Создаем эффект левитации с помощью ардуино. Магнитная левитация - что это такое и как это возможно Левитирующая платформа своими руками

Слово «левитация» происходит от английского «levitate» - парить, подниматься в воздух. То есть левитация — это преодоление объектом гравитации, когда он парит и не касается опоры, не отталкиваясь при этом от воздуха, не используя реактивную тягу. С точки зрения физики, левитация — это устойчивое положение объекта в гравитационном поле, когда сила тяжести скомпенсирована и имеет место возвращающая сила, обеспечивающая объекту устойчивость в пространстве.

В частности магнитная левитация — это технология подъёма объекта с помощью магнитного поля, когда для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений используется магнитное действие на объект. Именно о магнитной левитации и пойдет речь в данной статье.

Магнитное удержание объекта в состоянии устойчивого равновесия можно реализовать несколькими способами. Каждый из способов имеет свои особенности, и к каждому можно предъявить претензии, вроде «это не настоящая левитация!», и так оно на самом деле и будет. Настоящая левитация в чистом виде недостижима.

Так, теорема Ирншоу доказывает, что, используя только ферромагнетики, невозможно устойчиво удерживать объект в гравитационном поле. Но несмотря на это, с помощью сервомеханизмов, диамагнетиков, сверхпроводников и систем с вихревыми токами возможно достичь подобие левитации, когда какой-нибудь механизм помогает объекту сохранять равновесие, когда тот поднят над опорой магнитной силой. Однако обо всем по порядку.

Электромагнитная левитация с системой слежения

Применив схему на базе электромагнита и фотореле можно заставить левитировать небольшие металлические предметы. Предмет будет парить в воздухе на некотором расстоянии от неподвижно закрепленного на стойке электромагнита. Электромагнит получает питание, пока фотоэлемент, закрепленный в стойке, не затенен парящим предметом, пока на него попадает достаточно света от неподвижно закрепленного контрольного источника, это значит, что объект нужно притянуть.

Когда объект достаточно приподнят, электромагнит отключается, поскольку в этом момент тень от перемещенного в пространстве объекта падает на фотоэлемент, перекрывая свет источника. Объект начинает падать, но упасть не успевает, так как снова включился электромагнит. Так, отрегулировав чувствительность фотореле, можно добиться эффекта, при котором объект будет как-бы висеть на одном месте в воздухе.

На самом деле объект непрерывно то падает, то вновь немного приподнимается электромагнитном. Получается иллюзия левитации. На этом принципе основана работа «левитирующих глобусов» - довольно необычных сувениров, где к глобусу прикреплена магнитная пластина, с которой и взаимодействует электромагнит, скрытый в подставке.

Графитовый грифель от простого карандаша является диамагнетиком, то есть веществом, которое намагничивается против внешнего магнитного поля. В определенных условиях происходит полное вытеснение магнитного поля из материала диамагнетика, например графитовый грифель обладает высокой магнитной восприимчивостью, и начинает парить над неодимовыми магнитами даже при комнатной температуре.

Для устойчивости эффекта магниты следует собрать в шахматном порядке (полюса магнитов), тогда графитовый стержень не выскользнет из «магнитной ловушки» и будет левитировать.

Редкоземельный магнит с индукцией всего 1 Тл может висеть между пластинами висмута, а в магнитном поле с индукцией 11 Тл можно между пальцами стабилизировать «левитацию» маленького неодимового магнита, поскольку руки человека являются диамагнетиком, как и вода.

Известен достаточно широко распространенный опыт с левитирующей лягушкой. Животное аккуратно помещают над магнитом, который создает магнитную индукцию больше 16 Тл и лягушка, демонстрируя диамагнитные свойства, фактически зависает в воздухе на небольшом расстоянии от магнита.

Пластина из оксида иттрия-бария-меди охлаждается до температуры жидкого азота. В этих условиях пластина . Если теперь положить неодимовый магнит на подставку над пластиной, а затем подставку из под магнита вытащить, то магнит зависнет в воздухе — будет левитировать.

