Как создать левитацию у себя дома: Магнитная левитация своими руками по простой схеме. Создаем эффект левитации с помощью ардуино Магнитная левитация своими руками

Магнитная левитация своими руками по простой схеме. Создаем эффект левитации с помощью ардуино Магнитная левитация своими руками

Левитрон — это игрушка, демонстрирующая левитацию крутящегося волчка, в котором расположен неодимовый магнит над ферритовым магнитом большего деаметра. Выглядит это удивительно!

Материалы для изготовления Левитрона

Итак, нам понадобится для изготовления игрушки три магнита в форме колец, обладающие достаточной мощностью. Вполне подойдут для нашей цели магниты из низкочастотных динамиков, срок службы которых давно истек.

Для того чтобы сделать волчок, будет нужен неодимный магнит. Взять его можно из динамика, на котором имеется надпись«Neodium transducer». Применяются подобные динамики в сотовых. Самый сильный постоянный магнит сегодня – это неодимный, созданный из сплава, в который входят неодим, бор и железо. Высокая температура негативно повлияет на него, поэтому этот магнит следует беречь от нагревания. Итак, магнит из сотового телефона может оказаться двух видов – в виде круглой пластинки или же в виде кольца. Кольцевой магнит одевается на сам волчок строго по центру, а магнит в форме таблетки приклеивается на ось волчка снизу. Материалом для самого волчка должен служить легкий материал, такой как композит или пластмасса.

Настройка левитрона

К настройке следует подойти с особой скрупулезностью, ведь эта часть работы имеет решающее значение и является наиболее трудоемкой. Кольцевые магниты должны быть соединены между собой разнополярными сторонами. Сверху на них следует установить пластину (не из металла) толщиной до 1 см. Волчок аккуратно будет установлен в основание левитрона – центр магнита. Если Вы заметили, что волчок отклоняется в сторону, значит, магнит нужно заменить на другой, с большим диаметром.

Чтобы запустить волчок, понадобятся еще несколько элементов, с помощью которых можно будет регулировать толщину платформы, чтобы достичь нормального вращения волчка. Нам понадобится пластика из оргстекла с бумажными листами. Если волчок крутится нормально, начинаем плавно приподнимать платформу, пока он не взлетит вверх.

Если наш волчок подлетает с излишней стремительностью, следует увеличить его вес. Если же он отклоняется в одну сторону, то исправить ситуацию можно, подложив бумажные листы под противоположную. Эти действия позволяют настроить основу нашей игрушки, так чтобы она находилась четко на уровне моря.

И видео с левитронами…

Здесь рассказано и показано, как сделать крутой левитрон своими руками!

Эту поделку меня вынудили собрать в универе:)

Делал я её в паре с одногруппником, задачей которого было сделать чумовой корпус, а с меня — электронную начинку.

Насколько всё классно получилось — судите сами, пишите комментарии, интересно будет почитать, обсудить.

Не помню, как именно мы пришли именно к идее сделать левитрон, тема поделки была вольная. Конструкция вроде и простая, но глаз притягивает.

Вообще сам левитрон — устройство, которое поддерживает какой-либо предмет в среде, которая никак не соприкасается с какой-либо поверхностью, кроме как через воздух. В вакууме тоже будет работать.

В данном случае электроника заставляет парить магнит, а магнит уже можно приклеить к, например, банке из-под вкусного недорогого напитка:)

Если хорошенько поискать в интернете, то можно увидеть много разных вариантов электромагнитного левитрона, например:

Их можно условно разделить на подвесной и отталкивающий. Если в первом случае необходимо просто компенсировать силу тяжести, то во втором ещё и смещение в горизонтальной плоскости, так как согласно теореме Ирншоу «всякая равновесная конфигурация точечных зарядов неустойчива, если на них кроме кулоновских сил притяжения и отталкивания ничто не действует.» — цитата из вики.

Из этого вытекает, что подвесной левитрон проще в изготовлении и настройке, если таковая вообще необходима. Сильно заморачиваться не хотелось, поэтому для универа сделали подвесной левитрон, о котором здесь идёт речь, а отталкивающий уже делал для себя любимого:) О нём в другой статье будет написано. Чуть позднее удалю этот текст и дам тут ссылку на него. Работает великолепно, но минусы свои тоже имеет.

В свою очередь все подвесные левитроны можно так же условно разделить на цифровые и аналоговые по способу удержания предмета на одном расстоянии. А по типу датчиков их можно разделить на оптические, электромагнитные, звуковые и, наверное, всё.

То есть сигнал о расстоянии магнита до левитрона мы получаем аналоговый, а корректируем силу воздействия на магнит уже цифровым способом. Hi-tech, однако.

Сама идея была позаимствована на сайте geektimes, а печатная плата была изготовлена уже персонально под наш набор деталей. Так же в исходном проекте были использованы трёхвыводные датчики SS49 , но сроки были весьма сжатые, у нас они стоили мягко говоря неоправданно дорого ($4 за штуку против $6 за 10 штук в китае — ссылка для примера), поэтому мы использовали четырёхвыводные датчики Холла. Пришлось изменить схему и внести конструктивные дополнения в устройство. Так же для большей понтовости был добавлен блок светодиодов, которые плавно загораются при поднесении магнита, то есть когда левитрон начинает работать и плавно выключаются, когда магнит убирают. Всё это будет отражено на схеме.

