Lévitation dans un champ magnétique sans rotation. Lévitation magnétique sur aimants permanents : idées et expériences

résumé de la présentation TRAVAIL DE PROJET en physique sur le thème "LEVITATION MAGNÉTIQUE"

AvecAujourd'hui, je veux présenter mon projet, qui s'appelle"Lévitation magnétique" . Mon projet est la recherche, doncobjectif du projet estétude des phénomènes magnétiques et des possibilités de leur utilisation potentielle dans la technologie moderne. ( diapositive 1-2 )

Pourquoi ai-je choisi ce sujet ? Il y a très longtemps, dès que j'ai appris les propriétés des aimants à attirer et à repousser, je me suis intéressé à la question : cette propriété des aimants peut-elle être utilisée pour maintenir des objets dans l'air dans un état de « planage » au-dessus du sol? Par exemple, est-il possible de créer un canapé qui « pend » dans les airs et qui amortit doucement lorsque vous vous asseyez dessus ? ( diapositive 3 )

Afin de répondre à cette question et à d'autres questions similaires, j'ai posé ce qui suitTâches : ( diapositive 4 )

étudier les propriétés magnétiques des substances;

explorer la possibilité de la lévitation magnétique et

identifier les applications potentielles de la lévitation magnétique

Au cours de mes recherches, j'ai découvert que toutes les substances présentes dans la nature, dans une plus ou moins grande mesure, ont Propriétés magnétiques. Dans ce cas, certains d'entre eux, lorsqu'ils sont introduits dans un champ magnétique, y sont entraînés et se situent dans la direction des lignes magnétiques du champ magnétique externe. De telles substances sont appeléesparamagnétiques . Par exemple,platine, manganèse, chrome . D'autres substances, au contraire, sont situées à travers les lignes magnétiques du champ magnétique externe et en sont expulsées. De telles substances sont appeléesdiamants . Ceux-ci incluscuivre, aluminium, argent et particulièrementbismuth et antimoine . Cette division des substances en para-aimants et dia-aimants a été proposée dans1845 annéeMichael Faraday . Les substances qui ont des particularités propriétés prononcées paramagnétiques ("superparamagnétiques"), tels quefer, nickel et cobalt , appelé plus tardferromagnétiques . ( diapositive5 )

De plus, il existe des substances qui créent elles-mêmes un champ magnétique, le soi-disantaimants permanents . Dans les aimants permanents, les courants annulaires élémentaires autour des atomes et des molécules sont orientés de la même manière. Se renforçant l'une l'autre, elles créent un champ magnétique dans la substance et autour d'elle. Les aimants permanents se rencontrentdans la nature sous forme d'oxydes de fer - par exemple,magnétite ou des alliages d'autres substances, telles queAimant néodyme – aimant permanent de terre rare très puissant, constitué d'un alliagenéodyme, bore et fer . Les gens ont également appris à créer des aimants permanentsartificiellement , fusionnant certains ferromagnétiques avec des para- et dia-aimants.( diapositive 6 )

Pourquoi les aimants s'attirent-ils ou se repoussent-ils ? Le fait est que chaque aimant adeux pôles : nord Etdu sud . Les lignes de champ magnétique passent entre ces pôles - c'est la direction totale des courants annulaires élémentaires. Donc, si la direction des lignes magnétiques est la même, c'est-à-dire les aimants sont alignéspôles opposés , puis ilssont attirés . éponyme mêmepoteaux , contre,repousser . ( diapositive 7 )

Les aimants les plus puissants que l'homme ait réussi à créer sont -électroaimants . Chaque fil qui coule électricité crée un champ magnétique autour de lui. Le champ magnétique peut être renforcé en enroulant le fil dans une spirale hélicoïdale. La bobine résultante avec courant est appeléesolénoïde . À mesure que les spires de la bobine augmentent, le champ magnétique augmente également en intensité. Un renforcement encore plus important du champ magnétique peut être obtenu en insérant une tige de fer dans le solénoïde (cœur ). Un solénoïde avec un noyau de fer à l'intérieur s'appelleélectro-aimant . ( diapositive 8 )

Le premier créateur de l'électroaimant étaitGuillaume Sturgeon . 4 mai 1825 année, il a fait la démonstration du premier électroaimant au monde avec une capacité de charge de36N . En 1830, les travaux sur les électroaimants sont poursuivis par un élève de SturgeonJoule, qui a réussi à créer un électroaimant capable de soulever5500N . un an plus tard, un scientifique américainJ. Henry l'a rattrapé en construisant un électro-aimant qui a soulevé10000N . Et en 1840, Joule a créé un aimant de sa propre conception, qui tenait sur le poids12000N . Les électroaimants modernes soulèvent des charges dansplusieurs dizaines de tonnes ! Électroaimants trouvésapplication large V agriculture pour nettoyer le grain et dans les usines pour soulever des poids.( diapositive 9 )

Alors, est-il possible de faire léviter un aimant ? Après tout, si les aimants sont amenés l'un à l'autre avec les mêmes pôles, se repoussant, ils ont immédiatement tendance à se tourner l'un vers l'autre avec des pôles opposés, ce qui les attire immédiatement !Théorème d'Earnshaw prouve qu'en utilisant uniquement des ferromagnétiques,impossible à maintenir objet dans un champ gravitationnel. Malgré cela, à l'aide de servomécanismes, de dia-aimants, de supraconducteurs et de systèmes à courants de Foucaultlévitation possible ! ( diapositive 10 )

Dans certains cas, la force de levage est fournie par lévitation magnétique, mais il existe un support mécanique qui donne la stabilité. Dans ces cas, le phénomène est appelépseudo-lévitation . La lévitation magnétique stable sans support est possible grâce àfosses magnétiques , apparaissant dans un champ magnétique, qui peut être construit à l'aide de plusieurs aimants.( diapositive 11 )

