Levitación magnética: qué es y cómo es posible. DIY Levitron: diagrama de dispositivo casero para levitación en un campo magnético Dispositivo de levitación electromagnética

En algunas tiendas avanzadas se pueden ver stands publicitarios que muestran efectos interesantes cuando algo levita desde el escaparate o un artículo con la imagen de una marca. A veces se añade rotación. Pero incluso una persona sin mucha experiencia en productos caseros puede realizar dicha instalación. Para hacer esto, necesitará un imán de neodimio, que se puede encontrar en las piezas de computadora.

Las propiedades de un imán son asombrosas. Una de estas propiedades de ser repelido por polos iguales se utiliza en objetos que se utilizan como trenes de levitación magnética, juguetes divertidos o base para objetos de diseño espectaculares, etc. ¿Cómo hacer un objeto levitante a base de imanes?

Levitación magnética en vídeo.

Levitación de una peonza sobre imanes de neodimio de cinco puntas. Levitación magnética, magnétismo, experimento magnético, truco magnético, moto perpetuo, juego increíble. Física entretenida.

Discusión

halcón
Cuando el imán gira, se produce la levitación, y si la velocidad del imán disminuye, cae de la órbita... justifica este efecto. La interacción de los campos magnéticos entre imanes está clara, pero cuál es el papel de la rotación. También puedes sostener un imán en el aire usando un campo magnético alterno de las bobinas.

pukla777
Trabaja en el tema: generador de volante. Creo que tendrá aplicaciones prácticas útiles. Además lo filmaste en un vídeo hace mucho tiempo, pero muy poco y sin información.

RusiaPresidente
Y si:
Lanza esta peonza a una especie de cubo y crea un vacío allí; según la idea, no habrá resistencia del aire y girará casi sin cesar. ¿Y si no también enrollar adecuadamente el cobre y eliminar la energía?

Evgeniy Petrov
Leo los comentarios, me sorprende, ¿¡qué hilo!? Todo allí es como una peonza magnética, le pusieron piel. La energía es el campo magnético constante de la peonza, cuando gira, el campo magnético también gira, ¡pero lo principal es cómo! En los imanes, los dominios no están empaquetados de manera igual, esto no es técnicamente posible, por lo que el imán pasivo en sí no puede permanecer en el cojín magnético; irá al lado más fuerte donde la diferencia es generalmente insignificante, por lo que la rotación del campo no permitir que esto se haga.

Viacheslav Subbotín
Otra idea, ¿qué pasa si apuntas el láser constantemente hacia un lado? ¿Cambiará el tiempo de rotación de la peonza debido a una ligera presión? Si utiliza un láser potente, es posible que pueda hacer que la parte superior no se detenga en absoluto.

Nadie desconocido
Un juguete viejo... Recuerdo esta parte superior y la placa debajo con imanes de ferrita, en neodimio ya es aburrido, y el imán inferior de la base era una placa sólida, y no cinco imanes separados, solo que estaba magnetizado de manera inteligente. forma...

Aligarh Leopold
Igor Beletsky, puedes hacer una gorra sobre la que caerá la parte superior para no atraparla. ¿Es posible agregarle un campo magnético giratorio para mantener la rotación? por ejemplo, si giras su mesa magnética...

Timur Aminev
¿Por favor díganos cómo el campo magnético de la Tierra frena la parte superior? En el sentido de qué momentos de fuerzas dirigidas contra la rotación surgen y por qué.

Alejandro Vasílievich
Si colocas una bobina encima del imán (o debajo, ¡sería absolutamente maravilloso!) y giras la parte superior con ella, obtendrás una especie de motor suspendido magnéticamente. La cosa es absolutamente estúpida, pero hermosa. Girará hasta que se retire la fuente de energía))

Iván Petrov
Bueno, esto ya lo hemos visto. ¡Haz que el imán levite sin girar! (y sin soportes y nitrógeno líquido, claro).

Alto Elfo
Una estafa para estudiantes pobres, podría llamarse levitación si no fuera necesario desenroscar el imán. El propio imán, en la parte superior, se deslizará si no se le da rotación.

