Создаем эффект левитации с помощью ардуино

Магнитная левитация на постоянных магнитах: идеи и опыты

Самый простой и наглядный пример магнитной левитации, которая создается на постоянных магнитах – это так называемый левитрон. Эту игрушку придумал американский изобретатель почти 30 лет назад. В основе конструкции всего два кольцевых магнита. Большой лежит строго горизонтально, а маленький вращается и зависает над ним. Что же его удерживает от падения? За счет чего достигается такой эффект? Игорь Белецкий высказывает на видео идеи практической реализации левитрона и проводит опыты.

Естественно, постоянные магниты направлены друг к другу одноименными полюсами, что и заставляет их отталкиваться. Но для устойчивой магнитной левитации этого мало. Большой кольцевой магнит создает особую форму магнитного поля. Другими словами образуется магнитная впадина или потенциально яма, на дне которой волчок и находят свою устойчивость. Но это всего лишь позволяет ему не свалиться в сторон. Решающим фактором для стабильной левитации является вращение самого волчка, вследствие чего возникает в гироскопический эффект, благодаря нему волчок не опрокидывается, хотя постоянно к этому стремится, и как только трение а воздух притормозит его вращение, сила магнитного притяжения возьмет верх. Было бы заманчиво найти практическое применение такому подвесу. Например, сделать бесконтактный маховик – накопителя энергии. Но беда в том, что что по схеме левитрона, когда большой магнит удерживает маленький, не получается подвесить массивное тело. Сила отталкивания крайне мала – жалкие 30 грамм. Это предел. Нагрузишь больше и система сложится, а увеличивать габариты магнита непрактично и дорого. Но как же так? Неодимовые магниты обладают просто чудовищной силой отталкивания, и это действительно так.

Продаются магниты дешевле в этом китайском магазине. Автор видео Игорь Белецкий попытался реализовать динамическую левитацию по принципу магнитного подвеса, расположив ось вращения вертикально.Вес маховика легко компенсируется двумя маленькими кольцевыми магнитами, а вот осевую стабилизацию должны были обеспечить небольшие магниты на концах оси. Плюс гироскопический эффект от вращения самого маховика. К сожалению, проведя множество экспериментов, он так и не добился желаемого. Возможно, он снова выбрал не самую удачную схему, потому что, чем больше в системе магнитов, а значит и напряжений, тем сложнее ее уравновесить.

Самый простой и дешевый способ магнитного подвеса предложил еще профессор механики Нурбей Гулия. Он просто перенес всю массу маховика на кольцевые магниты, а осевую стабилизацию оставил за обычными подшипниками, что вполне логично, ведь при вертикальной оси вращения нагрузка на них минимальная, как и потери на трение. Это, конечно, не чистая левитация, но что то весьма близкое. Автор ролика быстро собрал похожую конструкцию и убедился в ее практичности. Вместо подшипников для стабилизации оси он использовал графитовые втулки. Трение у них действительно минимально. Теперь бы еще поместить всё в безвоздушную капсулу и получится настоящий накопитель механической энергии. А потом, для полного счастья, было бы логично сделать бесконтактный отбор мощности. Самый простой способ – превратить маховик в магнитный ротор. Например, добавим катушку индуктивности и получим генератор, который при необходимости сможет работать и как электромотор для раскрутки маховика накопителя. Но это уже совсем другая история.

Посмотрите товары для изобретателей. Ссылка на магазин.

Разновидности моделей

Производители сегодня выпускают такие парящие устройства только небольших размеров. Как правило, их диаметр не превышает 10 см. Это объясняется сложностью внутренней конструкции устройства.

Цветовая гамма довольно узкая. В ней представлены лишь 3 цвета: белый, темно-коричневый и светло-бежевый. Опять же, по словам производителей, функции и принцип работы такого горшка являются его главным украшением, поэтому он не нуждается в дополнительном декоре.

В ассортименте есть как просто круглые, так и многогранные модели с небольшим рисунком на поверхности. Однако в целом внешний вид таких приспособлений минимально декорирован. Все специально сделано для того, чтобы именно принцип работы устройства был главной изюминкой.

Литература

the following address Русский перевод письма.