Собственно, схема левитрона на четырёхвыводных датчиках:

И схема левитрона на трёхвыводных датчиках и более простой подсветкой:

Принцип действия довольно прост. Катушка, являющаяся электромагнитом при подаче питания притягивает магнит — предмет притягивается. Датчик, прикреплённый между магнитом и катушкой фиксирует увеличение магнитного потока, что означает приближение магнита. Электроника это отслеживает и отключает катушку от источника напряжения. Магнит начинает падать под действием силы тяжести. Датчик фиксирует уменьшение магнитного потока, что сразу же обнаруживается электроникой и на электромагнит подаётся напряжение, магнит притягивается — и так происходит очень часто — около 100 тысяч раз в секунду. Возникает динамическое равновесие. Человеческий глаз не успевает заметить этого. Частота генератора задаётся резистором и конденсатором на выводах 5 и 6 микросхемы TL494.

Второй датчик на другой стороне электромагнита нужен для того, чтобы компенсировать магнитное поле, создаваемое самой катушкой. То есть, если бы не было этого второго датчика — при включении электромагнита система бы не могла отличить интенсивность магнитного поля неодимового магнита от магнитного поля, создаваемого самим электромагнитом.

Итак, мы имеем систему двух датчиков, сигнал с которых поступает на операционный усилитель в дифференциальном включении. Это значит, что на выходе операционного усилителя появляется лишь разность напряжений, получаемых с датчиков.

Для примера. На одном из датчиков на выходе напряжение 2,5 В, а на другом — 2,6 В. На выходе будет 0,1 В. Этот дифференциальный сигнал находится на выводе 14 микросхемы LM324 по схеме.

Далее этот сигнал поступает на два следующих операционных усилителя — OP1.1, OP 1.3, выходные сигналы которых через диодный вентиль идут на 4 вывод микросхемы TL494. Диодный вентиль на диодах D1, D2 пропускает только одно из напряжений — то, которое будет больше по номиналу. Вывод №4 ШИМ контроллера рулит следующим образом — чем выше напряжение на этом выводе — тем меньше скважность импульсов. Резистор R9 предназначен для того, чтобы в ситуации, когда на входах диодного вентиля напряжения меньше 0,6 В — вывод №4 был однозначно притянут к земле — при этом ШИМ будет выдавать максимально большую скважность.

Вернёмся к операционным усилителям OP1.1, OP 1.3. Первый служит для выключения ШИМ контроллера, пока магнит находится на достаточно большом расстоянии от датчика, чтобы катушка не работала на максимуме вхолостую.

С помощью OP 1.3 задаём коэффициент усиления дифференциального сигнала — по сути задаёт глубину обратной связи (ОС). Чем сильнее обратная связь — тем сильнее система будет реагировать на приближение магнита. Если глубина ОС не достаточна — магнит можно будет поднести вплотную, а прибор не начнёт снижать мощность, накачиваемую в электромагнит. А если глубина ОС будет слишком большая — то скважность начнёт падать до того, как сила притяжения магнита сможет его удерживать на этом расстоянии.

Переменный резистор P3 ставить не обязательно — он служит для настройки частоты генератора.

OP1.2 является генератором напряжения 2,5 В, необходимый для четырёхвыводных датчиков. Для трёхвыводных датчиков типа SS49 он не нужен.

Забыл упомянуть о элементах C1, R6 и R7. Их фишка в том, что постоянный сигнал здесь урезается в 10 раз за счёт резисторов, а переменный за счёт конденсатора спокойно проходит дальше, тем самым достигается упор работы схемы на резкие изменения расстояния магнита до датчика.

Диод SD1 предназначен для гашения обратных выбросов в момент отключения напряжения на электромагните.

Узел на T2 позволяет плавно включать и выключать светодиодную линейку при появлении импульсов на электромагните.

Перейдём к конструктивному исполнению.

Одним из ключевых моментов в левитроне является электромагнит. Мы делали каркас на основе какого-то строительного болта, на котором были вырезаны круглые бортики из фанеры.

Магнитный поток здесь зависит от нескольких ключевых факторов:

• наличие сердечника;
• геометрия катушки;
• ток в катушке

Если проще, то чем больше катушка и больший ток течёт в ней — тем сильнее она притягивает магнитные материалы.

В качестве обмотки использовали провод ПЭЛ 0,8 мм. Мотали на глаз, пока размеры катушки не показались внушительными. Получилось следующее:

Найти необходимый провод в наших краях может не получиться, однако вполне легко находится в интернет магазинах — провод 0,4 мм для намотки катушки .

А пока моталась катушка была подготовлена и вытравлена плата. Делалась по технологии ЛУТ, рисунок платы был сделан в программе Sprint LayOut. Скачать плату левитрона можно по ссылке .

Травилась плата в остатках аммония персульфата, пустая банка которого была успешно применена далее в этом проекте:)

Хочу отметить, что размещение деталей, а так же разводка дорожек подразумевают очень аккуратную пайку, так как легко наделать соединений там, где их быть не должно. Если таковых навыков нету — вполне дозволительно это сделать компонентами больших размеров на макетной плате, типо такой , а соединения выполнять с помощью проводов с обратной стороны.

По итогу плата получилась такая:

Плата очень эргономично вписалась в габариты катушки и была прикреплена прямо на неё с помощью могучего термоклея, тем самым превращаясь в единый моноблок — подключил питание, настроил и система работает.

Но это всё было до того, как был готов электромагнит. Плата была сделана немного раньше и чтобы хоть как-то протестировать работоспособность устройства была временно подключена менее габаритная катушка. Первый результат порадовал.

Датчики, как уже писалось выше, применены от систем слежения положения BLDC двигателей, четырёхвыводные. Так как не удалось найти на них документацию пришлось опытным путём выяснять, какие выводы за что отвечают. Форм-фактор получился такой:

Тем временем подоспел крупногабаритный электромагнит. Эта штука вселяла большую надежду:)

Первые испытания с большим электромагнитом показали довольно большое рабочее расстояние. Тут есть один нюанс — датчик, который расположен на стороне неодимового магнита должен быть немного дальше от катушки для уверенного срабатывания электроники.