Andrei Solomennikov
¿Qué pasa si colocas un fuego en la plataforma y hélices en el giroscopio (Yula) para que gire mientras el fuego arde debajo? No recuerdo el nombre del motor, pero su esencia es la rotación, por así decirlo, de un rotor mediante calor.

Volzhanin
Igor, hay una idea... No tienes un campo magnético uniforme en tu mesa, pero si haces una peonza con varios imanes y haces girar la mesa... Quizás la peonza no pierda velocidad... ¿Qué? ¿Tu crees?..

Antón Simovskikh
Igor Beletsky, ¿has descubierto la física del proceso? ¿Por qué la levitación sólo es posible en dinámica? ¿Las corrientes foucaultianas que en él surgen afectan la estabilización de la cima?

La instalación más sencilla con un objeto levitando sobre un imán.

Para ello necesitarás: una caja de CD, uno o dos discos, muchos anillos magnéticos y superpegamento. Puedes comprar cualquier imán en una tienda online china.

Cuando tus amigos vengan a visitarte, se sorprenderán con el espectacular diseño que tú mismo creaste.

Levitación(del lat. levitas“ligereza, ligereza”) es un fenómeno físico en el que un objeto flota en el espacio sin soporte visible, sin tocar una superficie dura. La gente suele asociar este fenómeno con magia, fantasmas, ovnis y otros fenómenos increíbles.
Por otro lado, la levitación es un fenómeno físico relativamente simple para objetos metálicos ubicados en un campo magnético.

Le sugiero que se familiarice con el dispositivo diseñado para levitación de objetos metálicos. El principio de funcionamiento es simple. Para que un objeto cuelgue en el espacio, en lugar de un imán permanente, es necesario utilizar un electroimán controlado por un circuito electrónico de modo que el objeto metálico parezca flotar a cierta distancia del electroimán. La posición de un objeto en el espacio se controla mediante un par óptico, que consta de una fotografía infrarroja y LED. Si el objeto se eleva demasiado, el fotodiodo estará menos iluminado: la corriente a través del devanado del electroimán disminuirá y su fuerza de atracción también disminuirá. Si el objeto se mueve demasiado bajo, el fotodiodo estará más iluminado, la corriente a través de la bobina del electroimán aumentará y su fuerza de atracción aumentará.

Arroz. 1 Diagrama del dispositivo de levitación electromagnética.

circuito de control B dispositivos de levitación magnética(Fig. 1) se utilizan un amplificador operacional (op-amp) 1458 o 4558 y un potente MOSFET con disipador de calor. El voltaje de referencia se elimina del divisor R3-R4 y se suministra a la entrada no inversora 3 del amplificador operacional. El voltaje controlado se suministra desde el divisor R2-VD2 a la entrada 2 del amplificador operacional. Con un ligero cambio de voltaje en R2-VD2, aparece una señal de error, que se amplifica muchas veces y cambia el voltaje en el transistor VT1.

Se puede enrollar un electroimán alrededor del marco de un relé viejo y grande. La bobina contiene 1200 vueltas de alambre con un diámetro de 0,4-0,5 mm. El núcleo de hierro tiene un diámetro de 8-10 mm.

No existen criterios especiales para el fotodiodo utilizado, puedes utilizar el modelo que tengas a mano. Pero como sus características difieren, la resistencia R1 se utiliza para ajustar el funcionamiento preciso del circuito para los parámetros dados del fotodiodo.

Si tiene problemas con la estabilidad del dispositivo (el objeto vibra), es posible que necesite cambiar la constante de tiempo del bucle. Para hacer esto, es necesario seleccionar experimentalmente el valor del capacitor C1, de 22 μF a 1 μF, hasta que el circuito comience a funcionar de manera estable.

Principio de funcionamiento: en este circuito, se genera una fuerza de atracción entre un electroimán y un imán permanente. La posición de equilibrio es inestable y, por tanto, se utiliza un sistema de seguimiento y control automático. El sensor de control es un sensor de posición controlado magnéticamente basado en el efecto Hall MD1. Está ubicado en el centro del extremo de la bobina y está asegurado. La bobina está enrollada con alambre barnizado de 0,35-04 mm y tiene unas 550 vueltas. El LED HL1 indica mediante su brillo que el circuito está funcionando. El diodo D1 asegura la velocidad de la bobina.

