den erforderliga hastigheten för precession.
Den första upptäckten av detta fenomen var av Roy M. Harrigan, en uppfinnare i Vermont som patenterade en levitationsanordning 1983 baserat på den. Flera enheter som använder rotationsstabilisering (såsom den populära Levitron-märkta leviterande toppleksaken) har utvecklats med hänvisning till detta patent. Icke-kommersiella enheter har skapats för universitetsforskningslaboratorier, som vanligtvis använder magneter som är för kraftfulla för säker allmän interaktion.
Stark fokusering Redigera
Earnshaw teori gäller strikt bara statiska fält. Alternerande magnetfält, även rent alternerande attraktiva fält, kan inducera stabilitet och begränsa en bana genom ett magnetfält för att ge en levitationseffekt.
Detta används i partiklar acceleratorer för att begränsa och lyfta laddade partiklar, och har också föreslagits för maglevtåg.