2010年11月 文档列表

磁悬浮的故事(上) – 静态磁悬浮

先说说这几天都干了什么吧。总结来说,就是又做了一个不成功的实验。在上次的视频里,被眼尖的童鞋们敏锐的指出,这个陀螺转速是越来越慢的。事实上,这个陀螺慢到一定程度之后,会保持稳定的速度旋转,不会停下来。这周的主要想法就是做一个高频旋转的磁场,试试看能不能带动陀螺高速旋转。

使用的方案是:方波+74LS161计数器+74LS138译码器+L298N直流电路驱动器。电路总算是调通了,但是作用力不足以影响陀螺的转速,实在是太肉了。发个截图留念吧,明天就把它拆了。

旋转磁场的发生装置

旋转磁场的发生装置

下面言归正传,把我之前收集的一些磁悬浮相关的知识分享给大家。

自然界的物质有抗磁性,顺磁性和铁磁性三种特性,来自潘多拉星球的阿凡提同学可能对此存有疑惑,不过在咱们地球目前只有这么三种。其中:
抗磁性】几乎是所有物质都有的,它的来源是楞次定律。这个抗磁性非常微弱,大部分情况下可以忽略不记,常温下抗磁性最强的物质是金属铋;
顺磁性】这种物质的主要特征是,不论外加磁场是否存在,原子内部存在永久磁矩。但在无外加磁场时,由于顺磁物质的原子做无规则的热振动,宏观看来,没有磁性;在外加磁场作用下,每个原子磁矩比较规则地取向,物质显示极弱的磁性,金银铝铂之类的金属貌似都是顺磁性;
铁磁性】这个大家最熟悉,一根铁钉在磁铁上蹭几下,它就变成一个小磁铁。具有铁磁性的元素有五种:铁,钴,镍,钆,镝。这些元素的化合物也可能具有铁磁性,咱们最常见的黑磁铁主要成分就是四氧化三铁,还有巨牛无比的钕铁硼(友情提示,那个字念“女”)

说起磁铁,相信是很多小盆友儿时的宝贝,也许大家也曾想过用巧妙的设计让磁铁悬浮起来。例如我构思过这么一个方案,把很多磁铁N极向上贴在一个碗的内侧,然后把另外一些磁铁N向外贴在一个球的外侧,这样是否能悬浮呢?

儿时幻想的磁悬浮

儿时幻想的磁悬浮

下面就是一个著名的恩绍大定理(Earnshaw’s theorem)

这个可恶的家伙早在1842年就用数学证明了:若单靠宏观的静态古典电磁力,稳定的磁悬浮是不可能实现的。这是因为在物件上所承受的各种合力,包括了引力、静电场及静磁场会使物件变得很不稳定。

你可以想象在光滑的坡顶放一个小球,虽然有某个平衡点存在,但事实上是无法稳定的,任意小的扰动都会让它失去平衡。所以大家不要费劲去设计了,像下面这样的磁悬浮列车设计没有外界能源时是无法平衡的:

无法实现的稳定磁悬浮

无法实现的稳定磁悬浮

但是恩绍大定理有个例外,就是前面提到的抗磁性。超导现象就是抗磁性的一个极端情况,因为超导体内部的感应电流可以非常大。实验也非常简单,弄一个超导体的盘子,直接扔一块磁铁进去,它就能稳定的悬浮着。

超导磁悬浮

超导磁悬浮

事实上如果磁场足够大的话,生物体内水分的抗磁性都足以让它悬浮起来。2000年,科学家安德烈·海姆和迈克尔·贝瑞使用磁性让一只青蛙悬浮在半空中,他们因此获得了当年的搞笑挪被窝儿奖(不过他们今年真的拿奖了,因为石墨烯,不得不赞一个,感觉这两个科学家的研究工作都是在玩啊)

用超导体的强大磁场,可以把青蛙悬浮起来

用超导体的强大磁场,可以把青蛙悬浮起来

 我们在常温下有没有可能实现静态稳定磁悬浮呢?答案是肯定的!以我们刚才说的最强的抗磁性金属铋(这个东西居然淘宝有卖的,而且比奶粉便宜)为例。因为它的抗磁性非常弱,所以有网友设计了一种巧妙的方法,先用一组磁铁让悬浮物处于“基本平衡”的状态,这时候微弱的抗磁力就可以让悬浮物稳定的平衡了。看下面的图:

用铋实现的常温下 稳定磁悬浮

用铋实现的常温下 稳定磁悬浮

另外一个例子是石墨烯,这个东西轻飘飘的,也可以在常温下悬浮。下面这个图里,四块磁铁是N对S这样分别吸住的,据说国外有人用铅笔芯削成薄片也可以实现这样的效果。我试了下貌似不行,于是又有人解释说国内的铅笔芯含粘土,不是纯石墨。。。具体怎么样有兴趣的兄弟自己试试吧:)

常温下悬浮的石墨片

常温下悬浮的石墨片

今天晚了,改天再介绍动态磁悬浮。最后发一个展望未来的图,嘿嘿:

想一想都觉得爽啊

想一想都觉得爽啊

盗梦陀螺来啦!