El esquema funciona de la siguiente manera. Cuando se enciende, la corriente fluye a través de la bobina, lo que crea un campo magnético y atrae el imán. Para evitar que el imán se dé la vuelta, se estabiliza colocándole algo desde abajo. El imán despega y es atraído por el electroimán, pero cuando el imán entra en el alcance del sensor de posición (MD1), lo apaga con su campo magnético. El sensor, a su vez, envía una señal a un transistor que apaga el electroimán. El imán cae. Al salir de la zona de sensibilidad del sensor, el electroimán se enciende nuevamente y el imán vuelve a ser atraído por el electroimán. Por tanto, el sistema oscila continuamente alrededor de un punto determinado.

Esquema:

Para el montaje necesitamos:

1) resistencias 270Ohm y 1kOhm (0,125W)

2) transistorIRF 740

3) LED

4) diodo 1N4007

5) Sensor de pasillo AH443

6) placa de desarrollo

7) alambre barnizado 0,35-0,4 mm

+ estuche, soldador, etc.

Esquema:

Montamos la bobina. El marco se puede hacer con una fina lámina de fibra de vidrio y un rotulador viejo.

Recorte: (tamaño aproximado de la bobina: altura - 22 mm, diámetro - 27 mm)

Pegar juntos:

Damos aproximadamente 550 vueltas: (alambre barnizado de 0,35-0,4 mm, a granel, pero intentamos enrollarlo más o menos uniformemente)

Soldar el tablero de control: (usé un miniJack normal de 3,5 mm como conector de alimentación)

Configuración de pines:

Para facilitar el montaje, puede utilizar conectores de clavija:

Cortamos todos los agujeros necesarios en el cuerpo:

Pongamos todo en su lugar:

Ahora necesitas hacer un soporte para la bobina:

Lo atornillamos al cuerpo y fijamos la bobina:

Así es como debe doblar el sensor Hall y soldarle los cables:

Conectemos todo al montón:

Después de sacar el imán, debemos determinar en qué lado orientarlo hacia el electroimán. Para ello, colocamos y fijamos temporalmente el sensor Hall en la parte inferior de la bobina. Encendemos el Levitron (el LED debería encenderse) y acercamos el imán. Si es atraído por la bobina, entonces el imán está orientado correctamente, pero si el campo magnético de la bobina lo empuja hacia afuera, entonces el imán debe girarse. Es necesario colocar algo liviano en la parte inferior del imán. En mi caso es un LED.

Al mover el sensor Hall conseguimos un vuelo estacionario estable a la máxima distancia de la bobina. Arreglemoslo:

La idea de este tutorial se inspiró en un proyecto de la plataforma de crowdfunding Kickstarter llamado “Air Bonsai”, un proyecto realmente hermoso y misterioso realizado por los japoneses.

Pero cualquier misterio puede explicarse si miras hacia dentro. En realidad, se trata de levitación magnética en la que hay un objeto levitando desde arriba y un electroimán controlado por un circuito. Intentemos implementar este misterioso proyecto juntos.

Descubrimos que el diseño del dispositivo en Kickstarter era bastante complejo, sin ningún microcontrolador. No había forma de encontrar su circuito analógico. De hecho, si miras más de cerca, el principio de levitación es bastante simple. Necesita hacer una parte magnética que "flote" sobre otra parte magnética. El principal trabajo posterior fue garantizar que el imán levitante no cayera.

También se ha especulado que hacer esto con un Arduino es en realidad mucho más fácil que tratar de entender los circuitos de un dispositivo japonés. De hecho, todo resultó mucho más sencillo.

La levitación magnética consta de dos partes: la parte base y la parte flotante (levitante).

Base

Esta parte está en la parte inferior, que consta de un imán para crear un campo magnético circular y electroimanes para controlar este campo magnético.

