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



对 “磁悬浮的故事(上) – 静态磁悬浮” 的 52 条 评论

  1. 于童光 说:

    石墨稀是超导体吗?临界温度是多少?

  2. 呵呵 爽哦什么时候能普及一下

  3. yayu 说:

    这东西辐射大吗?

    • 程序的PMW频率是16kHz
      采样频率是500Hz
      低频电磁波应该没啥辐射
      线圈功率大概是2W
      不过大部分应该转换成热量了

      • SSS_SXS 说:

        动力老男孩 说:
        2010/11/28 于 19:59
        程序的PMW频率是16kHz
        采样频率是500Hz
        低频电磁波应该没啥辐射
        线圈功率大概是2W
        不过大部分应该转换成热量了

        随意遐想了一下,是不是大功率的磁浮床都可以即产生斥力让床漂浮,还可以产生热能供热

        • 这位同学真有生活品味,磁浮床还带加热功能
          我只听过水床,不过磁浮床要小心啊,目前磁悬浮的东西还不太稳定,
          振动较大时可能会飞出去 :D

  4. darko 说:

    太好玩了,持续关注中!!

  5. mrxx 说:

    WOW,功课相当强大
    有一天,真的可以坐着飞毯出行了
    我问了一个同学,说他们实验磁悬浮的时候用的液态氮来维持低温超导的

  6. m 说:

    好是好玩,你有没有想过过强磁场对人有伤害呢。你应该测试一下你仪器周围的强度,应该是天文数字。

    • 那个霍尔传感器本身就是个磁场测量器
      其实陀螺达到平衡的时候,磁场并不强
      总的来说,跟一小块钕铁硼差不多,没事的

  7. cc 说:

    动力老男孩真牛啊。

  8. z 说:

    问个问题,一定要两圈的线圈来做吗?或者里面的用来悬浮,外面的用来旋转?我手上有个东西,直径35mm,一圈24个三角形的线圈,每一个都通电产生磁力,应该能做悬浮吧,旋转的话是不是还要外面再加?

    • 计划中是内圈用来悬浮(控制平衡)外圈产生旋转磁场
      不过目前看来外圈几乎没有作用
      我的目的是产生一个旋转的磁场,所以你说的那个24个线圈也许可行

      • z 说:

        主要担心磁力不够,你用的线圈绕了几圈,稳定的时候电流多大?

        • 我是0.27直径的铜丝,每个绕大概800匝,电阻是50欧左右
          稳定的时候电流不大,平均在50mA以内

        • 忘了说了,我的电源是20V

          • z 说:

            按你说的电阻和电流,单个线圈两端的电压在2.5v。

            你用arduino的板子吗,20v没问题?

            这个东西也是铜丝,不过极细,和头发差不多吧,每个约160匝,单个电阻约25欧。另外围成的圈内径有15mm。

          • 我用的是Arduino,支持的最大电压应该是12V,我用了一块lm7809给它供电
            输入可以是11V~24V,输出是9V

          • z 说:

            我和你用的同一型号的板子,官方数据是推荐7-12,极限6-20,我还以为你直接加了20v

  9. 老顽童 说:

    魏乐汉的那个磁悬浮,我本来也不看好.
    因为我也试过多次的各种静态悬浮,都找不到悬浮平衡点.

    但是那么多的报道都在为他叫屈,并还有结论说“原理可行”的.
    还有实际试用行驶的.

    这些究竟怎样看待呢?
    ········
    是不是可以认为这个车厢一旦动起来以后,
    外加了另外的动能之后, 就有可能合理了呢?

    比如永磁陀螺.要转起来后才合理.消耗的不是电能,却是动能.

    • 果然是老前辈,居然一眼就看出是魏乐汉的设计
      这个设计争议很大,所以我没写上名字,因为只是我的个人观点

      我觉得静态磁悬浮就像把鸡蛋立在桌面上
      理论上当然有平衡点正好可以立住,
      实际上是不可行的,任何微小的扰动都会导致系统错误放大,最终失去平衡
      这就是为什么很多人都有“接近成功”的感觉,却都会最终失败

      而旋转的鸡蛋可以短时间立住,这是由于陀螺力矩的原因,也是磁悬浮陀螺玩具的原理,但是目前看来还没有实用价值

      • 老顽童 说:

        永磁悬浮陀螺有用的!
        首先原理可以肯定,随后,细节可以完善,性能可以优化.应用可以开发.

        可以用在小型的,不适合用电磁混调的悬浮场合.

        比如,小型电机的磁悬浮. 风机,泵等等,一切有电源的场合.
        甚至也可以包括小型飞轮电池……只要耗能不太多.