Le prochain facteur de lévitation magnétique stable est -effet gyroscopique - la stabilité de l'axe de rotation de l'objet dans l'espace (l'effet de la «toupie» - la toupie, familière à beaucoup depuis l'enfance). Pour plus de clarté, vous pouvez visionner une vidéo de trois minutesvidéo d'Igor Beletsky "Lévitation magnétique". ( diapositive 12 )

Ainsi, la lévitation magnétique est possible ! Où et comment cette propriété magnétique peut-elle être utilisée ?D'abord : train maglev–plan magnétique oumaglev. Deuxième : paliers magnétiques. Troisième : affichage du produit ( diapositive 13 )

Un peu plus sur le magnétoplane.Maglev est un train tenu au-dessus de la plate-forme, entraîné et contrôlé par la force du champ électromagnétique. ( diapositive 14 )

Principaldignité maglev. 1) la vitesse la plus élevée de tous les types de transports publics terrestres (jusqu'à 603 km/h) ; 2) faible consommation d'énergie (l'énergie d'un maglev est trois fois plus efficace que celle d'une voiture et 5 fois plus efficace que celle d'un avion) ; 3) réduction des coûts d'exploitation grâce à une réduction significative du frottement des pièces ; 4) des perspectives énormes pour atteindre des vitesses plusieurs fois supérieures à celles utilisées dans l'aviation à réaction (avec une diminution de la traînée aérodynamique en plaçant le train dans un tunnel à vide) ; 5) à cet égard, des projets sont en cours d'élaboration pour utiliser des accélérateurs magnétiques comme moyen de lancement de charges utiles dans l'espace ; 6) faible bruit ; 7) L'efficacité de ce train est supérieure à celle des trains modernes. ( diapositive 15 )

Bien sûr, les maglevs ont leurs inconvénients, mais ils sont bien moins que des avantages : 1) le coût élevé de création et d'entretien d'une piste ; 2) contrairement aux voies ferrées pour trains à grande vitesse, qui restent disponibles pour les trains ordinaires de voyageurs et de banlieue, la voie maglev ne convient à rien d'autre. ( diapositive 16 )

Néanmoins, les maglevs conquièrent progressivement les voies de communication. Alors dans1984 année enAllemagne (Emsland) la première piste d'essai d'une longueur totale de 31,5 km a été construite. Actuellement, la route est utilisée pour les essais et comme attraction touristique.Dans cinq ans VAllemagne (Berlin) la route a été ouverte pour la circulation des passagers. Le passage était libre, les voitures étaient contrôlées automatiquement sans chauffeur, la route ne fonctionnait que le week-end. En même temps (de 1984 à 1995 ) VGrande Bretagne une lente navette moldue reliait l'aéroport de Birmingham à la gare la plus proche.EN URSS V1987 année, la construction du premier aimant chemin de fer en Arménie. Cependant, le tremblement de terre de Spitak et les événements militaires ont provoqué le gel de l'objet. DANSChine La piste maglev de Shanghai a été inaugurée en2002 année. Sa longueur est de 30 km. 16 avril2015 années maglevJaponais La société a établi un nouveau record de vitesse en accélérant à 590 km / h. DANSTemps présent VCorée du Sud une route est en cours de construction, faisant référence au type de maglev urbain.( diapositive 17 )

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Pire Meilleur

Si nous amenons le pôle nord d'un aimant permanent au pôle nord d'un autre aimant de ce type, les aimants se repousseront. (Si nous retournons l'un des aimants et l'apportons pôle Sud au pôle nord de l'autre, les deux aimants s'attirent.) Le même principe, qui comme les pôles des aimants se repoussent, peut être utilisé pour soulever des poids énormes du sol. Déjà, plusieurs pays construisent des trains maglev techniquement avancés. De tels trains ne se précipitent pas le long des voies, mais sur eux sur distance minimale; Ils sont maintenus en place par des aimants ordinaires. Les trains semblent flotter dans les airs et, grâce à l'absence de friction, peuvent atteindre des vitesses record.

Le premier système de transport automatisé commercial maglev au monde a été mis en service en 1984 dans la ville britannique de Birmingham. Il reliait le terminal de l'aéroport international et la gare voisine. Les trains Maglev fonctionnent également en Allemagne, au Japon et en Corée, bien que la plupart d'entre eux ne soient pas conçus pour des vitesses élevées. Le premier train maglev commercial à grande vitesse a commencé à circuler sur la section commandée de la ligne à Shanghai; ce train se déplace le long de la voie à une vitesse pouvant atteindre 431 km/h. Un train maglev japonais dans la préfecture de Yamanashi a atteint une vitesse de 581 km/h, bien plus rapide que les trains conventionnels sur roues.

Mais les appareils maglev sont extrêmement chers. L'un des moyens d'augmenter leur efficacité est l'utilisation de supraconducteurs qui, lorsqu'ils sont refroidis à des températures proches du zéro absolu, perdent complètement résistance électrique. Le phénomène de supraconductivité a été découvert en 1911. Heike Kamerling-Onnes. Son essence était que certaines substances, lorsqu'elles étaient refroidies à une température inférieure à 20 K (20 ° au-dessus zéro absolu) perd toute résistance électrique. En règle générale, lorsqu'un métal est refroidi, sa résistance électrique diminue progressivement. (Le fait est que le mouvement dirigé des électrons dans un conducteur est entravé par des oscillations aléatoires d'atomes. ensemble de pièces de monnaie de la ville de gloire militaire. À mesure que la température diminue, la plage d'oscillations aléatoires diminue et l'électricité éprouve moins de résistance.) Mais Kamerling-Onnes, à son grand étonnement, a constaté que la résistance de certains matériaux à une certaine température critique chute brusquement à zéro.