Cada imán tiene dos polos: norte y sur. Los experimentos muestran que los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen. Se colocan cuatro imanes cilíndricos en un cuadrado y tienen la misma polaridad, formando un campo magnético circular hacia arriba para empujar hacia afuera cualquier imán que tenga el mismo polo entre ellos.

Hay cuatro electroimanes en general, están colocados en un cuadrado, dos imanes simétricos son un par y su campo magnético es siempre opuesto. El sensor de efecto Hall y el circuito controlan los electroimanes. Creamos polos opuestos en los electroimanes haciendo pasar corriente a través de ellos.

parte flotante

La pieza incluye un imán flotante sobre la base que puede transportar una pequeña maceta u otros artículos.

El imán de arriba es elevado por el campo magnético de los imanes de abajo, porque tienen los mismos polos. Sin embargo, por regla general, tienden a caer y atraerse entre sí. Para evitar que la parte superior del imán se voltee y caiga, los electroimanes crearán campos magnéticos para empujar o tirar para equilibrar la parte flotante, gracias al sensor de efecto Hall. Los electroimanes están controlados por dos ejes X e Y, lo que hace que el imán superior se mantenga equilibrado y flotante.

Controlar electroimanes no es fácil y requiere un controlador PID, que se analiza en detalle en el siguiente paso.

Paso 2: controlador PID (PID)

De Wikipedia: "Un controlador proporcional-integral-derivado (PID) es un dispositivo en un circuito de control con retroalimentación. Se utiliza en sistemas de control automático para generar una señal de control con el fin de obtener la precisión y calidad requeridas del proceso transitorio. El controlador PID genera una señal de control, que es la suma de tres términos, el primero de los cuales es proporcional a la diferencia entre la señal de entrada y la señal de retroalimentación (señal de desajuste), el segundo es la integral de la señal de desajuste, el tercero es la derivada de la señal de desajuste."

En términos simples: “El controlador PID calcula el valor de “error” como la diferencia entre la [Entrada] medida y la configuración deseada. El controlador intenta minimizar el error ajustando [la salida]”.

Entonces le dice al PID qué medir (entrada), qué valor desea y una variable que ayudará a tener ese valor como salida. Luego, el controlador PID ajusta la salida para que la entrada sea igual a la configuración.

Por ejemplo: En un automóvil tenemos tres valores (Entrada, Configuración, Salida): velocidad, velocidad deseada y ángulo del pedal del acelerador, respectivamente.

En este proyecto:

1. La entrada es el valor actual en tiempo real del sensor Hall, que se actualiza continuamente a medida que la posición del imán flotante cambia en tiempo real.
2. El valor establecido es el valor del sensor Hall, que se mide cuando el imán flotante está en la posición de equilibrio, en el centro de la base del imán. Este índice es fijo y no cambia con el tiempo.
3. La señal de salida es velocidad para controlar los electroimanes.

Gracias a la comunidad Arduino por escribir la biblioteca PID, que es muy fácil de usar. Más información sobre Arduino PID está disponible en el sitio web oficial de Arduino. Necesitamos usar un par de controladores PID bajo Arduino, uno para el eje X y otro para el eje Y.

Paso 3: Accesorios

La lista de componentes de la lección resulta decente. A continuación se muestra una lista de componentes que debes comprar para este proyecto, asegúrate de tener todo antes de comenzar. Algunos de los componentes son muy populares y es probable que los encuentre en su propio almacén o en su casa.

Paso 4: Herramientas

Aquí hay una lista de las herramientas más utilizadas:

• Soldador
• Sierra de mano
• Multímetro
• Perforar
• Osciloscopio (opcional, puedes usar un multímetro)
• Taladro de banco
• Pegamento caliente
• Alicates

Paso 5: amplificador operacional LM324, controlador L298N y SS495a

Amplificador operacional LM324

Los amplificadores operacionales (op-amps) se encuentran entre los circuitos más importantes, más utilizados y versátiles que se utilizan en la actualidad.

Utilizamos un amplificador operacional para amplificar la señal del sensor Hall, cuyo propósito es aumentar la sensibilidad para que Arduino pueda detectar fácilmente el cambio en el campo magnético. Un cambio de unos pocos mV en la salida del sensor Hall, después de pasar por el amplificador, puede cambiar en varios cientos de unidades en Arduino. Esto es necesario para garantizar un funcionamiento suave y estable del controlador PID.