Последнее фото больше напоминает некий космический спутник. Кстати, именно так и можно было бы оформить этот левитрон. И у тех, кто намерен повторить конструкцию — всё впереди:)

В качестве левитирующего предмета было решено использовать банку прохладительного напитка. Лепим на двухсторонний скотч магнит к банке, проверяем.

Работает прекрасно, в целом, устройство можно считать готовым. Осталось внешнее оформление. Из брусков и палок была сделана опорная балка, корпус нашего моноблока был выполнен из той самой пустой пластиковой банки из-под аммония персульфата. Из моноблока выходит всего два провода на питание, как и задумывалось.

К этому моменту уже была напаяна навесным монтажом схема плавного включения линейки светодиодов, сама линейка успешно примонтирована на вездесущий термоклей.

В качестве блока питания выступает позаимствованный у какого-то принтера блок, переделанный с 42 В на 12 В.

Внешний вид блока питания тоже покажу:)

Далее из фанеры была сделана подставка, в котором помещался блок питания и разъём для подключения 220 В. Наверху была наклеена матерчатая ткань для красоты, вся конструкция окрашена в жёлто-чёрный цвет. Банку поменяли, так как в ходе экспериментов она немного помялась.

Из этого всего помимо эффекта левитации получился ещё очень даже замечательный ночник.

Видео добавлю чуть позднее, а пока в довершение всему хочу сказать, что мою конструкцию легко повторил 13-летний учащийся моего радиокружка.

Пока ещё внешний вид до законченного варианта не доведён, но электронная начинка работает как положено. Фото его конструкции:

Принцип действия игрушки левитрон, которая наглядно демонстрирует состояние невесомости, основывается на действии магнитного поля, удерживающего предметы незначительного размера в воздухе.

Такие игрушки, к сожалению, пока не производится отечественной промышленностью, так что спрос на них не может быть удовлетворен. Есть, конечно, возможность заказать левитрон из-за рубежа, но стоимость игрушки (и так довольно высокая – 35 долларов) существенно увеличивается за счет цены доставки.

Но зато ничто не может помешать сделать левитрон собственноручно одним из двух известных способов: на электромагните или на постоянных магнитах.

Второй из указанных способов значительно проще первого, к тому же не потребуются специфические знания в области физики, да и электрическое питание этому устройству также не нужно.

Материалы для изготовления Левитрона

Итак, нам понадобится для изготовления игрушки три магнита в форме колец, обладающие достаточной мощностью. Вполне подойдут для нашей цели магниты из низкочастотных динамиков, срок службы которых давно истек.

Для того чтобы сделать волчок, будет нужен неодимный магнит. Взять его можно из динамика, на котором имеется надпись»Neodium transducer». Применяются подобные динамики в сотовых. Самый сильный постоянный магнит сегодня – это неодимный, созданный из сплава, в который входят неодим, бор и железо. Высокая температура негативно повлияет на него, поэтому этот магнит следует беречь от нагревания. Итак, магнит из сотового телефона может оказаться двух видов – в виде круглой пластинки или же в виде кольца. Кольцевой магнит одевается на сам волчок строго по центру, а магнит в форме таблетки приклеивается на ось волчка снизу.Материалом для самого волчка должен служить легкий материал, такой как композит или пластмасса.

Настройка левитрона

К настройке следует подойти с особой скрупулезностью, ведь эта часть работы имеет решающее значение и является наиболее трудоемкой. Кольцевые магниты должны быть соединены между собой разнополярными сторонами. Сверху на них следует установить пластину (не из металла) толщиной до 1 см. Волчок аккуратно будет установлен в основание левитрона – центр магнита. Если Вы заметили, что волчок отклоняется в сторону, значит, магнит нужно заменить на другой, с большим диаметром.

Чтобы запустить волчок, понадобятся еще несколько элементов, с помощью которых можно будет регулировать толщину платформы, чтобы достичь нормального вращения волчка. Нам понадобится пластика из оргстекла с бумажными листами. Если волчок крутится нормально, начинаем плавно приподнимать платформу, пока он не взлетит вверх.

Если наш волчок подлетает с излишней стремительностью, следует увеличить его вес. Если же он отклоняется в одну сторону, то исправить ситуацию можно, подложив бумажные листы под противоположную. Эти действия позволяют настроить основу нашей игрушки, так чтобы она находилась четко на уровне моря.

Магнитная левитация всегда выглядит впечатляюще и завораживающе. Такое устройство сегодня можно не только купить, но и сделать самому. И для того, чтобы создать такое устройство магнитной левитации не обязательно тратить на это много денег и времени.

В данном материале будет представлена схема и инструкция по сборке магнитного левитатора из недорогих компонентов. На саму сборку уйдет не более двух часов.

Идея данного устройства под названием левитрон очень проста. Электромагнитная сила поднимает в воздух кусок магнитного материала, а для того, чтобы создать парящий эффект, происходит поднятие и опускание объекта в очень малом диапазоне высот, но с очень большой частотой.

Чтобы собрать левитрон понадобятся всего лишь семь компонентов, включая катушку. Схема устройства магнитной левитации представлена ниже.

Итак, как мы видим по схеме, помимо катушки нам понадобятся полевой транзистор, например, IRFZ44N или другой подобный MOSFET, диод HER207 или что-то вроде 1n4007, резисторы 1 КОм и 330 Ом, датчик Холла A3144, а также опционально индикаторный светодиод. Катушку можно сделать самостоятельно, для этого потребуется 20 метров провода диаметром 0.3-0.4 мм. Для питания схемы можно взять зарядное устройство 5 В.

Чтобы сделать катушку, нужно взять основу с размерами, показанными на следующем рисунке. Для нашей катушки будет достаточно намотать 550 витков. Закончив намотку, катушку желательно заизолировать какой-нибудь изолентой.