Перевел З.К. Силагадзе, редактирование и подбор иллюстраций С.И.Блинников

Примечания:

1. Более подробная информация о магнитной левитации:

The Real Levitation.
2. Сверхпроводящая левитация:

Principles of superconducting levitation.
Superconducting Levitation.
3. Статью M.V. Berry , A.K. Geim, Eur. J. Phys. 18, 307 (1997) можно найти
здесь: Of Flying Frogs and Levitrons.

4. Другая статья M.V. Berry:

The Levitron: an adiabatic trap for spins.
5. Еще одна статья M. D. Simon et al.:

Spin stabilized magnetic levitation.
6. Популярно о магнитах и магнетизме:

Cool Experiments with Magnets.
7. Как поставить эксперименты по левитации дома:

A magnet in mid-air.
Diamagnetic Levitation Using Silver.
8. Интересная история создания игрушки Левитрона:

A Toy Story. &nbsp

An amazing invention, and a patent failure.
9. Поезд на магнитной подушке:

По рельсам с ускорением.
10. Магнитные подвесы в России:
Веб-страница Государственного Университета Аэрокосмического Приборостроения.


На главную
страницу

Шаг 6: Неодимовые магниты NdFeB (неодим-железо-бор)

Из Википедии: «Неодим — химический элемент, редкоземельный металл серебристо-белого цвета с золотистым оттенком. Относится к группе лантаноидов. Легко окисляется на воздухе. Открыт в 1885 году австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом. Используется как компонент сплавов с алюминием и магнием для самолёто- и ракетостроения.»

Неодим — это металл, который является ферромагнитным (в частности, он показывает антиферромагнитные свойства), что означает, что подобно железу его можно намагнитить, чтобы он стал магнитом. Но его температура Кюри составляет 19К (-254 ° С), поэтому в чистом виде его магнетизм проявляется только при чрезвычайно низких температурах. Однако соединения неодима с переходными металлами, такими как железо, могут иметь температуры Кюри значительно выше комнатной температуры, и они используются для изготовления неодимовых магнитов.

Сильный — это слово, которое используют для описания неодимового магнита. Вы не можете использовать ферритовые магниты, потому что их магнетизм слишком слаб. Неодимовые магниты намного дороже ферритовых магнитов. Маленькие магниты используются для основы, большие магниты для плавающей/левитирующей части.

Внимание! Вам нужно быть осторожным при использовании неодимовых магнитов, так как их сильный магнетизм может навредить вам, или они могут сломать данные вашего жесткого диска или других электронных устройств, на которые влияют магнитные поля. Совет! Вы можете отделить два магнита, потянув их в горизонтальное положение, вы не сможете отделить их в противоположном направлении, потому что их магнитное поле слишком сильное

Они также очень хрупкие и легко ломаются.

Совет! Вы можете отделить два магнита, потянув их в горизонтальное положение, вы не сможете отделить их в противоположном направлении, потому что их магнитное поле слишком сильное. Они также очень хрупкие и легко ломаются.

Как сделать левитирующий магнит своими руками

Такой магнит называют левитрон. Его возможно изготовить своими руками, для этого необходимы:

  • катушка индуктивности от старого телевизора;
  • транзисторы S9018 и IRF540N;
  • два сопротивления по 1 кОм (0, 5 Вт);
  • датчик Холла от ненужного DVD ROM или CD ROM дисковода (на схеме SSE);
  • железный болт диаметром 8 мм;
  • полоска пластика для обеспечения зазора.


Электрическая схема устройства левитрона

Важно! Питание устройства подбирается с помощью регулируемого источника питания. Транзисторы устанавливаются на радиаторы

Болт служит сердечником катушки и вставляется внутрь неё.

Конструкция представляет собой вертикальную колонну, внизу которой в магнитном поле левитирует кусочек плоского магнита.

Магнитная левитация – вполне реальный процесс, который отвечает всем законам физики. Результаты разработок, как личного характера, так и творческих достижений специализированных лабораторий, делают ставку на реальную «магнитную подушку» для движения технического прогресса.

Несколько советов и замечаний

Выводы катушки должны быть подключены так, чтобы создавать магнитное поле нужного направления. Проверить правильность их присоединения очень просто: если схема не работает, поменяйте местами провода.