El amplificador operacional común que elegimos es el LM324, es barato y puedes comprarlo en cualquier tienda de electrónica. El LM324 tiene 4 amplificadores internos que permiten su uso flexible, sin embargo en este proyecto solo se necesitan dos amplificadores: uno para el eje X y otro para el eje Y.

módulo L298N

El puente H dual L298N se usa comúnmente para controlar la velocidad y la dirección de dos motores de CC, o acciona fácilmente un solo motor paso a paso bipolar. El L298N se puede utilizar con motores de 5 a 35 VCC.

También hay un regulador de 5V incorporado, por lo que si el voltaje de suministro es de hasta 12V, también puede conectar una fuente de alimentación de 5V desde la placa.

Este proyecto utiliza L298N para accionar dos pares de bobinas de electroimán y utiliza la salida de 5 V para alimentar el sensor Arduino y Hall.

Distribución de pines del módulo:

• Salida 2: par de electroimanes X
• Salida 3: par de solenoides Y
• Potencia de entrada: entrada DC 12V
• Tierra: Tierra
• Salida de 5v: 5v para sensores Arduino y Hall
• EnA: Habilita la señal PWM para la salida 2
• In1: Habilitar para salida 2
• In2: Habilitar para Out 2
• In3: Habilitar para salida 3
• In4: Habilitar para salida 3
• EnB: Habilita la señal PWM para Out3

Conexión a Arduino: Necesitamos quitar 2 puentes en los pines EnA y EnB, luego conectar 6 pines In1, In2, In3, In4, EnA, EnB a Arduino.

Sensor de pasillo SS495a

SS495a es un sensor Hall lineal con salida analógica. Tenga en cuenta la diferencia entre salida analógica y salida digital, no puede utilizar un sensor con salida digital en este proyecto, solo tiene dos estados 1 o 0, por lo que no puede medir la salida de campos magnéticos.

El sensor analógico dará como resultado un rango de voltaje de 250 a Vcc, que puedes leer usando la entrada analógica de Arduino. Para medir el campo magnético en los ejes X e Y se necesitan dos sensores Hall.

Paso 6: Imanes de neodimio NdFeB (Neodimio Hierro Boro)

De Wikipedia: "El neodimio es un elemento químico, un metal de tierras raras de color blanco plateado con un tinte dorado. Pertenece al grupo de los lantánidos. Se oxida fácilmente en el aire. Descubierto en 1885 por el químico austriaco Karl Auer von Welsbach. Utilizado como un componente de aleaciones con aluminio y magnesio para aviones y ciencia espacial."

El neodimio es un metal ferromagnético (específicamente, exhibe propiedades antiferromagnéticas), lo que significa que, al igual que el hierro, puede magnetizarse para convertirse en un imán. Pero su temperatura Curie es de 19K (-254°C), por lo que su magnetismo puro sólo aparece a temperaturas extremadamente bajas. Sin embargo, los compuestos de neodimio con metales de transición como el hierro pueden tener temperaturas de Curie muy por encima de la temperatura ambiente y se utilizan para fabricar imanes de neodimio.

Fuerte es la palabra utilizada para describir un imán de neodimio. No se pueden utilizar imanes de ferrita porque su magnetismo es demasiado débil. Los imanes de neodimio son mucho más caros que los imanes de ferrita. Se utilizan imanes pequeños para la base, imanes grandes para la parte flotante/levitante.

Atención! Debe tener cuidado al utilizar imanes de neodimio, ya que su fuerte magnetismo puede dañarlo o dañar los datos de su disco duro u otros dispositivos electrónicos afectados por campos magnéticos.

Consejo! Puedes separar dos imanes tirando de ellos horizontalmente, no puedes separarlos en la dirección opuesta porque su campo magnético es demasiado fuerte. También son muy frágiles y se rompen con facilidad.