Les physiciens ont immédiatement compris l'importance du résultat. Lors de la transmission sur de longues distances, une quantité importante d'électricité est perdue dans les lignes électriques. Mais si la résistance pouvait être éliminée, l'électricité pourrait être transmise à n'importe quel endroit presque pour rien. En général, un courant électrique excité dans un circuit fermé pourrait y circuler sans perte d'énergie pendant des millions d'années. De plus, à partir de ces courants extraordinaires, il serait facile de créer des aimants d'une puissance incroyable. Et avec de tels aimants, il serait possible de soulever des charges énormes sans effort.

Malgré les merveilleuses possibilités des supraconducteurs, leur application est très difficile. Garder de gros aimants dans des réservoirs de liquides extrêmement froids coûte très cher. Pour garder les liquides froids, il faudrait d'énormes usines de réfrigération, ce qui ferait monter en flèche le coût des aimants supraconducteurs et rendrait leur utilisation non rentable.

Mais un jour, les physiciens pourront peut-être créer une substance qui conserve des propriétés supraconductrices même lorsqu'elle est chauffée à température ambiante. Supraconductivité à température ambiante- le "saint graal" des physiciens du solide. L'obtention de telles substances, selon toute vraisemblance, sera le début de la deuxième révolution industrielle. Des champs magnétiques puissants capables de supporter des voitures et des trains deviendront si bon marché que même les "voitures glissantes" pourraient être économiquement viables. Il se pourrait très bien qu'avec l'invention des supraconducteurs qui conservent leurs propriétés à température ambiante, les fantastiques engins volants que l'on voit dans les films "Retour vers le futur", "Rapport minoritaire" et " guerres des étoiles' deviendra une réalité.

En principe, il est tout à fait concevable qu'une personne puisse mettre une ceinture spéciale d'aimants supraconducteurs qui lui permettra de léviter librement au-dessus du sol. Avec une telle ceinture, il serait possible de voler dans les airs, comme Superman. En général, la supraconductivité à température ambiante est un phénomène tellement remarquable que l'invention et l'utilisation de tels supraconducteurs ont été décrites dans de nombreux romans de science-fiction.

Pendant des décennies, les physiciens ont cherché en vain des substances qui auraient une supraconductivité à température ambiante. C'était un processus fastidieux et ennuyeux - chercher par essais et erreurs, tester un matériau après l'autre. Mais en 1986, il a été ouvert nouvelle classe substances appelées "supraconducteurs à haute température" ; ces substances ont acquis une supraconductivité à des températures de l'ordre de 90° au-dessus du zéro absolu, soit 90 K. Cette découverte est devenue une véritable sensation dans le monde de la physique. Il semblait que les portes du sas s'étaient ouvertes. Mois après mois, les physiciens se sont affrontés pour établir un nouveau record mondial de supraconductivité. Pendant un moment, il a même semblé que la supraconductivité à température ambiante était sur le point de quitter les pages des romans de science-fiction et de devenir une réalité. Mais après plusieurs années de développement rapide, la recherche dans le domaine des supraconducteurs à haute température a commencé à ralentir.

Le record mondial actuel des supraconducteurs à haute température est détenu par un composé qui est un oxyde complexe de cuivre, de calcium, de baryum, de thallium et de mercure qui devient supraconducteur à 138 K (-135 °C). Ceci relativement chaleur encore très loin de la température ambiante. Mais c'est aussi une étape importante. L'azote devient liquide à 77 K, et l'azote liquide coûte à peu près le même prix que le lait ordinaire. Par conséquent, l'azote liquide ordinaire peut être utilisé pour refroidir les supraconducteurs à haute température, ce qui est peu coûteux. (Bien sûr, les supraconducteurs qui restent ainsi à température ambiante n'auront pas du tout besoin d'être refroidis.)

Une autre chose désagréable. Actuellement, il n'existe aucune théorie qui expliquerait les propriétés des supraconducteurs à haute température. De plus, un physicien entreprenant qui peut expliquer comment ils fonctionnent attend prix Nobel. (Dans les supraconducteurs à haute température connus, les atomes sont organisés en couches bien définies. De nombreux physiciens suggèrent que c'est la stratification matériau céramique permet aux électrons de se déplacer librement dans chaque couche, créant ainsi une supraconductivité. Mais exactement comment et pourquoi cela se produit reste un mystère.)

Le manque de connaissances oblige les physiciens à rechercher de nouveaux supraconducteurs à haute température à l'ancienne, par essais et erreurs. Cela signifie que la supraconductivité notoire à température ambiante peut être découverte à tout moment - demain, dans un an, ou jamais du tout. Personne ne sait quand une substance avec de telles propriétés sera trouvée et si elle sera trouvée du tout.

Mais si les supraconducteurs sont découverts à température ambiante, leur découverte est susceptible de générer énorme vague nouvelles inventions et applications commerciales. Des champs magnétiques peut-être un million de fois plus puissants que le champ magnétique terrestre (qui est de 0,5 gauss) deviendront probablement monnaie courante.

L'une des propriétés inhérentes à tous les supraconducteurs s'appelle Effet Meissner. Si vous placez un aimant sur un supraconducteur, l'aimant flottera dans l'air, comme s'il était soutenu par une force invisible. (La raison de l'effet Meissner est qu'un aimant a la propriété de créer sa propre "image miroir" à l'intérieur du supraconducteur, de sorte que l'aimant réel et sa réflexion commencent à se repousser. Une autre explication illustrative de cet effet est que le supraconducteur est imperméable au champ magnétique "Cela repousse en quelque sorte le champ magnétique. Donc, si vous placez un aimant sur un supraconducteur, les lignes de force de l'aimant se déformeront lorsqu'elles entreront en contact avec le supraconducteur. Ces lignes de force pousseront l'aimant vers le haut, le faisant léviter.)

Si l'humanité a la possibilité d'utiliser l'effet Meissner, alors on peut imaginer l'autoroute du futur avec un revêtement de céramique aussi spéciale. Ensuite, à l'aide d'aimants placés sur notre ceinture ou sur le bas de la voiture, nous pourrons flotter comme par magie au-dessus de la route et nous précipiter vers notre destination sans aucun frottement ni perte d'énergie.