还记得两个月前热映的电影《盗梦空间》吗?那是有圈圈之后第一次去看电影,电影非常酷,我也非常兴奋。也许有人跟我有过类似的经历:早上从梦中惊醒,迷迷糊糊起床,刷牙洗脸吃早饭,然后去学校考试,没想到平时很熟的题目就是不会做,一着急就穿越了,原来还在床上……汗,梦中好像还上了厕所,赶紧检查一下

中国古代也有类似的故事,例如黄粱一梦(典故向下看)。那个道士应该算是Inception的鼻祖了,而那个书生也因为这个梦看透了荣华富贵。嗯?貌似跟电影还挺相似啊,难倒是抄袭了创意?呵呵,跑题了,总之这是一部让人深思的电影。

电影中最让我印象深刻的就是那个陀螺(因为圈圈妈会审查我的博客,所以不能说印象最深刻的是那个小美女造梦师)。看完电影,圈圈妈说:你也做一个不会倒的陀螺吧。

不会倒的陀螺其实很好做,用几块磁铁就可以让陀螺处于竖直稳定状态:

不会倒的陀螺简易版

不会倒的陀螺简易版

这个陀螺叠加上旋转磁场后,就可以一直旋转下去了。但是我觉得这样不够酷,于是跟圈圈妈夸下海口,要做一个能悬浮的陀螺。事实证明,一个已婚已育的IT加班男,最好不要随便吹牛。电影之后我马不停蹄的查阅资料,购买器件,设计电路,制作陀螺,调试程序,到最近才刚刚做成雏形。回头看了下当时的博客,神啊,两个多月过去了。

秀一下做好的陀螺吧,本来想尽量做成跟电影里一样,不过看来手艺一般。这个外形我用小刀整整抠了一晚上,大家给个面子夸一夸吧:

纯手工打造的盗梦陀螺

纯手工打造的盗梦陀螺

这是悬浮状态时的陀螺截图:

悬浮状态的盗梦陀螺截图

悬浮状态的盗梦陀螺截图

有兴趣的同学可以进一步观看视频:

第一次悬浮成功的时候,还真有一种恍然如梦的感觉。也许人生就是这样,有些梦看似遥不可及,真正动起手来其实就是两个月的业余时间。当然,搞不好这个作品只是在梦中实现的,希望明早醒来的时候,这个玩意儿还在我的桌子上 :)

=============传说中的昏鸽线==================
从百度贴一段典故,供半文盲小白们查阅:

唐朝时期,一个书生姓卢,字萃之,别人称之为卢生。

一年,他上京赶考,途中在邯郸的旅馆里投宿,遇到了一个叫吕翁的道士,并向他感慨人生的穷困潦倒。吕翁听后,从衣囊中取出一个枕头给卢生,说:“你晚上睡觉时就枕着这个枕头,保你做梦称心如意。”

这时已晚,店主人开始煮黄米饭。卢生便按着道士的说法开始睡觉,他很快睡着了。在睡梦中,他回到家中,几个月后,还娶了一个清河的崔氏女子为妻,妻子十分漂亮,钱也多了起来。卢生感到十分喜悦。不久他又中了进士,多次层层提拔,做了节度使,大破戎虏之兵,又提升为宰相做了十余年。他先后生了五个儿子,个个都做了官,取得了功名,后又有了十几个孙子,成为天下一大家族,拥有享不尽的荣华富贵。然而到了八十多岁时,他得了重病,十分痛苦,眼看就要死了,突然惊醒,才知是一场梦。

这时,店主煮的黄米饭还未熟。卢生感到十分奇怪地说:“这难道是场梦?”吕翁听了便说:“人生的归向,不也是这样吗?”

经过这次黄粱一梦,卢生大彻大悟,再不去想进京赶考了,反而进入深山修道去了。

磁悬浮预告篇

有一个月没有更新博客了,最近发生很多事情,晕头转向….不过可以肯定的一点是,真正的Geek们是不会闲着的。

前一段时间迷上了磁悬浮,鉴于之前制作两轮平衡小车的失败经历,圈圈妈建议我把东西做的靠谱点再发博客,省的出去丢人:)

好吧,今天终于可以发几张效果图了,视频和攻略接下来慢慢补充。

上拉式磁悬浮,可以调节间隙高度

上拉式磁悬浮,可以调节间隙高度

下推式磁悬浮

下推式磁悬浮

下推式磁悬浮接线图

下推式磁悬浮接线图

所需材料列表:
Arduino Mega 开发板 1块
L298N驱动板 1块
可任意折磨的洞洞板 1块
10K多圈电位器 2个
10K手拧式电位器 2个
3.9K电阻 2只
200K电阻 2只
LM358P数字放大器 1个
UGN3503霍尔传感器 2个
LM7809稳压器 1个
20V直流电源 1个
巨大圆环形黑磁铁 1个
圆片钕铁硼强磁 若干
绕线用铜丝 半斤
杜邦头连接线 若干
被电烙铁烫伤的烤人肉 1块

 友情提示:玩DIY的兄弟们,一定要把电烙铁,热胶枪,强磁等东西放到孩子们够不到的地方。顺路想起一个故事:当年在学校的时候,曾经拆过一个硬盘,里面有两块钕铁硼强磁;我和一个叫“大马猴”的同学决定用它夹前排某同学的耳朵;我们一人拿一块,本来只想轻轻夹一下,结果还很远的时候就“啪”的吸上了。这个可怜的家伙直接跳起来暴走。。。。呼呼,让你上课睡觉!:)