Теперь запаяйте почти все компоненты кроме датчика Холла и катушки на небольшой плате. Датчик Холла поместите в отверстие катушки.

Зафиксируйте катушку так, чтобы она была над поверхностью на некотором расстоянии. После этого на данное устройство магнитной левитации можно подать питание. Возьмите небольшой кусочек неодимового магнита и поднесите его к низу катушки. Если все сделано правильно, то электромагнитная сила подхватит его и будет удерживать в воздухе.

Если у вас это устройство не работает должным образом, то проверьте датчик. Его чувствительная часть, то есть плоская сторона с надписями должна быть параллельно земле. Также для левитации форма таблетки, которая присуща большинству продаваемых неодимовых магнитов, не является самой удачной. Чтобы центр тяжести не «гулял», нужно перенести его на дно магнита, прикрепив к нему что-нибудь не слишком тяжелое, но и не слишком легкое. Например, можно добавить кусок картона или плотной бумаги, как на первом изображении.

На просьбу подарить вам на Новый год антигравитацию Дед Мороз не должен отвечать «Миссия невыполнима». Услышите такой ответ, знайте — Дед поддельный. Потому что научные игрушки с элементами антигравитации существуют и не первый год продаются по $30-60.

Есть в Сиэтле компания под предобрым названием «Очаровательные игрушки и подарки» (Fascinations Toys and Gifts). Очарование её продукции в том, что поначалу она кажется нереальной. Правда, в отличие от фокусников, создатели необычных сувениров охотно раскрывают свои секреты.

Прежде всего, хочется сказать о «Левитроне» (Levitron) . Перед нами нечто вроде пепельницы (будем называть её основой) над которой висит в воздухе и крутится волчок. Антигравитационный такой приборчик. Развлекает «Левитрон» следующим образом:

Вы берёте в руку идущую в комплекте пластину и держите её над основой. Ставите на пластину сверху волчок и сильно раскручиваете его указательным и большим пальцами.

Затем пластину медленно поднимают, потом опускают и убирают прочь — гироскоп остаётся висеть в воздухе, вращаясь и немного покачиваясь.

Штука хорошая, но в хозяйстве практически бесполезная (фото hobbytron.net).

Никакого электричества игрушка не требует. Здесь использованы постоянные магниты, размещённые как в основе, так и в гироскопе.

С точки зрения классической физики невозможно добиться устойчивости двух отталкивающихся магнитов, один из которых плавает над другим.

Специалисты же из Fascinations объясняют, что им удалось найти исключение из правил.

Точнее, его нашёл изобретатель Рой Хэрриген (Roy M. Harrigan) и запатентовал в мае 1983 года.

Как вы догадались, вращение удерживает верхний магнит от опрокидывания. Но что мешает ему скользить боком и слететь с магнитной подушки?

Нижний магнит, и его поле соответственно, имеет сложную форму. И при отклонении волчка от центра возникает сила, подталкивающая его обратно в точку равновесия.

Так выглядит «Левитрон», сделанный своими руками (фото hcrs.at).

Сила эта очень мала и потому запуск «Левитрона» потребует тренировки.

Равновесие в этой системе настолько тонкое, что на него влияют температура в комнате или даже небольшие колебания в земном магнетизме.

В комплект игрушки входит набор из 5 грузиков — весом от 3 до 0,1 грамма. Их комбинацией достигается равновесие.

Регулируемые ножки основы позволяют установить её точно горизонтально, да, к тому же, необходимо соблюдать определённую ориентацию на стороны света.

Наконец сам процесс подъёма и удаления пластины с вращающимся гироскопом требует чрезвычайной осторожности. И, чем быстрее вы сможете закрутить волчок, тем дольше он будет парить.

Если левитирующий волчок вас в должной степени очаровал, новаторы из Сиэтла готовы предложить вам дополнительные аксессуары к «Левитрону».

Например, «Перпетуатор» (Perpetuator), на этот раз уже подключаемый к розетке. В отличие от обычной основы, здесь добавлены электромагнитные поля, которые поддерживают вращение волчка, так что он может висеть над вашим столом неделями.

Другая антигравитационная игрушка называется Art Bank . Эта коробка, внутри которой левитируют теннисный шарик, модель самолёта, монетка или фантик.

Кроме того, имеется «летающий глобус» — Amazing Anti-Gravity Globes .

Антигравитационный глобус — действительно вещь (фото fascinations. com).

Ещё одно «физическое» творение Fascinations — легкие и прозрачные водопады (Gosammer Falls). Это целая коллекция водопадиков, так сказать, для дома и офиса.

Упоминания они заслуживают потому, что в отличие от множества аналогов, демонстрируют интересный эффект.

Вода в них льётся широкой и тонкой плёнкой, которая ни разу не разрывается, ни в одном месте. Как это возможно?

Вода, выливаясь даже из тонкой протяжённой щели, стремится собраться в более-менее компактную струю, а если это невозможно — разрывается на отдельные потоки, дробится на капли.

Магнитная левитация своими руками

Магнитную левитацию и нулевое сопротивление – самые зрелищные свойства сверхпроводников – несложно продемонстрировать в домашних условиях.

Игорь Егоров

Начало XX века в физике вполне можно назвать эпохой предельно низких температур. В 1908 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес впервые получил жидкий гелий, имеющий температуру всего на 4,2° выше абсолютного нуля. А вскоре ему удалось достичь температуры менее одного кельвина! За эти достижения в 1913 году Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии. Но он вовсе не гнался за рекордами, его интересовало, как вещества меняют свои свойства при столь низких температурах, — в частности, он изучал изменение электрического сопротивления металлов.