Effet Meissner ne fonctionne qu'avec des matériaux magnétiques tels que les métaux. Mais les aimants supraconducteurs peuvent également être utilisés pour faire léviter des matériaux non magnétiques, appelés paramagnétiques ou diamagnets. Ces substances elles-mêmes n'ont pas de propriétés magnétiques ; ils ne les acquièrent qu'en présence et sous l'influence d'un champ magnétique extérieur. Les para-aimants sont attirés par un aimant externe, les dia-aimants sont repoussés.

L'eau, par exemple, est diamagnétique. Étant donné que tous les êtres vivants sont constitués d'eau, eux aussi peuvent léviter en présence d'un puissant champ magnétique. Dans un champ d'induction magnétique d'environ 15 T (30 000 fois plus puissant que le champ magnétique terrestre), des scientifiques ont déjà réussi à faire léviter de petits animaux comme des grenouilles. Mais si la supraconductivité à température ambiante devient une réalité, il sera possible de soulever de gros objets non magnétiques dans l'air, en utilisant leurs propriétés diamagnétiques.

En conclusion, nous notons que les champs de force sous la forme dans laquelle la littérature de science-fiction les décrit habituellement ne concordent pas avec la description des quatre interactions fondamentales de notre Univers. Mais on peut supposer qu'une personne pourra imiter de nombreuses propriétés de ces champs fictifs à l'aide de boucliers multicouches, notamment des fenêtres à plasma, des rideaux laser, des nanotubes de carbone et des substances à transparence variable. Mais en réalité, un tel bouclier ne pourra être développé qu'en quelques décennies, voire en un siècle. Et si la supraconductivité à température ambiante est découverte, l'humanité aura la possibilité d'utiliser de puissants champs magnétiques ; peut-être qu'avec leur aide, il sera possible de soulever des voitures et des trains dans les airs, comme on le voit dans les films de science-fiction.

Le mot "lévitation" vient de l'anglais "levitate" - planer, s'élever dans les airs. C'est-à-dire que la lévitation est le dépassement de la gravité par un objet lorsqu'il s'élève et ne touche pas le support, sans repousser de l'air, sans utiliser la poussée du jet. Du point de vue de la physique, la lévitation est la position stable d'un objet dans un champ gravitationnel, lorsque la force de gravité est compensée et qu'il existe une force de rappel qui confère à l'objet une stabilité dans l'espace.

En particulier, la lévitation magnétique est une technologie permettant de soulever un objet à l'aide d'un champ magnétique, lorsque l'action magnétique sur l'objet est utilisée pour compenser l'accélération de la chute libre ou toute autre accélération. C'est de la lévitation magnétique qu'il sera question dans cet article.

La rétention magnétique d'un objet dans un état d'équilibre stable peut être mise en œuvre de plusieurs manières. Chacune des méthodes a ses propres caractéristiques, et on peut prétendre à chacune, comme "ce n'est pas une vraie lévitation!", Et ce sera effectivement le cas. La véritable lévitation dans sa forme la plus pure est inaccessible.

Ainsi, le théorème d'Earnshaw prouve qu'en utilisant uniquement des ferromagnétiques, il est impossible de maintenir de manière stable un objet dans un champ gravitationnel. Mais malgré cela, à l'aide de servomécanismes, de dia-aimants, de supraconducteurs et de systèmes à courants de Foucault, il est possible d'obtenir un semblant de lévitation, lorsqu'un mécanisme aide l'objet à maintenir l'équilibre lorsqu'il est soulevé au-dessus du support par la force magnétique. Cependant, tout d'abord.

Lévitation électromagnétique avec système de suivi

En appliquant un circuit basé sur un électroaimant et un photorelais, de petits objets métalliques peuvent être amenés à léviter. L'objet flottera dans les airs à une certaine distance de l'électroaimant fixé sur le support. L'électroaimant est alimenté tant que la cellule photoélectrique fixée dans le poteau n'est pas masquée par un objet en vol stationnaire, tant qu'une quantité suffisante de lumière provenant d'une source de contrôle fixe le frappe, cela signifie que l'objet doit être attiré.

Lorsque l'objet est suffisamment élevé, l'électroaimant est éteint, car à ce moment l'ombre de l'objet déplacé dans l'espace tombe sur la cellule photoélectrique, bloquant la source lumineuse. L'objet commence à tomber, mais n'a pas le temps de tomber, car l'électroaimant se rallume. Ainsi, en ajustant la sensibilité du photorelais, vous pouvez obtenir l'effet dans lequel l'objet semblera suspendu à un endroit dans les airs.

En fait, l'objet tombe constamment, puis remonte un peu électromagnétiquement. Il s'avère que l'illusion de la lévitation. Le travail des "globes en lévitation" est basé sur ce principe - des souvenirs plutôt inhabituels, où une plaque magnétique est fixée au globe, avec laquelle interagit l'électroaimant caché dans le support.

La mine de graphite d'un simple crayon est diamagnétique, c'est-à-dire une substance magnétisée contre un champ magnétique externe. Dans certaines conditions, le champ magnétique est complètement déplacé du matériau du diamagnet, par exemple, un plomb en graphite a une susceptibilité magnétique élevée et commence à planer au-dessus des aimants en néodyme même à température ambiante.

Pour la stabilité de l'effet, les aimants doivent être assemblés en damier (les pôles des aimants), puis tige de graphite ne glissera pas du "piège magnétique" et lévitera.

Un aimant de terre rare avec une induction de seulement 1 T peut pendre entre des plaques de bismuth, et dans un champ magnétique avec une induction de 11 T, il est possible de stabiliser la "lévitation" d'un petit aimant au néodyme entre les doigts, puisque l'homme les mains sont diamagnétiques, comme l'eau.