Даже небольшой магнитной индукции порядка 1 мТл достаточно чтобы магнит, будучи положен на пластину, приподнялся над охлажденным высокотемпературным сверхпроводником на несколько миллиметров. Чем выше индукция магнита — тем выше он поднимется.

Дело здесь в том, что одно из свойств сверхпроводника — выталкивание магнитного поля из сверхпроводящей фазы, и магнит, отталкиваясь от этого магнитного поля противоположного направления как-бы всплывает и продолжает парить над охлажденным сверхпроводником до тех пор, пока он не выйдет из сверхпроводящего состояния.

Вихревые токи (токи Фуко), наводимые переменными магнитными полями в массивных проводниках также способны удерживать предметы в левитирующем состоянии. Например катушка с переменным током может левитировать над замкнутым кольцом из алюминия, а алюминиевый диск будет парить над катушкой с переменным током.

Объяснение здесь такое: по закону Ленца, индуцируемый в диске или в кольце ток будет создавать такое магнитное поле, что его направление станет препятствовать причине его вызывающей, то есть в каждый период колебаний переменного тока в индукторе, в массивном проводнике будет индуцироваться магнитное поле противоположного направления. Так, массивный проводник или катушка подходящий формы смогут левитировать все время пока включен переменный ток.

Аналогичный механизм удержания проявляется, когда роняют внутри медной трубы — магнитное поле индуцированных вихревых токов направлено противоположно магнитному полю магнита.

Андрей Повный

В некоторых продвинутых магазинах можно увидеть стенды с рекламой, на которых показываются интереснейшие эффекты, когда какая-то вещь с витрины или предмет с изображением бренда левитирует. Иногда добавляется вращение. Но такую установку вполне по силам сделать даже человеку без особого опыта в самоделках. Для этого нужен неодимовый магнит, который можно найти в запчастях от компьютерной техники.

Свойства магнита удивительны. Одно из таких свойств отталкиваться одинаковыми полюсами используется в предметах, которые используются как поезда на магнитной подушке, забавные игрушки или основа для эффектных дизайн-объектов и др. Как сделать левитирующий объект на основе магнитов?

Магнитная левитация на видео

Левитация волчка над пятью точечными неодимовыми магнитами. Magnetic Levitation, magnétismo, magnetic experiment, truco magnética, moto perpetuo, amazing game. Занимательная физика.

Обсуждение

hawk
При вращении магнита присутствует левитация а если обороты магнита уменьшаются падает с орбиты… обоснуй этот эффект. Взаимодействие магнитных полей между магнитами это ясно но какая роль вращения. Можно переменным магнитным полем от катушек удерживать магнит в воздухе также.

pukla777
Просьба проработать тему – маховик генератор. Думаю она будет иметь полезное практичное применение. К тому же, оно у вас было очень давно снято в ролике, но очень мало и без информации.

RussiaPrezident
А что если:
Запустить этот волчок и каком нибудь кубе и создать там Вакуум, по идеи не будет сопротивления воздуха и он будет крутиться практически бесконечно! А если не него ещё и медь правильно накрутить и снимать энергию?

Евгений Петров
Читаю комментарии, удивлен, какая нитка!? Там все как есть магнитный волчок, ему задали мех. энергию и есть постоянное магнитное поле волчка при вращении которого вращается и магнитное поле, но главное как! В магнитах домены упакованы не равно распределено это технически не возможно поэтому сам магнит пассивный не может удержаться на магнитной подушке он уйдет на более сильную сторону где разница вообще мизерная, поэтому вращение поля не дает это сделать.

Вячеслав Субботин
Ещё идея, а что если светить лазером постоянно с одной стороны? Изменится ли время вращения волчка из-за давления света? Если взять сильный лазер, то может быть получится сделать, чтобы волчок вообще не останавливался.