И вот 8 апреля 1911 года произошло нечто невероятное: при температуре чуть ниже температуры кипения жидкого гелия электрическое сопротивление ртути внезапно исчезло. Нет, оно не просто стало очень малым, оно оказалось равным нулю (насколько это было возможно измерить)! Ни одна из существовавших на тот момент теорий ничего подобного не предсказывала и объяснить не могла. В следующем году подобное свойство было обнаружено у олова и свинца, причем последний проводил ток без сопротивления и при температурах даже чуть выше температуры кипения жидкого гелия. А к 1950−1960-м годам были открыты материалы NbTi и Nb₃Sn, отличающиеся способностью сохранять сверхпроводящее состояние в мощных магнитных полях и при протекании больших токов. Увы, они все еще требуют охлаждения дорогим жидким гелием.

Следующее великое открытие в области сверхпроводимости произошло в 1986 году: Йоханнес Георг Беднорц и Карл Александр Мюллер обнаружили, что совместный оксид меди-бария-лантана обладает сверхпроводимостью при очень высокой (по сравнению с температурой кипения жидкого гелия) температуре — 35 К. Уже в следующем году, заменив лантан на иттрий, удалось достичь сверхпроводимости при температуре 93 К. Конечно, по бытовым меркам это все еще довольно низкие температуры, -180°С, но главное, что они выше порога в 77 К — температуры кипения дешевого жидкого азота. Кроме огромной по меркам обычных сверхпроводников критической температуры, для вещества YBa2Cu3O7-x (0 ≤ x ≤ 0,65) и ряда других купратов достижимы необычайно высокие значения критического магнитного поля и плотности тока. Такое замечательное сочетание параметров не только позволило куда шире применять сверхпроводники в технике, но и сделало возможными множество интересных и зрелищных опытов, которые можно проделать даже в домашних условиях.

Какой выбрать

Для начала нужно раздобыть подходящий сверхпроводник. Открыватели высокотемпературной сверхпроводимости запекали смесь оксидов в специальной печи, но для простых опытов мы рекомендуем купить готовые сверхпроводники. Они выпускаются в виде поликристаллической керамики, текстурированной керамики, сверхпроводящих лент первого и второго поколения.

Поликристаллическая керамика стоит недорого, но и параметры у нее далеки от рекордных: уже небольшие магнитные поля и токи могут разрушить сверхпроводимость. Ленты первого поколения тоже не поражают своими параметрами. Совсем другое дело — текстурированная керамика, она имеет наилучшие характеристики. Но для развлекательных опытов она неудобна, хрупка, деградирует со временем, и самое главное — найти ее в свободной продаже довольно сложно. А вот ленты второго поколения оказались идеальным вариантом для максимального числа наглядных опытов. Этот высокотехнологичный продукт умеют производить всего четыре компании в мире, в том числе российская «СуперОкс». И, что весьма важно, свои ленты, сделанные на основе GdBa2Cu3O7-x, они готовы продавать в количестве от одного метра, чего как раз хватает для проведения наглядных научных экспериментов.

Равно нулю

Наш первый опыт — измерение сопротивления сверхпроводника. Действительно ли оно нулевое? Измерять его обычным омметром бессмысленно: он покажет нуль и при подключении к медному проводу. Столь малые сопротивления измеряются иначе: через проводник пропускают большой ток и измеряют падения напряжения на нем. В качестве источника тока мы взяли обычную щелочную батарейку, которая при коротком замыкании дает около 5 А. При комнатной температуре как метр сверхпроводящей ленты, так и метр медного провода показывают сопротивление в несколько сотых ома. Охлаждаем проводники жидким азотом и сразу наблюдаем интересный эффект: еще до того как мы пустили ток, вольтметр уже показал примерно 1 мВ. По всей видимости, это термо-ЭДС, поскольку в нашей схеме много различных металлов (медь, припой, стальные «крокодильчики») и перепады температуры в сотни градусов (вычтем это напряжение при дальнейших измерениях).

А теперь пропускаем ток через охлажденную медь: тот же провод показывает сопротивление уже всего в тысячные доли ома. А что же со сверхпроводящей лентой? Подключаем батарейку, стрелка амперметра мигом устремляется к противоположному краю шкалы, а вот вольтметр своих показаний не меняет даже на десятую милливольта. Сопротивление ленты в жидком азоте в точности равно нулю.

Летательные аппараты

Теперь перейдем к взаимодействию сверхпроводника и магнитного поля. Малые поля из сверхпроводника вообще выталкиваются, а более сильные проникают в него не сплошным потоком, а в виде отдельных «струй». Кроме того, если мы двигаем магнит возле сверхпроводника, то в последнем наводятся токи, и их поле стремится вернуть магнит назад. Все это делает возможной сверхпроводящую или, как ее еще называют, квантовую левитацию: магнит или сверхпроводник могут висеть в воздухе, стабильно удерживаемые магнитным полем. Чтобы убедиться в этом, достаточно маленького редкоземельного магнитика и кусочка сверхпроводящей ленты. Если же иметь хотя бы метр ленты и неодимовые магниты покрупнее (мы использовали диск 40 x 5 мм и цилиндр 25 x 25 мм), то можно сделать эту левитацию весьма зрелищной, подняв в воздух дополнительный груз.

В первую очередь нужно нарезать ленту на кусочки и скрепить их в пакет достаточной площади и толщины. Скреплять можно и суперклеем, но это не слишком надежно, так что лучше спаять их обычным маломощным паяльником с обычным оловянно-свинцовым припоем. По результатам наших опытов можно рекомендовать два варианта пакетов. Первый — квадрат со стороной в три ширины ленты (36 x 36 мм) из восьми слоев, где в каждом следующем слое ленты укладываются перпендикулярно лентам предыдущего слоя. Второй — восьмилучевая «снежинка» из 24 отрезков ленты длиной 40 мм, уложенных друг на друга так, что каждый следующий отрезок повернут на 45 градусов относительно предыдущего и пересекает его в середине. Первый вариант немного проще в изготовлении, намного компактнее и прочнее, зато второй обеспечивает лучшую стабилизацию магнита и экономичный расход азота за счет его впитывания в широкие щели между листами.