Une expérience assez répandue avec une grenouille en lévitation est connue. L'animal est soigneusement placé au-dessus d'un aimant, ce qui crée une induction magnétique de plus de 16 T, et la grenouille, démontrant des propriétés diamagnétiques, est en fait suspendue dans les airs à une courte distance de l'aimant.

Une plaque d'oxyde d'yttrium-baryum-cuivre est refroidie à la température de l'azote liquide. Dans ces conditions, la plaque Si vous placez maintenant un aimant en néodyme sur un support au-dessus de la plaque, puis retirez le support de sous l'aimant, l'aimant sera suspendu dans les airs - il lévitera.

Même une petite induction magnétique de l'ordre de 1 mT suffit pour que l'aimant, étant placé sur une plaque, dépasse de plusieurs millimètres le supraconducteur à haute température refroidi. Plus l'induction de l'aimant est élevée, plus elle montera.

Le point ici est que l'une des propriétés d'un supraconducteur est l'expulsion d'un champ magnétique de la phase supraconductrice, et l'aimant, repoussé par ce champ magnétique de sens opposé, flotte en quelque sorte et continue de planer au-dessus du supraconducteur refroidi jusqu'à ce qu'il quitte l'état supraconducteur.

Les courants de Foucault (courants de Foucault) induits par des champs magnétiques alternatifs dans des conducteurs massifs sont également capables de maintenir des objets en lévitation. Par exemple, une bobine AC peut léviter au-dessus d'un anneau en aluminium fermé, et un disque en aluminium peut flotter au-dessus d'une bobine AC.

L'explication ici est la suivante : selon la loi de Lenz, le courant induit dans le disque ou dans l'anneau va créer un champ magnétique tel que sa direction va interférer avec la cause de sa cause, c'est-à-dire à chaque période d'oscillation courant alternatif dans l'inducteur, dans un conducteur massif, un champ magnétique de sens opposé sera induit. Ainsi, un conducteur massif ou une bobine de forme appropriée pourra léviter tout le temps tant que le courant alternatif est activé.

Un mécanisme de rétention similaire apparaît lorsqu'il est déposé à l'intérieur tuyau de cuivre- le champ magnétique des courants de Foucault induits est dirigé de manière opposée champ magnétique aimant.

Andreï Povny

L'idée de cette leçon a été inspirée par le projet de la plateforme de financement participatif Kickstarter appelé "Air Bonsai", un projet vraiment beau et mystérieux qui a été réalisé par les Japonais.

Mais toute énigme peut être expliquée en regardant à l'intérieur. En fait, il s'agit de lévitation magnétique, lorsqu'il y a un objet en lévitation d'en haut, et un électroaimant commandé par un circuit. Essayons ensemble de réaliser ce mystérieux projet.

Nous avons découvert que le circuit du dispositif Kickstarter était assez complexe, sans aucun microcontrôleur. Il n'y avait aucun moyen de trouver son circuit analogique. En fait, si vous regardez de plus près, le principe de la lévitation est assez simple. Nous devons faire en sorte qu'une pièce magnétique "flotte" au-dessus d'une autre pièce magnétique. Le principal travail supplémentaire consistait à s'assurer que l'aimant en lévitation ne tombait pas.

Il y avait aussi la suggestion que faire cela avec un Arduino est en fait beaucoup plus facile que d'essayer de comprendre les schémas d'un appareil japonais. En fait, tout s'est avéré beaucoup plus simple.

La lévitation magnétique se compose de deux parties : une partie de base et une partie flottante (en lévitation).

Base

Cette partie est en bas, qui se compose d'un aimant pour créer un champ magnétique circulaire et d'électro-aimants pour contrôler ce champ magnétique.

Chaque aimant a deux pôles : nord et sud. Les expériences montrent que les contraires s'attirent et que les pôles semblables se repoussent. Quatre aimants cylindriques sont placés dans un carré et ont la même polarité, formant un champ magnétique circulaire vers le haut pour expulser tout aimant ayant le même pôle entre eux.

Il y a quatre électroaimants en général, ils sont placés en carré, deux aimants symétriques forment une paire et leur champ magnétique est toujours opposé. Le capteur et le circuit à effet Hall contrôlent les électroaimants. Nous créons des pôles opposés sur les électroaimants par le courant qui les traverse.

partie flottante

L'article comprend un aimant flottant au-dessus de la base qui peut transporter un petit pot de fleurs ou d'autres articles.

L'aimant supérieur est soulevé par le champ magnétique des aimants inférieurs, car ils ont les mêmes pôles. Cependant, en règle générale, ils ont tendance à tomber et à tirer l'un vers l'autre. Pour éviter que le haut de l'aimant ne bascule et ne tombe, les électro-aimants vont créer des champs magnétiques pour pousser ou tirer pour équilibrer la partie flottante grâce au capteur à effet Hall. Les électroaimants sont contrôlés par deux axes X et Y, l'aimant supérieur étant maintenu équilibré et flottant.

Les électro-aimants ne sont pas faciles à contrôler et nécessitent un contrôleur PID qui est discuté en détail à l'étape suivante.

Étape 2 : Contrôleur PID (PID)

De Wikipedia : "Un contrôleur proportionnel-intégral-dérivé (PID) est un dispositif dans une boucle de contrôle de rétroaction. Utilisé dans les systèmes contrôle automatique pour former un signal de commande afin d'obtenir la précision et la qualité requises du processus transitoire. Le contrôleur PID génère un signal de commande qui est la somme de trois termes, dont le premier est proportionnel à la différence entre le signal d'entrée et le signal retour(signal d'erreur), le second est l'intégrale du signal d'erreur, le troisième est la dérivée du signal d'erreur."

En termes simples : « Le contrôleur PID calcule la valeur « d'erreur » comme la différence entre l'[Entrée] mesurée et le réglage souhaité. Le contrôleur essaie de minimiser l'erreur en ajustant [sortie]."