Никто Неизвестный
Старая игрушка… я помню данный волчок и пластину под ним на ферритовых магнитах, на неодиме это уже скучно, причем нижний магнит основания представлял собой одну сплошную плиту, а не пять отдельных магнитов, только он был намагничен хитрым образом…

Алигарх Леопольд
Игорь Белецкий, можно сделать колпак на который будет приземляться волчёк, чтоб его не ловить. Можно ли к нему добавить вращающееся магнитное поле чтоб поддерживать вращение? к примеру если его магнитный стол вращать..

Тимур Аминев
А расскажите пожалуйста как магнитное поле Земли тормозит волчок? В смысле какие моменты сил направленные против вращения возникают и почему.

Александр Васильевич
Если сверху над магнитом (или снизу было бы вообще шикарно!) приделать катушку и подкручивать ею волчок, то получится некое подобие двигателя на магнитном подвесе. Вещь абсолютно бестолковая, но красивая. Крутиться будет пока источник питания не убрать))

Иван Петров
Ну это мы уже видели. Сделай так чтобы магнит левитировал без вращения! (и без опор и жидкого азота конечно).

Высокий эльф
Развод для двоечников, это можно было назвать левитацией, если магнит не надо было раскручивать. Сам магнит, что сверху, будет соскальзывать если ему не придать вращение.

Андрей Соломенников
А что если приделать на платформу огонь, а к гироскопу (Юле) пропеллеры, что бы вращалась пока горит огонь внизу. Не помню как называется двигатель, но суть его – вращение, так сказать, ротора при помощи тепла.

волжанин
Игорь,есть такая идея… У тебя на столе не равномерное магнитное поле,а если и волчок сделать из нескольких магнитиков, а стол раскрутить…Может и волчок не будет обороты терять… Как думаешь?..

Антон Симовских
Игорь Белецкий, разобрались в физике процесса? Почему левитация возможна лишь в динамике? Влияют ли на стабилизацию волчка токи фуко, в нем возникающие?

Простейшая установка с левитирующим объектом на магните

Для этого понадобятся: бокс от СД-дисков, один или два диска, много кольцевых магнитов и супер-клей. Приобрести любой магнит можно в китайском интернет-магазине.

Когда к вам придут ваши друзья в гости, они удивятся эффектной конструкции, которую вы создали сами.

Левитроном, как известно, называют волчок, вращающийся в воздухе над коробкой, в которой действует источник магнитного поля. Изготовить левитрон можно из популярного датчика холла.

Что такое левитрон

ВНИМАНИЕ! Найден совершенно простой способ сократить расход топлива! Не верите? Автомеханик с 15-летним стажем тоже не верил, пока не попробовал. А теперь он экономит на бензине 35 000 рублей в год!

Левитрон – это игрушка. Ее нет никакого смысла покупать, если знать варианты изготовления самодельного устройства. Ничего сложного в конструкции такого левитрона не будет, если имеется обычный датчик холла, например, купленный для автомобильного трамблера, и оставленный впрок.

Следует знать, что эффект левитации наблюдается всегда в достаточно узкой зоне. Такие реалии несколько ограничивают свободу действий умельцев, однако при приложении терпения и времени, можно всегда настроить левитрон качественно и эффективно. Он практически не будет падать или скакать.

Левитрон из датчика холла

Левитрон на датчик холла и идея его изготовления проста, как и все гениальное. Благодаря силе магнитного поля в воздух поднимается кусок любого материала с электромагнитными свойствами.

Чтобы создался эффект «зависания», парения в воздухе, подключение осуществляется с большой частотой. Другими словами, магнитное поле, как бы, поднимает и бросает материал.

Схема устройства чересчур проста, и даже школьник, не просидевший уроки физики зря, сможет все самостоятельно соорудить.

Нужен светодиод (цвет его подбирается в зависимости от индивидуальных предпочтений).
Транзисторы RFZ 44N (хотя подойдет любой полевик, близкий к этим параметрам).
Диод 1N 4007.
Резисторы на 1 кОм и 330 Ом.
Собственно, сам датчик холла (А3144 или другой).
Медный намоточный провод размером 0,3-0,4 мм (около 20 метров будет достаточно).
Неодимовый магнитик в виде таблетки 5х1 мм.
5-вольтный зарядочник, предназначенный для мобильника.