Кстати, о стабилизации стоит сказать отдельно. Если заморозить сверхпроводник, а потом просто поднести к нему магнит, то висеть магнит не будет — упадет в стороне от сверхпроводника. Чтобы стабилизировать магнит, нам нужно заставить поле проникнуть внутрь сверхпроводника. Сделать это можно двумя способами: «вмораживанием» и «вдавливанием». В первом случае мы размещаем магнит над теплым сверхпроводником на специальной опоре, затем наливаем жидкий азот и убираем опору. Такой метод отлично работает с «квадратом», он же подойдет и для монокристаллической керамики, если вы ее найдете. Со «снежинкой» метод тоже работает, хоть и чуть хуже. Второй метод предполагает, что вы будете силой приближать магнит к уже охлажденному сверхпроводнику, пока тот не захватит поле. С монокристаллом керамики такой метод почти не работает: слишком большие усилия нужны. А вот с нашей «снежинкой» работает великолепно, позволяя стабильно подвесить магнит в разных положениях (с «квадратом» тоже, но положение магнита невозможно сделать произвольным).

Свободное парение

И вот магнит уже висит в полутора сантиметрах над сверхпроводником, напоминая о третьем законе Кларка: «Любая достаточно развитая технология неотличима от магии». Почему бы не сделать картину еще более магической — разместить на магните свечку? Прекрасный вариант для романтического квантово-механического ужина! Правда, надо учесть пару моментов. Во-первых, свечи в металлической гильзе стремятся сползти к краю диска-магнита. Чтобы избавится от этой проблемы, можно использовать подсвечник-подставку в виде длинного винта. Вторая проблема — выкипание азота. Если попробовать долить его просто так, то идущий из термоса пар гасит свечу, так что лучше использовать широкую воронку.

Кстати, а куда именно доливать азот? В какую емкость поместить сверхпроводник? Проще всего оказались два варианта: кювета из сложенной в несколько слоев фольги и, в случае «снежинки», крышечка от пятилитровой бутыли с водой. В обоих случаях емкость ставится на кусок меламиновой губки. Эта губка продается в супермаркетах и предназначена для уборки, она — хороший теплоизолятор, который прекрасно выдерживает криогенные температуры.

Наконец, мы решили собрать рельс из магнитов и пустить по нему «летящий вагон» с начинкой из сверхпроводника, с обкладками из пропитанной жидким азотом меланиновой губки и оболочкой из фольги. С прямым рельсом проблем не возникло: взяв магниты 20 x 10 x 5 мм и укладывая их на листе железа подобно кирпичам в стене (горизонтальной стене, поскольку нам нужно горизонтальное направление магнитного поля), легко собрать рельс любой длины. Только нужно торцы магнитов смазывать клеем, чтобы они не разъезжались, а оставались плотно сжатыми, без зазоров. По такому рельсу сверхпроводник скользит совершенно без трения. Еще интереснее собрать рельс в форме кольца. Увы, здесь без зазоров между магнитами уже не обойтись, а на каждом зазоре сверхпроводник немного тормозится. .. Тем не менее хорошего толчка вполне хватает на пару-тройку кругов. При желании можно попробовать обточить магниты и изготовить специальную направляющую для их установки — тогда возможен и кольцевой рельс без стыков.

Item 1 of 2

1 / 2

1. Установив «летающий вагон» с начинкой из сверхпроводника, с обкладками из пропитанной жидким азотом меламиновой губки и оболочкой из фольги на магнитный рельс через прокладку из пары деревянных линеек, заливаем в него жидкий азот, «вмораживая» магнитное поле в сверхпроводник.

Автор — магистрант НИЯУ МИФИ

Редакция выражает благодарность компании «СуперОкс» и лично ее руководителю Андрею Петровичу Вавилову за предоставленные сверхпроводники, а также интернет-магазину neodim.org за предоставленные магниты.

Как сделать самодельную магнитную левитацию

••• Ким Стил/Photodisc/Getty Images

Обновлено 25 апреля 2017 г. между ними. Магниты — это материалы, излучающие магнитное поле, которое притягивает определенные металлы. Магниты имеют множество применений в современном мире, от промышленности до стереосистем. Преподавание магнетизма часто связано с демонстрацией более интересных эффектов магнетизма. Одним из самых популярных проявлений магнетизма является магнитная левитация.

С помощью очень простой настройки можно заставить один магнит заставить другой магнит левитировать — парить в воздухе. Его даже можно заставить нести груз. Это потому, что у каждого магнита есть два полюса и подобные полюса отталкивают друг друга. Магнитная левитация — отличная демонстрация относительной силы двух фундаментальных сил, магнетизма и гравитации. Хотя вся Земля гравитационно притягивает плавающий магнит и его груз, всего один крошечный магнит может преодолеть это нисходящее притяжение с помощью магнетизма и заставить его подняться в воздух.

Держите по одному магниту в каждой руке. Приблизьте их друг к другу. Если они попытаются притянуть друг друга ближе, поверните одного из них. Если они пытаются раздвинуть друг друга, отметьте маркером стороны, обращенные друг к другу. Вы знаете, что эти отмеченные стороны являются одним и тем же магнитным полюсом, потому что одноименные полюса отталкиваются.

