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磁悬浮的故事(下) – 动态磁悬浮

今天接着上次的内容,继续分享动态磁悬浮。

话说恩绍大定理问世以后,在很长的一段时间内,如果某个物理学家宣布要制造磁悬浮,一定会受到同行们的羞辱,因为这个跟永动机一样是不可能的。可惜的是,有无数的民间“科学家”不认得恩绍,更不知道什么大定理小定理,他们日复一日的做各种尝试。奇迹往往就这样产生了,1993年美国的一位叫罗来.哈里根(Roy Harrigan)的民间发明家申请了一项磁悬浮的专利。玩过陀螺的人一定都注意到一个现象:静止的陀螺是不可能直立的,但是只要旋转起来,就能保持平衡。哈里根同学的方法就是这样,虽然静止的磁铁不能保持稳定,但是可以做成一个陀螺,让它旋转起来就可以保持悬浮状态。

后来有两位无耻的物理学家(美国拉斯维莫斯国家实验室,所以大家也别相信美国的所谓社会公德),作为学院派的人物,他们抱着找茬的态度联系了发明家。在亲眼目睹了这个神奇的发明之后,他们骗走了一套陀螺回去研究。之后的事情大家应该能猜到了,他们稍作修改,申请了新的专利,并制作了一种叫Levitron的玩具大赚特赚。这次为了研究磁悬浮,我也特地从淘宝买了一套,只需要15元:

不用电的磁悬浮,但是需要很高的技巧

不用电的磁悬浮,但是需要很高的技巧

说到这里必须多提两句。据专家分析,这种陀螺在磁体上几十毫米的空中浮动,但稳定区域只有4毫米左右,陀螺必须呆在这一看不见摸不着的狭小区域中才能稳定。不仅如此,陀螺的重量必须精确到1%左右,轻则飞出,重则落地。加之陀螺的稳定还随环境温度变化,必须随时调整。使用者还要学会在磁体强烈的斥力下把陀螺转到一定的转速,快了慢了都不能稳定。作为一个成熟产品,我大概玩了一个小时才能掌握让它浮起来的技巧,真不知道这些发明家们经历了多少失败才发明出来的!在此向这些伟大的DIY玩家致敬!

这个不用电的陀螺虽然能悬浮,但是只能保持几分钟(空气阻力)。然后21世纪到了!集成电路,霍尔传感器,钕铁硼强磁….科技的进步让我这样的业余玩家也可以在家做磁悬浮,这就是所谓的站在巨人肩膀上。这次我做了两种磁悬浮:上拉式和下推式。其中用到的一个关键器件是线性霍尔传感器,这种传感器简而言之就是能够感知磁场的大小:

线性霍尔传感器

线性霍尔传感器

这种传感器的安装要非常小心,因为它测量的是通过那个小小的平面的磁通量,如果磁场和表面平行,那么再强的磁场也测不出来。另外这里必须用线性霍尔,而不是开关型霍尔,我选用的型号是UGN3503。

有了传感器,其他的事情就好办了。例如上拉式磁悬浮,如果检测到磁铁向下运动,就加大电流把它吸上来;反之如果向上运动,就减小电流让它下落。当然这里面也需要一些编程上的技巧,我后面会介绍PID算法原理。

上拉式磁悬浮原理图

上拉式磁悬浮原理图

下推式悬浮原理很类似(其实两种悬浮我用的是同一块电路板),但是需要横竖两个方向共同合作。以一个方向上的截面为例:

下推式磁悬浮原理图

下推式磁悬浮原理图

它的原理是:霍尔传感器在浮子的正下方,当检测到浮子向左运动时,两边的线圈一个吸一个拉,把它推向右;反之如果浮子想右运动,那么两个线圈的电流都反向,把它推向左。用前后左右共四个线圈,两个霍尔传感器配合,就可以把浮子稳定的悬浮住。

至于让浮子旋转,我参考的是鼠笼式电动机的原理,基本上是依据楞次定律,制造一个旋转磁场,以此让浮子无接触的转动。这个实验没有成功,我觉得主要是因为线圈的电磁场随距离衰减过快,无法驱动陀螺。不过这次实验倒是让我学习了一些数字电路的知识,改天也会总结一下发上来。

鼠笼式电动机原理

鼠笼式电动机原理

有了磁悬浮的基础,可以有一些很酷的应用。你可以想象一个悬浮的无线供电灯泡,或者一个悬浮的广告灯箱。有一家叫Crealev的荷兰公司专门做磁悬浮产品,效果非常酷,看下面的产品图:

悬浮台灯

悬浮台灯

悬浮的儿童不宜

悬浮的儿童不宜

昨天跟一群同事一起去吃烤肉,那些肉特别容易粘在篦子上,贪吃的你一定知道的。同事们开玩笑说,你发明个东西,让肉飘在空中吧,无接触式翻烤。呼呼,这还真是个有意思的创意!

好了,磁悬浮的背景故事说完了。还有几句题外话:
上面说起了永动机,不得不再提一下民间发明家们。即使是现在,依然有很多人在孜孜不倦的发明永动机,大部分人当然是浪费时间,但是依然有一些非常有创意的小发明问世,姑且称之为“准永动机”。比如我们常见的自动手表,就是通过人体运动驱动摆锤自动上发条。还有一种神奇的喝水鸟,只要一天的温差超过几度,它就可以不停的点头喝水,很好玩 :)

靠温差运动的神奇“喝水鸟”

靠温差运动的神奇“喝水鸟”