Теперь подробно о том, как проводится сборка:

Делается каркас для электромагнита точно с такими же параметрами, как на фото. 6 мм – диаметр, около 23 мм – длина намотки, 25 мм – диаметр щечек с запасом. Изготавливается каркас из картонки и обычного тетрадного листа, с использованием суперклея.

Конец медного провода фиксируется на катушке, а затем проводится наматывание (примерно 550 витков). Неважно при этом в какую сторону наматывать. Другой конец провода тоже закрепляется, катушка пока откладывается в сторону.
Паяем все по схеме.

Датчик холла припаивается на проводки, а затем ставится на катушку. Надо вдеть его внутрь катушки, зафиксировать подручными средствами.

Внимание. Чувствительная зона датчика (определить ее можно по документации к датчику холла) должна смотреть параллельно земле. Поэтому, перед тем как вдеть датчик в катушку, рекомендуется немного согнуть это место.

Катушка подвешивается, на нее подается питание через спаянную ранее плату. Катушка фиксируется посредством штатива.

Теперь можно проверить, как работает левитрон. Можно подвести к катушке снизу любой наэлектризованный материал. Он будет либо притягиваться катушкой, либо отталкиваться, в зависимости от полярности. Но нам нужно, чтобы материал зависал в воздухе, парил. Так оно и будет, если форма материала не слишком мала по отношению к катушке.

Примечание. Если магнит в виде таблетки маленький, то он будет левитировать не слишком эффектно. Может падать. Чтобы исключить огрехи в работе, надо сместить центр тяжести материала к низу – в качестве груза подойдет обычный кусок бумажки.

Что касается светодиода, то его можно и не ставить. С другой стороны, если хочется большего эффекта, можно организовать шоу с подсветкой.

Самодельный левитрон в классическом исполнении без датчика

Как видим, благодаря наличию датчика холла удалось изготовить вполне эффектную игрушку. Однако это вовсе не означает, что без датчика не обходится. Напротив, самодельный левитрон в классическом исполнении, это лишь большой магнит от динамика (диаметром 13-15 см) и маленький кольцевой магнит для волчка (2-3 см в диаметре), без использования датчика.

Ось волчка делается, как правило, из старой ручки или карандаша. Главное – стержень подбирается так, чтобы плотно заходил по центру кольцевого магнита. Лишняя часть ручки после этого срезается (примерно 10 см в длину вместе с закрепленным магнитом для волчка, то что надо).

Классическая схема изготовления левитрона подразумевает также наличие десятка различных шайб, вырезанных из плотной бумаги. Для чего они понадобятся? Если в вышеописанном случае тоже использовалась бумага, и как мы помним – для смещения центра тяжести вниз или проще, для настройки. То же самое и здесь. Шайбочки буду нужны для идеальной настройки волчка (при необходимости сажаются после кольцевого магнита на стержень).

Внимание. Чтобы самодельный волчок идеально левитировал, помимо настройки шайбочками, нужно не ошибиться с полярностью. Другими словами, установить кольцевой магнит соосно большому магниту.

Но и это еще не все. Как в первом случае (с использованием датчика холла), так и во втором, надо добиться идеальной ровности источника притяжения. Говоря иначе, поставить большой магнит на идеально ровную поверхность. Чтобы добиться этого, применяются деревянные подставки различной толщины. Если магнит сидит не ровно, подставки ставятся с одной стороны или с нескольких, таким образом, настраивается ровность.

Платформенные левитроны

Отличается платформенная схема левитрона, как правило, наличием не одного, а нескольких магнитов-источников. Парящий в воздухе материал или волчок будет стремиться в этом случае упасть на один из магнитов, сместившись с вертикальной оси. Чтобы этого избежать, надо суметь скорректировать центральную зону притяжения, и сделать это идеально точно.

И тут на помощь приходят те самые катушки, с вдетым внутрь датчиком холла. Пусть таких катушек будет две, и расположить их следует ровно по середине платформы, между магнитами. На схеме это будет выглядеть вот так (1 и 2 — магниты).

