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      磁懸浮之電磁技術

      發布時間:2024-05-07

      磁懸浮就是用磁力克服重力讓物體懸空,但真正做起來并不容易,主要原因是沒有穩定的平衡點。要達到懸浮,必須是穩定的懸浮。也就是說,用一個力(或位移)在任何方向上(上下左右前后等)來(小)擾動被懸浮物,都會有一個恢復力,使得外力撤消后重新恢復平衡。

      磁懸浮可以分成有源的和無源的兩大類,前者比如反饋式的,用光電、磁電等手段檢測到被懸浮物體偏離正常懸浮點后,通過調節電磁鐵的電流來使得物體保持在懸浮點附近,因此需要用電。這樣的懸浮從道理上看,與開直升飛機懸停沒什么區別。

      磁懸浮

      無源懸浮又分為超導懸浮和普通磁懸浮兩類,前者是靠超導體的完全抗磁性來達到的,超導體和磁體之間就像安裝了彈簧一樣。簡單說就是任何磁鐵在超導體附近的移動都會在超導體表面產生電流,而這個感生電流所產生的磁場阻礙磁鐵的運動,因此磁鐵就與超導體相對靜止。

      普通磁懸浮又可分成兩類,排斥懸浮和吸引懸浮。排斥懸浮有成品可買到,就是所謂的陀螺懸浮。其原理是用五塊大磁鐵(比如四角四塊N極向上、中間一塊S極向上)在懸浮空間上方產生一個磁場谷(對N極向下的懸浮磁鐵周圍排斥力強但中間弱),那么只要被懸浮磁鐵的極性得到保持,就可以成功懸浮。但處于自由狀態的磁鐵會上下反轉,把排斥力變成吸引力,結果懸浮就失敗。解決這一問題的辦法就是把懸浮磁鐵做成陀螺,保證在運轉期間極性不反轉,這樣才能懸浮起來。懸浮需要技巧,陀螺的重量要通過墊片調整到誤差在0.1g之內才能懸浮,而且要求底座很平。

      以上懸浮要么需要能量,要么需要不會持久保持的條件(超導的低溫、陀螺的旋轉),因此都不是永久懸浮方案。

      最后一種,就是吸引懸浮。但吸引懸浮中,兩塊磁鐵的吸引力基本上是與距離的平方成反比的,盡管吸力與重力有一個平衡點,但為非穩定平衡。為了解決這一問題,需要用反磁性物質制造一個局部的穩定空間。

      我們做一個測試實例:

      1、測試時道具可采用鉍粒,純度較低也可以。

      2、用不銹鋼勺子在煤氣灶上熔化鉍(鉍的熔點不算高,500多度C),用易拉罐的底做模具,做了兩塊鉍錠。

      3、相對鉆上6個小孔,用三根適當長度的銅絲把兩塊鉍錠架起來,中間留有空隙。把稀土磁鐵放到中間。

      4、在上面適當位置放上大磁鐵,結果小磁鐵懸浮了起來。這個懸浮自然是穩定的,前后左右偏離達10mm,仍然可以復原。上下位置,由于有金屬的限位自然跑不掉,但會自動居中。

      磁懸浮

      工作原理

      所謂(正)磁性,就是類似鐵這樣的物質,會被磁鐵的N極或S極所吸引,而且基本上力的大小與距離的平方成反比。

      所謂反磁性/逆磁性,會被磁鐵排斥,或者說無論磁鐵的N極或S極接近反磁性物質,都會產生排斥力,而且力的大小也基本上與距離的平方成反比。

      鉍是具備最強的反磁性的金屬。當然,這個反磁性的大小還是比較弱的,甚至正常情況下很難觀察到。我剛才用電子分析天平測量了一下,某稀土小磁鐵在距離鉍塊0.5mm的位置上,排斥力只有0.05克力。而司樣的磁鐵距離鐵塊0.5mm的場合下有500g的吸引力,因此鉍的反磁性的大小只有鐵的正磁性的萬分之因此這個裝置也需要精心的設計和調整才能達到懸浮。首先,磁鐵的重力是靠上面的一塊上下極性相反的大磁鐵來平衡的。其次,由于這個磁鐵選的比較大,因此可以在距離比較遠的情況下,其吸引力就可以與小磁鐵的重力相等(平衡點)。而由于距離比較遠,因此可以在小磁鐵周圍一個小范圍內建立比較均勻的磁場,也就是說,當小磁鐵上下少量移動時,吸引力的變化不至于過大。第三,由于兩塊鉍板的引入,使得小磁鐵在靠近鉍的時候排斥力很快增大,無論是向上靠近還是向下靠近(因為排斥力也基本上與距離的平方成反比),而這種排斥力隨距離的變化大于上下磁鐵之間吸引力的變化。因此,中間就成為一個穩定的平衡點。也可以這樣來理解:由于鉍的反磁性,如果在失重狀態下把磁鐵裝到用鉍做的空心盒里,那么磁鐵將保持在中心。最后,當小磁鐵在水平方向上偏離中心位置后,由于上邊磁鐵吸引力的“懸掛”效應(類似單擺),會產生一個水平的向心分力,使得小磁體復原。這也是吸引懸浮的優勢所在。

      磁懸浮地球儀利用電流磁效應使地球儀漂浮在半空中。地球儀頂端有一個磁鐵,圓環形塑膠框內部頂端有一個金屬線圈,金屬線圈通過電流就會成為電磁鐵。電磁鐵與地球儀頂端磁鐵間的吸引力可抵消地球儀所受重力,因此地球儀可漂浮在半空中。用手輕輕觸碰地球儀使其偏離平衡位置,手移開后地球儀仍可回到平衡位置不至掉落,這是利用負反饋機制。

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