Установите зажимную стойку. Выдвиньте зажимной рычаг как можно дальше, чтобы освободить место для работы. Отрегулируйте зажим по ширине трубы. Установите трубку в зажим. Установите трубку так, чтобы ее дно было чуть выше ширины вашего пальца плюс ширина одного из магнитов.

Поместите груз поверх одного из магнитов на немаркированной стороне. Положите магнит и груз на дно пробирки отмеченной стороной вниз и придерживайте его одним пальцем, чтобы он не выпал.

Поместите другой магнит прямо под дно пробирки маркированной стороной вверх. Уберите палец. Магнит на столешнице будет отталкивать магнит в трубке и заставит ее левитировать вместе с грузом, если он не слишком тяжелый.

Вещи, которые вам понадобятся

• Подставка-зажим
• 2 магнита
• Прозрачная трубка с горловиной такой же ширины, как и магниты
• Маркер
• Игрушка или груз не шире и не тяжелее магнитов
• с грузом на нем груз может быть слишком тяжелым.

  Если магнит не будет подниматься в воздух без нагрузки, то магниты слишком слабы для этой демонстрации. Магниты на холодильник не подойдут.

  Трубка необходима для того, чтобы левитирующий магнит не «выпадал» из удерживающего его магнитного поля.

  Если вы не можете найти подставку для зажима, ее можно легко заменить. Вырежьте отверстие в куске картона, сделав отверстие такого же диаметра, как у трубки. Подвесьте трубку над столом на двух стопках книг. Возможно, вам придется приклеить трубку к картону.

Статьи по теме

Ссылки

• Magnet Lab: магниты от миниатюрных до мощных
• NCLU: возможна ли магнитная левитация?

Наконечники

• Если магнит не левитирует с грузом на нем, груз может быть слишком тяжелым.
• Если магнит не будет подниматься в воздух без нагрузки, то магниты слишком слабы для этой демонстрации. Магниты на холодильник не подойдут.
• Трубка необходима для того, чтобы левитирующий магнит не «выпадал» из удерживающего его магнитного поля.
• Если вы не можете найти подставку для зажима, ее можно легко заменить. Вырежьте отверстие в куске картона, сделав отверстие такого же диаметра, как у трубки. Подвесьте трубку над столом на двух стопках книг. Возможно, вам придется приклеить трубку к картону.

Об авторе

Джейсон Томпсон работает на себя как независимый писатель с 2007 года. Он пишет рекламные объявления, обзоры книг и видеоигр, технические статьи и дипломные работы. Он начал работать с Mechanical Turk, а затем начал заключать контракты с частными лицами и компаниями напрямую через Интернет.

Авторы фотографий

Ким Стил/Photodisc/Getty Images

Как сделать магнитный плавающий дисплей
– FLOATELY

Содержание:

• Как это работает?
• Два основных компонента
• Как собрать плавучий магнитный дисплей с помощью готового основания

Плавающие магнитные дисплеи — новое изобретение. Наверняка, вы наверняка видели такие предметы декора, как левитирующие магнитные светильники, и задавались вопросом: «Как он это делает?»

К счастью, вы попали в нужное место, чтобы узнать, как работают эти модернистские украшения.

Эта статья представляет собой пошаговое руководство по созданию собственного магнитного левитирующего дисплея с нуля. Это не предполагает никаких предварительных знаний в области физики или техники, поэтому вы сможете легко не отставать.

Как это работает?

Прежде чем мы приступим к созданию плавающего магнитного дисплея, важно понять, как вообще работает эта система.

Таким образом, если возникнут проблемы и вам придется импровизировать, вы хотя бы будете знать, что делаете.

Физика левитирующего магнитного дисплея

Давайте посмотрим на физическое явление, лежащее в основе плавающего магнитного дисплея. Как вы, возможно, уже догадались, система основана на одном из самых основных свойств магнитов.

Если вы изучали естествознание на начальном уровне, то знаете, что два магнита могут отталкивать друг друга. Основываясь на этой идее, вы могли бы подумать, что можно расположить магниты определенным образом, чтобы создать эффект левитации.

Представьте себе: круглый магнитный диск лежит плоско на поверхности, северным полюсом вверх. Затем на него кладут еще один круглый магнит меньшего размера северным полюсом вниз.

Поскольку одинаковые магнитные полюса отталкиваются друг от друга, верхний магнит должен оставаться подвешенным в воздухе, верно?

Вы на правильном пути. Теоретически магниты, которые постоянно отталкиваются друг от друга, должны вызывать вечную левитацию.

Оказывается, не все так просто.

Так в чем проблема?

Согласно теореме Эрншоу такое расположение постоянных магнитов является неустойчивой системой. По сути, если вы попытаетесь навести магнит на другой магнит, он всегда рухнет.

Это потому, что в реальном мире магнитное поле постоянно находится в движении.

В то время как существуют силы отталкивания, отталкивающие два магнита, существуют равные силы притяжения между противоположными полюсами. Таким образом, меньший плавающий магнит в конечном итоге перевернется и рухнет на основной магнит.

Но это не значит, что это невозможно. Вам просто нужно сделать несколько настроек, чтобы меньший магнит не перевернулся.

Обход проблемы

Похоже, главная проблема здесь в том, что магнитное поле постоянно меняется. Если бы существовал какой-то способ корректировать этот поток по мере его возникновения, то вы смогли бы создать стабильную систему.

Здесь должны произойти две вещи. Во-первых, система должна немедленно обнаруживать, когда плавающий диск начинает опрокидываться.

Затем необходимо скорректировать это движение, временно индуцируя нужное количество противодействующей магнитной силы.

Вы с нами?

Хорошо, потому что именно здесь начинается творчество.

Прежде всего, мы используем специализированные датчики для обнаружения малейших изменений в ориентации плавающего диска. Когда диск начинает опрокидываться, датчики немедленно фиксируют это движение и посылают сигнал на электромагниты.