Из схемы становится понятно, что целью управления катушками является создание горизонтальной силы, центра притяжения. Сила эта формально названа Fss, и направлена она к оси равновесия при возникновении смещения, указанного на схеме, как Х.

Если подключить катушки так, чтобы импульс создавал зону с обратной полярностью, то можно решить вопрос со смещением. Это подтвердит любой физик.

В качестве корпуса для конструкции платформенного левитрона подбирается любой старый проигрыватель ДВД. Из него снимаются все «внутренности», устанавливаются магниты и катушки, а в целях красоты, верхняя часть закрывается практичной крышкой из тонкого, можно прозрачного материала (пропускающего магнитное поле).

Датчики холла должны выступать через отверстия платформы, должны быть распаяны на разогнутых ножках разъемов.

Что касается магнитов, то это могут быть круглые элементы толщиной в 4 мм. Желательно, чтобы один из магнитов был больше второго по диаметру. Например, 25 и 30 мм.

Существуют и более сложные варианты левитронов, изготовленные по схеме раскручивания волчка, находящегося внутри небольшого глобуса. Эти левитроны также могут строиться с использованием датчиков холла – эффективных составляющих, совершивших целую революцию в автопромышленности и других сферах человеческой деятельности.

Сегодня технический прогресс достиг такого уровня, что позволил ученым подойти близко к решению вопроса создания пути поездов на магнитных подвесных элементах. Они будут ездить, не контактируя с металлическими путями, а на не котором расстоянии от них. Весь «фокус» построен на магнитной в воздухе левитации, позволяющей поезду как будто парить в пространстве.

Научная трактовка

Многие считают, что левитация в магнитном поле представляет собой свободный путь магнита, брошенного в пространстве. На самом деле этот физический процесс заключается в преодолении сил гравитации предметом, находящимся под воздействием магнита. На него оказывается магнитное давление магнитного поля. На обычном языке под магнитной в пространстве левитацией надо понимать, что если на лежащий предмет действует гравитационное давление сверху вниз, то можно создать обратную силу, способную нейтрализовать притяжение. То есть предмет левитирует в воздухе.

Для того чтобы лучше понимать магнитную в воздухе левитацию, нужно вспомнить школьную программу физики. Если взять два магнита и приблизить их друг к другу северными полюсами, то они будут отталкиваться. Когда приблизить северный полюс к южной стороне, то магниты будут притягиваться. Первый опыт позволяет левитировать в пространстве предметам с огромным весом.

Понятие о диамагнитной левитации

В физике диамагнитная левитация – это нейтрализация магнитного давления магнитного поля из любого предмета или объекта. Из многих опытов, сделанных своими руками, становится видно, что диамагнетизм делает предметы невесомыми в пространстве. Тем более, такой процесс может происходить в среде с разной температурой и с объектами, имеющими разный вес.

Примером этому может быть опыт с левитирующей в воздухе лягушкой. Животное поместили в созданное магнитное поле, имеющее индукцию более 16 Тесла, и все увидели парящую лягушку.

Кроме этого можно создать магнитное поле с индукцией 11 Тесла и поместить в созданное поле руки. За счет этого магнит начнет парить в воздухе. Тем более, полетом магнита просто управлять. Как сделать такой фокус? Нужно легко касаться магнита рукой, и он постоянно будет между руками. Пальцы будут являться диамагнетиками.

На службе у человека

На практике магнитную в воздухе левитацию с человеком доказали уже ученые. На сегодняшней повестке стоит задача применения процесса с техническими средствами, состоящими на службе цивилизации.

Летающие поезда

В научных разработках такие поезда называют маглевы (первая часть слова – магнитная, вторая часть – левитация). Сегодня они вполне удачно работают по перевозке пассажиров в Японии. Но и там они из-за значительных финансовых вложений занимают малый процент среди общего железнодорожного парка.

Важно знать! Такой железнодорожный транспорт передвигается с помощью магнитного поля, создаваемого мощными магнитными элементами, которые смонтированы под железнодорожным полотном.