Размеры магнита не слишком важны, но он должен быть достаточно сильным. Хорошо подойдет редкоземельный магнит, например, неодимовый.

Во избежание перегрева стабилизатора напряжения, обязательно установите его на радиатор. Выберите источник питания с напряжением 7 … 12 В, поскольку чем выше входное напряжение, тем больше нагревается стабилизатор напряжения 5 В.

Максимально допустимое входное напряжение датчика Холла равно 6 В, поэтому для питания схемы выбрано напряжение 5 В.

Если ваш магнит сильно вибрирует, или вообще не хочет левитировать, это может быть вызвано несколькими причинами, главной из которых является недостаточная толщина металлической пластины на катушке. Попробуйте добавить к ней еще несколько шайб. Возможно также, что датчик Холла смещен относительно центра катушки, или же зазор, установленный между катушкой и магнитом, слишком мал, и магнит нужно немного опустить регулировкой подстроечного резистора R2. (Это очень тонкая настройка). А может быть, катушка перекошена и установлена не вертикально.

Добавление мигающих RGB светодиодов сверху и снизу магнита создаст приятный эффект, если вы заставите левитировать какой-либо блестящий объект, такой, например, как шарик из алюминиевой фольги (Рисунки 10 и 11). Поскольку верхний светодиод находится ближе к объекту, желательно расширить угол его излучения, спилив линзу напильником.

Рисунок 10. Установка мигающих цветных светодиодов
создаст приятный эффект.
 
Рисунок 11. Интересным левитирующим объектом может
стать небольшой пропеллер с магнитом,
прикрепленным в его центре.

Совсем другой эффект можно получить, изготовив небольшой пропеллер с прикрепленным в его центре магнитом. Я вырезал его из банки от Кока-Колы. Затем поместите под пропеллером плоскую свечку-таблетку или ароматическую масляную горелку, и поднимающийся поток теплого воздуха заставит левитирующий пропеллер вращаться. Для вращения пропеллера требуется совсем небольшая разница температур, и если воздух в помещении холодный, будет вполне достаточно тепла, выделяемого катушкой. Конечно же, если воздух теплый, это работать не будет.

В устройстве можно использовать катушку от ненужного соленоида, но предварительно необходимо убедиться в том, что потребляемый ею ток не перегрузит схему, поскольку многие соленоиды очень прожорливы.

Высокотемпературные сверхпроводники

В природе мало чистых сверхпроводников. Большинство их материалов, обладающих свойствами сверхпроводимости, являются сплавами, у которых чаще всего наблюдается лишь частичный эффект Мейснера.

В сверхпроводниках именно способность полностью вытеснять магнитное поле из своего объема разделяет материалы на сверхпроводники первого и второго типов. Сверхпроводниками первого типа являются чистые вещества, например, ртуть, свинец и олово, способные даже при высоких магнитных полях продемонстрировать полный эффект Мейснера. Сверхпроводники второго типа – чаще всего сплавы, а также керамика или некоторые органические соединения, которые в условиях магнитного поля с высокой индукцией способны лишь на частичное вытеснение магнитного поля из своего объема. Тем не менее в условиях очень малой индукции магнитного поля практически все сверхпроводники, в том числе и второго типа, способны на полный эффект Мейснера.

Известно несколько сотен сплавов, соединений и несколько чистых материалов, обладающих характеристиками квантовой сверхпроводимости.

Шаг 11: Сборка электромагнитов

Соберите электромагниты на акриловый лист, они закреплены в четырех отверстиях вблизи центра. Затяните винты, чтобы избежать движения. Поскольку электромагниты симметричны по центру, они всегда находятся на полюсах напротив, так что провода на внутренней стороне электромагнитов соединены вместе, а провода на внешней стороне электромагнитов подключены к L298N.

Протяните провода под акриловым листом через соседние отверстия, чтобы подключиться к L298N. Медный провод покрыт изолированным слоем, поэтому вы должны удалить его ножом, прежде чем вы сможете припаять их вместе.

Другие левитирующие девайсы

Кстати, подобная левитация широко используется и для создания других оригинальных вещей. Например, растение Бонсай.

