磁悬浮的故事（上） – 静态磁悬浮
由 动力老男孩 发表于 2010/11/26 23:55:18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
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
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
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
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
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
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
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