Поезда такого принципа действия способны развивать большую скорость, за счет исключения силы трения. То есть за счет магнитной в воздухе левитации они не контактируют с металлическими рейками.

Механика без износа

Вторым направлением применения этого явления является механика. Многие специалисты знают о короткой эксплуатации шариковых подшипников в механических узлах, приводящей к серьезным авариям и длительным простоям производственных линий.

Сегодня на практике эта проблема решается с помощью магнитного поля. Учеными были разработаны магнитные подшипники. Особенно их применяют в труднодоступных для ремонта местах.

Кроме этого магнитные подшипники применяются в узлах вертикальных ветровых генераторов. Это дает возможность превращать энергию ветра в электроэнергию без дорогостоящего технического обслуживания и простоя.

В итоге нужно отметить, что многие процессы, описанные ранее человеком в произведениях фантастического жанра, воплощаются в реальность. Человеческому разуму скоро удастся воплотить в жизнь задумки с плазменными окнами, лазерными шторами и углеродными компьютерами.

Видео

Идея устройства очень проста, электромагнит поднимает в воздух магнит, а для создания эффекта левитации в магнитном поле, он подключен к высокочастотному источнику, который то поднимает, то опускает объект.

Шаг 1: Схема устройства

Схема на удивление проста и я полагаю, что у вас не составит труда собрать левитрон своими руками. Вот список компонентов:

светодиод (любого цвета — это опционально)
транзистор Irfz44n (или любой подходящий mosfet)
диод HER207 (с таким же успехом должен работать 1n4007)
резисторы 1k и 330Om (последний необязателен)
датчик Холла A3144 (либо аналогичный)
медный обмоточный провод диаметром 0.3 — 0.4 мм и длиной 20 м
неодимовые магниты (я использовал 5 * 1 мм)

Шаг 2: Сборка

Приступим к сборке. Сперва нам нужно сделать рамку для электромагнита примерно таких размеров: диаметр 6 мм, высота мотка примерно 23 мм, и диаметр ушек около 25 мм. Как видите, изготовить её можно из обычного листа, картона и суперклея. теперь закрепим начало мотка на рамке и расслабимся — нам нужно будет сделать около 550 оборотов, неважно в каком набавлении. Я сделал 12 слоёв, что отняло у меня 1.5 часа.

Шаг 3: Спайка

Спаиваем всё по схеме, без каких-либо нюансов. Датчик Холла припаян к проводам, т.к. он будет помещён в катушку. Когда всё спаяете, поместите датчик в катушку, закрепите его, подвесьте катушку и подайте ток. Поднеся магнит, вы почувствуете, что он притягивается или отталкивается, в зависимости от полюса, и пытается зависнуть в воздухе, но неудачно.

Шаг 4: Настройка

После 30 минут, потраченных над разгадкой вопроса, «почему эта штука не работает?», я пришел в отчаяние и прибегнул к крайним мерам — начал читать спецификацию к датчику, которую создают для таких людей как я. В спецификации имелись картинки, на которых было изображено, какая из сторон чувствительная.

Вытащив датчик и согнув его таким образом, чтобы плоская сторона с надписями была параллельна земле, я вернул его на место — самодельное устройство стало работать заметно лучше, но магнит всё ещё не левитировал. Понять в чём проблема удалось достаточно быстро: магнит в форме таблетки — не самый лучший экземпляр для левитации. Было достаточно сместить центр тяжести к нижней части магнита (я сделал это при помощи куска толстой бумаги). Кстати, не забудьте проверить, какая сторона магнита притягивается к катушке. Теперь всё работало более или менее нормально и осталось закрепить и защитить датчик.

Какие еще нюансы есть в этом проекте? Сначала я хотел использовать адаптер на 12V, но электромагнит быстро грелся, и мне пришлось переключить его на 5V, я не заметил никаких ухудшений в работе, а нагрев был практически устранён. Диод и ограничивающий резистор были практически сразу отключены. Также я снял с катушки синюю бумагу — мотки медной проволоки смотрятся гораздо красивее.