Это небольшой моховой шарик, из которого прямо в воздухе произрастает полноценное деревце.


Подробнее

Отдельные энтузиасты даже обещали начать массовый выпуск летающих кроватей.

Но это все так и осталось на стадии концепции и нереализованных планов.

Зато с лампочкой все получилось и успешно работает. Недостаток у нее один – это цена.

Какая она на сегодняшний день, можно ознакомиться здесь.

Но все же, если для себя подобный продукт мало кто купит, то вот в качестве оригинального подарка, почему бы нет?

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.

Сверхпроводник может висеть не только над магнитом, но и под ним, да и вообще в любом положении относительно магнита. Равно как и магнит совсем не обязан висеть именно над сверхпроводником.

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).

Чтобы увидеть квантовую левитацию, достаточно даже небольшого отрезка сверхпроводящей ленты. Правда, удерживать в воздухе получится лишь маленький магнитик и на небольшой высоте.

Устойчивость

Мало только заставить предмет парить и зависать в воздухе. Необходимо добиться его устойчивого состояния, которое бывает:

  • статическое;
  • динамическое.

Два этих невесомых состояния имеют некоторые принципиальные различия.

Статическая

Равнодействующие силы, которые возвращают предмет в равновесное положение при любом его отклонении, обеспечивают статическую устойчивость.

Динамическая

Способность устройства, создающего левитацию, подавлять всевозможные вибрирующие движения обеспечивает динамическое устойчивое состояние. Так как само МП не имеет встроенного механизма подавления вибраций, то это делается дополнительно. Для этого используются варианты воздействия:

  • лобового сопротивления;
  • действия вихревых токов;
  • работа управляемых электромагнитов;
  • гашение вибрации с помощью инерционного демпфера.

Для работы электромагнитов в данном случае применяются БЭУ (блоки электронного управления), которые контролируют процесс смещения и вносят необходимую коррекцию в работу магнитов.

Шаг 5: LM324 Op-amp, L298N драйвер и SS495a

LM324 Op-amp

Операционные усилители (op-amp) являются одними из наиболее важных, широко используемых и универсальных схем, используемых сегодня.

Мы используем операционный усилитель для усиления сигнала от датчика Холла, цель которого — увеличить чувствительность, чтобы ардуино легко распознало изменение магнитного поля. Изменение нескольких мВ на выходе датчика холла, после прохождения усилителя может измениться на несколько сотен единиц в Arduino. Это необходимо для обеспечения плавного и стабильного функционирования ПИД-регулятора.

Обычным операционным усилителем, который мы выбрали, является LM324, это дешево, и вы можете купить его в любом магазине электроники. LM324 имеет 4 внутренних усилителя, которые позволяют гибко его использовать, однако в этом проекте нужны только два усилителя: один для оси X, а другой для оси Y.

Модуль L298N

Двойной H-мост L298N обычно используется для управления скоростью и направлением двух двигателей постоянного тока или с легкостью управляет одним биполярным шаговым двигателем. L298N может использоваться с двигателями с напряжением от 5 до 35 В постоянного тока.

Существует также встроенный регулятор 5V, поэтому, если напряжение питания до 12 В, вы также можете подключить источник питания 5 В от платы.

В этом проекте использован L298N для управления двумя парами катушек электромагнита и использован выход 5 В для питания Arduino и датчика холла.

Распиновка модулей:

  • Out 2: пара электромагнитов X
  • Out 3: пара электромагнитов Y
  • Входное питание: вход постоянного тока 12 В
  • GND: Земля
  • Выход 5v: 5v для датчиков Arduino и холла
  • EnA: Включает сигнал PWM для выхода 2
  • In1: Включить для выхода 2
  • In2: Enable for Out 2
  • In3: Включить для выхода 3
  • In4: Включить для выхода 3
  • EnB: Включает PWM-сигнал для Out3

Подключение к Arduino: нам нужно удалить 2 перемычки в контактах EnA и EnB, затем подключить 6 контактов In1, In2, In3, In4, EnA, EnB к Arduino.