  10. 老顽童 说:

    仔细看了一下这魏乐汉的图,
    这图上确实不靠谱.
    这都能悬浮了,还用得着忙电调了吗?

  11. 老顽童 说:

    前述的魏教授的车厢悬浮原理,实际上是不可能达到左右平衡的.原理不通!

    今天我又偶尔发现了一幅改进后的新图,应该是属于第三代第四代的原理了.
    车厢的左右平衡己经改成了实体轮子的侧向支撑. 也就克服了前述的致命缺陷.
    也可能就是所谓的“导向”了.

    郁闷,在这儿,我居然无法贴图.图怎么办?

    现在再要鉴定说“原理可行”,就不会有太大的问题了.

    但是,这还能是磁悬浮吗?
    这顶多是磁力卸载重力的设计.
    而且,导向轮会受到动态的不合理的轮侧力矩.
    这个设计可能高速吗?

  12. 老顽童 说:

    新图发在阿莫“悬浮”版第二页的魏乐汉篇了.
    那个坛子的帖子怎么是回复后不会上升的.

  13. 小张 说:

    我也成功了哈哈

  14. js200300953 说:

    为什么最后一张图片地面有一坨东西?
    把它埋在地板下不行么?

  15. 求知欲 说:

    你说的那个碗的真的不可能实现?恩绍大定理描述的是平面上悬浮不可能吧?如果碗都不行那结果会如何?球落碗里还是飞出碗外?
    再进一步,如果碗壁延长变成中空球体包围磁球,它还怎么失败?贴在碗壁的一处?即使磁性相同而互斥状态?

    • 恩绍大定理是对任何情况的,不仅仅是平面或曲面。
      对于图中的那个球体,它会像普通石头球一样直接落下,因为磁力线封闭了,它跟没有磁性一样

  16. 鸿-城主 说:

    为什么图上的石墨烯那么厚,不是一个碳原子的厚度么……

  17. allenhung 说:

    磁铁悬浮铅笔芯是可以的,我做过,但一定要买日本的活动铅笔芯,国内杂质过多,浮不起来,另外铋金属更容易悬浮。

  18. 说:

    可不可以在用磁铁悬浮的石墨烯上面加重物,并且也使他悬浮?

    • 要看磁场多强,重物多重了,理论上是可行的
      例如用超导形成的巨大磁场,可以把青蛙悬浮起来,而我们生活中的小磁场,可能只能悬浮起薄薄的石墨烯片

  19. but0n 说:

    貌似悬浮滑板“Hendo”用的就是抗磁性,我分析了下它的工作原,每个悬浮装置用了4个线圈,2个为一组,来增加磁通量,根据楞次定理铜制的地面会产生斥力。当这组线圈电流达到最大时换另一组线圈,就能产生持久的斥力。您怎么看?

    • 感觉应该是这个原理,但是这货的电流得有多大呀,太可怕了

      • but0n 说:

        在YouTube看到了演示hendo原理的视频,当时我就震惊了!
        它的工作原理比我想像的简单的多!!
        用无刷电机使一个均匀分布着钕铁硼的圆盘高速旋转,就可以使下方导体产生斥力,运行时的声音并不是风扇散热,好佩服老外的思维方式啊!
        这样的话应该是把采集到的离地高度通过PID算法控制四个无刷就像控制四轴飞行器那样保持平稳,这也解释了为什么人站上去电机声音会变大。

        • 哇,巧妙!
          链接能发给我看一下吗?

          • 多谢!可以考虑做一个,很有意思。
            至于平稳,应该不是超声波,超声波的精度在1cm以上,误差很大,用它平稳在滑板这个尺度会跳动的很厉害。
            现在一般是用6050来平稳,水平方向上通过光流传感器,至于高度上,我觉得它没有控制。产生的斥力很大,完全靠体重来压着

          • but0n 说:

            你要做吗?
            我打算高考完用有刷先做个模型,要悬浮的话一定很复杂就像四轴飞行器那样,关于PID我买了一本书,只是了解了原理但是C语言的算法还没有思路。
            你觉得它的平稳是通过MPU6050还是声波测距?

  20. 大雁子 说:

    抗磁性还是不理解。
    金属铋到底是抗磁性最强还是最弱?
    因为文中似乎有矛盾

  21. gloomcat 说:

    “儿时幻想的磁悬浮”里的这种小磁球可能存在吗?
    可以想象出若干个小磁体拼起来,但是有点奇怪,这样封闭曲面的磁通量还能是0?
    磁力线从表面出来,可是怎么回去?

  22. 柏语 说:

    能具体讲下下推式磁悬浮的原理吗?谢谢!

发表评论

可以使用下列 XHTML 标签:<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>