Ainsi, vous indiquez au PID ce qu'il faut mesurer (entrée), quelle valeur vous voulez et une variable qui aidera à avoir cette valeur à la sortie. Le contrôleur PID ajuste ensuite la sortie pour rendre l'entrée égale au réglage.

Par exemple: dans la voiture, nous avons trois valeurs (Input, Set, output) seront - la vitesse, la vitesse souhaitée et l'angle de la pédale d'accélérateur, respectivement.

Dans ce projet:

L'entrée est une valeur de courant en temps réel du capteur à effet Hall, qui est mise à jour en continu car la position de l'aimant flottant changera en temps réel.
La consigne est la valeur du capteur hall qui est mesurée lorsque l'aimant flottant est en position d'équilibre, au centre de la base des aimants. Cet indice est fixe et n'évolue pas dans le temps.
Le signal de sortie est la vitesse pour contrôler les électroaimants.

Merci à la communauté Arduino d'avoir écrit une bibliothèque PID très facile à utiliser. Informations Complémentairesà propos d'Arduino PID se trouve sur le site officiel d'Arduino. Nous devons utiliser une paire de contrôleurs PID sous l'Arduino, un pour l'axe X et un pour l'axe Y.

Étape 3 : Accessoires

La liste des composants de la leçon est correcte. Vous trouverez ci-dessous une liste des composants que vous devriez acheter pour ce projet, assurez-vous d'avoir tout avant de commencer. Certains des composants sont très populaires et vous les trouverez probablement dans votre propre entrepôt ou à la maison.

Étape 4 : Outils

Voici une liste des outils les plus couramment utilisés :

fer à souder
Scie à main
multimètre
Percer
Oscilloscope (facultatif, vous pouvez utiliser un multimètre)
Perceuse d'établi
Colle chaude
Pinces

Étape 5 : Amplificateur opérationnel LM324, pilote L298N et SS495a

Amplificateur opérationnel LM324

Les amplificateurs opérationnels (amplificateurs opérationnels) sont parmi les circuits les plus importants, les plus largement utilisés et les plus polyvalents utilisés aujourd'hui.

Nous utilisons un ampli op pour amplifier le signal du capteur hall, dont le but est d'augmenter la sensibilité afin que l'arduino puisse facilement reconnaître un changement dans le champ magnétique. Une variation de quelques mV en sortie du capteur hall, après passage dans l'amplificateur, peut changer de plusieurs centaines d'unités dans l'Arduino. Cela est nécessaire pour assurer un fonctionnement fluide et stable du régulateur PID.

L'ampli op commun que nous avons choisi est le LM324, il est bon marché et vous pouvez l'acheter dans n'importe quel magasin d'électronique. Le LM324 dispose de 4 amplificateurs internes qui permettent une utilisation flexible, mais ce projet n'a besoin que de deux amplificateurs, un pour l'axe X et un pour l'axe Y.

Module L298N

Le double pont en H L298N est généralement utilisé pour contrôler la vitesse et la direction de deux moteurs courant continu ou pilotez facilement un seul moteur pas à pas bipolaire. Le L298N peut être utilisé avec des moteurs de 5 à 35 VDC.

Il y a aussi un régulateur 5V intégré, donc si la tension d'alimentation est jusqu'à 12V, vous pouvez également connecter une alimentation 5V à partir de la carte.

Ce projet utilise le L298N pour piloter deux paires de bobines d'électroaimant et utilise la sortie 5V pour alimenter l'Arduino et le capteur à effet Hall.

Brochage du module :

Out 2 : paire d'électroaimants X
Out 3 : une paire d'électroaimants Y
Puissance d'entrée: entrée DC 12V
GND : masse
Sortie 5v : 5v pour les capteurs Arduino et hall
EnA : Activer le signal PWM pour la sortie 2
In1 : Activer pour la sortie 2
In2 : Activer pour Out 2
In3 : Activer pour la sortie 3
In4 : Activer pour la sortie 3
EnB : Activer le signal PWM pour Out3

Connexion à Arduino : Nous devons retirer 2 cavaliers sur les broches EnA et EnB, puis connecter 6 broches In1, In2, In3, In4, EnA, EnB à Arduino.

Capteur à effet Hall SS495a

SS495a est un capteur Hall linéaire avec sortie analogique. Veuillez noter la différence entre la sortie analogique et la sortie numérique, vous ne pouvez pas utiliser un capteur avec sortie numérique dans ce projet, il n'a que deux états 1 ou 0, vous ne pouvez donc pas mesurer la sortie des champs magnétiques.

Un capteur analogique se traduira par une plage de tension de 250 à Vcc, que vous pouvez lire à l'aide de l'entrée analogique de l'Arduino. Pour mesurer le champ magnétique dans les axes X et Y, deux capteurs Hall sont nécessaires.

Étape 6 : Aimants en néodyme NdFeB (néodyme fer bore)

De Wikipédia : "Néodyme - élément chimique, un métal de terre rare de couleur blanc argenté avec une teinte dorée. Appartient au groupe des lanthanides. S'oxyde facilement à l'air. Découvert en 1885 par le chimiste autrichien Carl Auer von Welsbach. Il est utilisé comme composant d'alliages avec de l'aluminium et du magnésium pour la fabrication d'avions et de fusées.

Le néodyme est un métal ferromagnétique (il présente notamment des propriétés antiferromagnétiques), ce qui signifie que, comme le fer, il peut être magnétisé pour devenir un aimant. Mais sa température de Curie est de 19K (-254°C), donc dans sa forme la plus pure, son magnétisme n'apparaît qu'à des températures extrêmement basses. Cependant, les composés de néodyme avec des métaux de transition tels que le fer peuvent avoir des températures de Curie bien supérieures à la température ambiante, et ceux-ci sont utilisés pour fabriquer des aimants en néodyme.