SS495a Датчик Холла

SS495a — это линейный датчик Холла с аналоговым выходом

Обратите внимание на разницу между аналоговым выходом и цифровым выходом, вы не можете использовать датчик с цифровым выходом в этом проекте, он имеет только два состояния 1 или 0, поэтому вы не можете измерить выход магнитных полей

Аналоговый датчик приведет к диапазону напряжений от 250 до Vcc, который вы можете прочитать с помощью аналогового входа Arduino. Для измерения магнитного поля в обеих осях X и Y требуются два датчика холла.

Выводы

Портреты с левитацией не только выглядят очень эффектно, но и позволяют реализовать самые невероятные творческие идеи.

Исрефил Агаханов

2017-05-30 15:30:00

Исрефил Агаханов

2017-05-30 16:13:00

Исрефил Агаханов

2017-05-30 15:30:00

132, 168. Подробное описание по управлению процессами при левитации.
Напомню, что левитация, как парение над поверхностью Земли, осуществляется, в основном, благодаря градиенту распределения интенсивности аннигиляции электронов с позитронами по вертикали с максимумом в нижней области массы, а также частично при расщеплении тяжёлых и синтезе лёгких изотопов атомных ядер в массе в соответствии с распределением интенсивности аннигиляции.
Допустим, что интенсивность аннигиляции электронно-позитронных пар (ЭПП) способна создать отрицательный вес. Объект с соответствующим ускорением будет двигаться вертикально или под некоторым углом наклона вверх. Процесс ускоренного движения вверх будет длиться до тех пор, пока интенсивность аннигиляции будет соответствовать отрицательному весу. При достижении нулевого веса набранная скорость подъёма будет падать до нуля через время t = 2V/g, где g — ускорение свободного падения. Если же нулевой вес сохраняется, то объект стабилизируется на этой высоте.
Чтобы двигаться с некоторым ускорением горизонтально, будет достаточно осуществить наклон оси, соответствующей градиенту распределения интенсивности аннигиляции, на некоторый угол в нужном направлении. Соответственно, с такой величиной ускорения объект будет опускаться. Для стабилизации высоты понадобится увеличения на соответствующую величину интенсивности аннигиляции.
Набрав нужную величину горизонтальной скорости, ось возвращается в вертикальное положение с уменьшением интенсивности аннигиляции на соответствующую для нулевого веса величину.
Таким образом, осуществляется управление величинами высоты и горизонтальной скорости перемещения объекта левитации. Далее остаются разработка и изготовление технического устройства для осуществления и управления соответствующими процессами при левитации. АИР. 30. 05. 2017.

Исрефил Агаханов

2017-05-30 16:13:00

132, 168. Подробное описание по управлению процессами при левитации.
Напомню, что левитация, как парение над поверхностью Земли, осуществляется, в основном, благодаря градиенту распределения интенсивности аннигиляции электронов с позитронами по вертикали с максимумом в нижней области массы, а также частично при расщеплении тяжёлых и синтезе лёгких изотопов атомных ядер в массе в соответствии с распределением интенсивности аннигиляции.
Допустим, что интенсивность аннигиляции электронно-позитронных пар (ЭПП) способна создать отрицательный вес. Объект с соответствующим ускорением будет двигаться вертикально или под некоторым углом наклона вверх. Процесс ускоренного движения вверх будет длиться до тех пор, пока интенсивность аннигиляции будет соответствовать отрицательному весу. При достижении нулевого веса набранная скорость подъёма будет падать до нуля через время t = 2V/g, где g — ускорение свободного падения. Если же нулевой вес сохраняется, то объект стабилизируется на этой высоте.
Чтобы двигаться с некоторым ускорением горизонтально, будет достаточно осуществить наклон оси, соответствующей градиенту распределения интенсивности аннигиляции, на некоторый угол в нужном направлении. Соответственно, с такой величиной ускорения объект будет опускаться. Для стабилизации высоты понадобится увеличения на соответствующую величину интенсивности аннигиляции.
Набрав нужную величину горизонтальной скорости, ось возвращается в вертикальное положение с уменьшением интенсивности аннигиляции на соответствующую для нулевого веса величину.
Таким образом, осуществляется управление величинами высоты и горизонтальной скорости перемещения объекта левитации. Далее остаются разработка и изготовление технического устройства для осуществления и управления соответствующими процессами при левитации. АИР.
30. 05. 2017.