Что такое электромагниты, спросите вы?

В основном это временные магниты, которые создаются с помощью электричества. В тот момент, когда отключается электричество, они перестают быть магнитами.

Это полезно, потому что нам нужны только небольшие всплески магнитной силы, чтобы скорректировать движение плавающего диска. Как мы видели ранее, постоянные магниты не могут достичь этого эффекта.

Когда электромагниты включены, они индуцируют противодействующую магнитную силу для регулировки опрокидывающегося плавающего диска. Поскольку это происходит сотни раз в секунду, плавающий диск остается подвешенным.

Два основных компонента

Эта система состоит из двух основных компонентов: электромагнитного основания и плавучей платформы.

1. Парящий диск

Это меньший парящий в воздухе диск. В большинстве магнитных плавающих дисплеев плавающий диск действует как платформа.

На этой платформе можно разместить практически все, от растений и светильников до любого другого предмета декора. Владельцы магазинов могут даже использовать эту парящую платформу для демонстрации своих товаров.

Вес, который он может удерживать, в основном зависит от силы магнитов системы. Если вы создаете свою собственную систему с нуля, вы сможете настроить эту силу.

По большей части он должен с легкостью удерживать мелкие предметы. Если вы хотите быть в безопасности, вы можете проверить порог максимального веса вашей платформы, используя различные объекты и проверив, держится ли он.

2. Электромагнитное основание

Если вы видели несколько левитирующих дисплеев, разработанных Floately, вы заметите общую черту — все продукты поставляются с основанием. На этой базе происходит волшебство.

Электромагнитное основание удерживает всю эту систему вместе. Он состоит из четырех различных компонентов, обеспечивающих устойчивость плавучей платформы.

Во-первых, круговое расположение постоянных магнитов обеспечивает основную силу отталкивания. Эти магниты отталкивают плавающий диск от себя.

Во-вторых, датчики вокруг этих постоянных магнитов регистрируют положение и ориентацию плавающего диска.

В большинстве баз используется триада логометрических линейных датчиков Холла. Эти датчики будут точно обнаруживать мельчайшие изменения в магнитном поле, вызванные движением плавучей платформы.

Соответственно, они подают напряжение, соответствующее изменению магнитного поля. Это напряжение будет питать электромагниты в системе.

Внутри кольца постоянных магнитов размещена система электромагнитов. Датчики будут знать, какие электромагниты включить, чтобы создать правильную корректирующую магнитную силу.

Наконец, между основанием и плавающим диском должен быть барьер. Если плавающий диск упадет во время установки, барьер защитит электромагнитную базу от любых повреждений. Это очень важно, так как малейшая вмятина или надрез на любом магните может привести к выходу из строя всей системы.

Обычно вся базовая конструкция заключена в коробку. Итак, барьер уже есть по умолчанию.

Как собрать плавающий магнитный дисплей с помощью готового основания

Осталось собрать собственный плавающий магнитный дисплей. Теперь, когда вы знаете, как работает система, процесс должен быть довольно простым.

Преимущество изготовления собственных магнитных плавающих дисплеев заключается в том, что вы можете настроить весь внешний вид вашего дисплея.

Если вам не хватает вдохновения, поищите идеи на некоторых творческих дисплеях Floately.

Теперь вы можете сделать все это с нуля. Создание всей электромагнитной базы не должно быть трудным, если у вас есть практические знания в области физики и техники.

При этом вы можете сделать его настолько большим и прочным, насколько захотите, а это значит, что вы сможете удерживать более крупные предметы на парящей платформе.

Однако, если вы новичок и ищете быстрый проект, лучше получить готовую электромагнитную базу.

Вещи, которые вам понадобятся

Вот список всего, что вам понадобится для изготовления собственного магнитного плавающего дисплея:

• Электромагнитная основа. Вы можете легко получить это оборудование на Amazon или Alibaba.
• Плавающий диск. Это идет с электромагнитной основой.
• Деревянный ящик, достаточно большой, чтобы вместить электромагнитную базу. Здесь вы можете дать волю своему творчеству. Попробуйте закрасить старую коробку, которая у вас может лежать без дела, или поищите более ретро-дизайн.
• Бур
• Объект для отображения.

Шаг 1. Просверлите отверстие и поместите основание внутрь коробки

Учитывая, что ваша коробка уже готова, единственное, что вам нужно сделать, это поместить электромагнитную основу внутрь коробки.

• Просверлите отверстие диаметром полсантиметра. Через это отверстие будет проходить кабель питания. Убедитесь, что отверстие находится на той стороне, которая скрыта от глаз, чтобы оно не выглядело непривлекательно.
• Затем поместите основание внутрь коробки и проведите блок питания через отверстие.
• Наконец, убедитесь, что вы закрыли коробку. Если у вашего ящика нет крышки, то сделайте импровизированную из чего угодно, только не из металла.

Шаг 2. Найдите золотую середину

Эта часть немного сложна. Вам может потребоваться несколько попыток, прежде чем вы сможете освоить его.

• Убедитесь, что база подключена.
• Убедитесь, что поблизости нет других металлических предметов.
• Поместите диск примерно на шесть дюймов сверху коробки. Очень медленно начните опускаться.
• Остановитесь, когда почувствуете отвращение.
• Медленно отпустите диск.
• Если он упадет, просто повторяйте процесс, пока не найдете золотую середину.

Шаг 3. Проверка высоты

Если плавающий диск продолжает падать, что бы вы ни делали, возможно, возникла другая проблема.

Электромагнитное основание и плавающий диск должны находиться на правильном расстоянии друг от друга.

Итак, если ваша коробка слишком высокая, вам может понадобиться установить электромагнитное основание на другой платформе, расположенной внутри коробки.