Strong est un mot utilisé pour décrire un aimant en néodyme. Vous ne pouvez pas utiliser d'aimants en ferrite car leur magnétisme est trop faible. Les aimants en néodyme sont beaucoup plus chers que les aimants en ferrite. De petits aimants sont utilisés pour la base, de grands aimants pour la partie flottante/en lévitation.

Attention! Vous devez être prudent lorsque vous utilisez des aimants en néodyme car leur fort magnétisme peut vous nuire ou casser vos données. disque dur ou d'autres appareils électroniques affectés par des champs magnétiques.

Conseil! Vous pouvez séparer deux aimants en les tirant horizontalement, vous ne pouvez pas les séparer dans le sens opposé car leur champ magnétique est trop fort. Ils sont également très fragiles et se cassent facilement.

Étape 7 : Préparez la base

Nous avons utilisé un petit pot en terre cuite, qui est généralement utilisé pour faire pousser des plantes succulentes ou des cactus. Vous pouvez également utiliser un pot en céramique ou un pot en bois s'ils conviennent. Utilisez une perceuse de 8 mm pour créer un trou dans le fond du pot qui sert à maintenir la prise DC.

Étape 8 : Imprimez en 3D la partie flottante

Si vous avez une imprimante 3D, tant mieux. Vous avez la possibilité de tout faire avec. S'il n'y a pas d'imprimante - ne désespérez pas, car. vous pouvez utiliser un service d'impression 3D bon marché qui est très populaire en ce moment.

Pour la découpe laser, les fichiers sont également dans l'archive ci-dessus - le fichier AcrylicLaserCut.dwg (il s'agit d'autocad). La partie acrylique sert à supporter les aimants et les électro-aimants, le reste sert à recouvrir la surface du pot en terre cuite.

Étape 9 : Préparation du module de capteur à effet Hall SS495a

Coupez le circuit imprimé en deux morceaux, un morceau pour fixer le capteur à effet Hall et l'autre au circuit LM324. Fixez deux capteurs magnétiques perpendiculairement circuit imprimé. Utilisez des fils fins pour connecter les deux broches des capteurs VCC ensemble, faites de même avec les broches GND. Contacts de sortie séparément.

Étape 10 : Circuit de l'ampli-op

Soudez la douille et les résistances au PCB en suivant le schéma en faisant attention de placer les deux potentiomètres dans le même sens pour un calibrage plus facile par la suite. Connectez le LM324 à la prise, puis connectez les deux sorties du module de capteur hall au circuit de l'ampli-op.

Connectez les deux fils de sortie du LM324 à l'Arduino. Entrée 12V vers entrée 12V du module L298N, sortie 5V du module L298N vers potentiomètre 5V.

Étape 11 : Assemblage des électroaimants

Assemblez les électro-aimants sur la feuille d'acrylique, ils sont fixés dans quatre trous près du centre. Serrez les vis pour éviter tout mouvement. Comme les électroaimants sont symétriques au centre, ils sont toujours sur des pôles opposés, de sorte que les fils sur à l'intérieur les électroaimants sont connectés ensemble, et les fils sur dehors les électroaimants sont connectés à L298N.

Faites passer les fils sous la feuille d'acrylique à travers les trous adjacents pour vous connecter au L298N. Le fil de cuivre est recouvert d'une couche isolante, vous devez donc l'enlever avec un couteau avant de pouvoir les souder ensemble.

Étape 12 : Module de capteur et aimants

Utilisez de la colle chaude pour fixer le module de capteur entre les solénoïdes, notez que chaque capteur doit être carré avec deux solénoïdes, un à l'avant et un à l'arrière. Essayez de calibrer les deux capteurs aussi centralement que possible afin qu'ils ne se chevauchent pas, ce qui rendra le capteur le plus efficace.

L'étape suivante consiste à assembler les aimants sur support acrylique. En combinant deux aimants D15*4mm et un aimant D15*3mm pour former un cylindre, les aimants et les électroaimants auront la même hauteur. Assemblez les aimants entre paires d'électroaimants, notez que les pôles des aimants ascendants doivent être identiques.

Étape 13 : Connecteur d'alimentation CC et sortie L298N 5 V

Soudez la prise d'alimentation CC avec deux fils et utilisez une gaine thermorétractable. Connecté le connecteur d'alimentation CC à l'entrée du module L298N, sa sortie 5V alimentera l'Arduino.

Étape 14 : L298N et Arduino

Connectez le module L298N à l'Arduino en suivant le schéma ci-dessus :

L298N → Arduino
5V→VCC
GND → GND
EnA → 7
B1 → 6
B2 → 5
B3 → 4
B4 → 3
EnB → 2

Étape 15 : Mini programmeur Arduino Pro

Étant donné que l'Arduino pro mini n'a pas de port USB vers série, vous devrez connecter un programmeur externe. FTDI Basic sera utilisé pour programmer (et alimenter) le Pro Mini.

Examinons de plus près le principe de la lévitation: un champ de force très puissant est créé, dans lequel est placée une personne qui possède son propre champ d'énergie ou un objet. La lévitation ne sera pas observée si les lignes directrices des champs d'énergie coïncident. Si les champs de force et les lignes ne correspondent pas, alors nous pourrons observer l'effet de la lévitation. En conséquence, nous obtenons un objet (ou une personne) basé sur le champ énergétique de la Terre. Lorsque nous augmentons notre énergie, nous créons et développons un champ énergétique supplémentaire autour de nous.
Il y a une chose telle que "inversion de polarité". Ce processus est le suivant. Comme on le sait depuis longtemps, l'aimant a deux pôles opposés "+" et "-". Ainsi, une personne a deux côtés - spirituel et matériel.

Une personne qui vit matériellement ne pourra jamais « planer ». Parce qu'il a une grande force d'attraction vers la Terre (gravité); c'est-à-dire que les directions des champs coïncident. Si une personne dépasse le principe spirituel, elle aspire à quelque chose de sublime, alors elle «perdra du poids» progressivement.

De nombreux cas de lévitation étaient dans des moments de percées de conscience, d'extase, de connexion avec le pouvoir absolu.

lévitation magnétique

Plus tôt, nous avons déjà parlé un peu de la lévitation des aimants. Maintenant, vous en apprendrez plus à ce sujet.

lévitation magnétique- Il s'agit d'une méthode qui consiste dans le fait que le soulèvement d'un objet s'effectue à l'aide uniquement d'un champ magnétique. Le plus souvent utilisé en physique.
La lévitation est possible lors de l'utilisation de diamagnets, de supraconducteurs, de servomécanismes, de systèmes à courants de Foucault. Les systèmes magnétiques et les matériaux s'attirent et se repoussent avec une force qui dépend du champ magnétique ainsi que de la surface de l'aimant.

La lévitation magnétique est utilisée dans les transports. Il est aussi appelé Maglev.

Maglev- un moyen de transport qui guide, met et suspend en mouvement Véhicules tout en utilisant la lévitation magnétique. Cette méthode est silencieuse et rapide. vitesse maximale, qui a été enregistrée à Maglev, est de 581 km/h (Japon, 2003).

La lévitation magnétique a été démontrée sur des objets vivants et confirmée par des expériences.

Pour la première fois, une souris a ressenti l'effet de la lévitation. Des scientifiques de la NASA ont fait léviter une souris de laboratoire au-dessus de la surface grâce au champ magnétique créé d'une force suffisante. Autrement dit, F > P, où F est la force du champ et P est le poids de la souris. L'aimant créé fonctionne à température ambiante. C'est un fait étonnant, car avant cela, il n'était pas possible d'y parvenir. Auparavant, de telles expériences étaient menées sur des animaux plus petits (grenouilles, coléoptères).

Des chercheurs américains de la Rice University sont allés encore plus loin. Ils prétendent que les organes artificiels peuvent être cultivés en utilisant la lévitation magnétique. Après tout, ils auraient alors une structure tridimensionnelle. Cela aiderait à mener diverses expériences. Et un "capillaire d'air" a été créé.

lévitation acoustique

Une autre expérience de lévitation humaine est basée sur l'aide du son, l'effet des ondes stationnaires.

lévitation acoustique- un phénomène dans lequel la force de gravité est contrecarrée les ondes sonores, cela permet à l'objet de flotter dans les airs. Les ondes stationnaires se forment à l'aide de décharges sonores. La montée se produira lorsque la fréquence des ondes coïncidera avec la fréquence de l'objet.

Cela peut sembler incroyable, car le son peut soulever un objet. Mais c'est un phénomène bien réel, connu dans l'antiquité.
L'Institut Xan est engagé dans la recherche sur les capacités acoustiques humaines. Ils sont basés sur la connaissance de l'air, les propriétés du son et de la gravité.

Son sont des vibrations ; ils se produisent dans n'importe quel milieu (gaz, liquide, solide). Les ondes sonores proviennent d'une source qui peut changer de forme. Exemple : lorsqu'on la frappe, la cloche vibre dans l'air. Le son ne se propagera pas s'il n'y a pas de molécules (comme dans le vide).

La lévitation acoustique se compose de deux parties :

Transducteur (surface, produit des ondes);
Réflecteur (plaque, réfléchit l'onde).

Avec la bonne utilisation des ondes sonores stationnaires, vous pouvez suspendre une goutte d'eau en l'air.
Le principe de fonctionnement d'une telle lévitation : les ondes sonores sont produites dans une zone fermée ; Cela crée des zones différents niveaux pression.

Quel est le secret de la lévitation ? Ici, les points de vue divergent, et la réponse exacte n'a pas été trouvée. Certains disent que les gens savent comment réduire leur poids corporel ; d'autres expliquent ce phénomène par l'existence de forces « élévatrices » chez une personne, elles n'agissent qu'en état de transe (yoga).

Mais il existe aussi une telle théorie : une personne est un descendant d'êtres extraterrestres ; d'eux, nous avons obtenu la capacité de vaincre la gravité. Il est nécessaire que chaque personne réveille simplement la mémoire génétique, alors nous pouvons tous voler, et la lévitation ne sera pas quelque chose d'inhabituel et de mystérieux.

Maintenant, il y a beaucoup de trucs, de secrets qui nous sont montrés sur scène. chris ange- et un magicien, et un illusionniste, et un cascadeur - a fait un tel tour dans lequel il montre sa capacité à léviter (vole au-dessus des maisons). Un illusionniste aussi célèbre que David Copperfield a montré à plusieurs reprises un vol au-dessus de la scène lors de ses brillantes performances. Le secret de leurs performances est assez simple. Beaucoup de gens ont pensé au champ magnétique, qui se forme à l'aide d'énormes aimants situés sous la scène. Mais tout s'est avéré encore plus facile. Champ de cuivre vole grâce au fil; les fils métalliques sont fins et très difficiles à voir, surtout du public.

Le thème de la lévitation est devenu très populaire. Il est décrit dans la littérature, des films sont réalisés sur ce phénomène. Par exemple, la série "Charmed" - Phoebe, la plus jeune des sœurs, a la lévitation ; série "Kyle XY" - se lévite personnage principal; la série "Heroes" - les frères Petrelli, West Rosen et Sylar sont doués de ce phénomène.

Comme le disent de nombreux scientifiques, "Né pour ramper - ne volera pas". Vous pouvez croire à la lévitation magique, ou vice versa, vous pouvez prouver que seule la lévitation magnétique est possible. Mais il n'y a qu'une seule conclusion - ce phénomène est vraiment réel et mérite d'être exploré plus en profondeur.

La science ne s'arrête pas, les expériences continueront.

Mais chacun de vous doit se rappeler que la première étape pour lévitation- C'est une augmentation de votre propre énergie! Laissez le principe spirituel prévaloir sur le matériel, sachez maîtriser vos émotions, efforcez-vous de vous libérer des tracas terrestres si vous voulez vous envoler.