Paso 7: Preparando la Base

Nosotros utilizamos una pequeña maceta de terracota, que normalmente se utiliza para cultivar una suculenta o un cactus. También puedes utilizar una maceta de cerámica o una maceta de madera si son adecuadas. Utilice una broca de 8 mm para crear un agujero en el fondo de la olla, que se utiliza para sujetar el enchufe de CC.

Paso 8: Impresión 3D de la pieza flotante

Si tienes una impresora 3D, genial. Tienes la capacidad de hacer todo con él. Si no tienes impresora, no te desesperes, porque... Puede utilizar un servicio de impresión 3D económico que ahora es muy popular.

Para el corte por láser, los archivos también se encuentran en el archivo de arriba: el archivo AcrylicLaserCut.dwg (esto es autocad). La parte acrílica se utiliza para soportar los imanes y electroimanes, el resto se utiliza para cubrir la superficie de la maceta de terracota.

Paso 9: Prepare el módulo del sensor Hall SS495a

Corte el diseño de la PCB en dos partes, una parte para conectar el sensor Hall y la otra para conectar el circuito LM324. Conecte dos sensores magnéticos perpendiculares a la PCB. Utilice cables finos para conectar los dos pines de los sensores VCC, haga lo mismo con los pines GND. Los contactos de salida están separados.

Paso 10: circuito del amplificador operacional

Suelde el zócalo y las resistencias a la PCB siguiendo el diagrama, prestando atención a colocar los dos potenciómetros en la misma dirección para facilitar la calibración posterior. Conecte el LM324 al enchufe, luego conecte las dos salidas del módulo del sensor Hall al circuito del amplificador operacional.

Conecte los dos cables de salida del LM324 al Arduino. Entrada de 12 V con entrada de 12 V del módulo L298N, salida de 5 V del módulo L298N a potenciómetro de 5 V.

Paso 11: Montaje de los electroimanes

Ensamble los electroimanes sobre una lámina acrílica, se fijan en cuatro orificios cerca del centro. Apriete los tornillos para evitar movimientos. Dado que los electroimanes son simétricos en el centro, siempre están en polos opuestos, por lo que los cables en el interior de los electroimanes están conectados entre sí y los cables en el exterior de los electroimanes están conectados a L298N.

Pase los cables debajo de la lámina acrílica a través de los orificios adyacentes para conectarlos al L298N. El alambre de cobre está cubierto con una capa aislante, por lo que debes quitarlo con un cuchillo antes de poder soldarlos.

Paso 12: Módulo de sensor e imanes

Utilice pegamento caliente para fijar el módulo del sensor entre los electroimanes, tenga en cuenta que cada sensor debe ser cuadrado con dos electroimanes, uno en el frente y otro en la parte posterior. Intente calibrar los dos sensores lo más centralmente posible para que no se superpongan, lo que hará que el sensor sea más efectivo.

El siguiente paso es montar los imanes de base acrílica. Al combinar dos imanes D15*4 mm y un imán D15*3 mm para formar un cilindro, los imanes y electroimanes tendrán la misma altura. Ensamble imanes entre pares de electroimanes, tenga en cuenta que los polos de los imanes ascendentes deben ser iguales.

Paso 13: Conector de alimentación CC y salida L298N de 5 V

Suelde la toma de corriente CC con dos cables y utilice un tubo termorretráctil. Al conectar el conector de alimentación de CC a la entrada del módulo L298N, su salida de 5 V suministrará energía al Arduino.

Paso 14: L298N y Arduino

Conecte el módulo L298N a Arduino siguiendo el diagrama anterior:

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

Paso 15: Programador Arduino Pro Mini

Dado que el Arduino pro mini no tiene un puerto USB a serie, es necesario conectar un programador externo. FTDI Basic se utilizará para programar (y alimentar) el Pro Mini.

¡Aquí te contamos y mostramos cómo hacer un Levitron genial con tus propias manos!

Me vi obligado a montar esta manualidad en la universidad :)

Lo hice junto con un compañero de clase, cuya tarea era hacer un caso loco, y para mí, el relleno electrónico.

Qué bien resultó todo: juzgue usted mismo, escriba comentarios, será interesante leerlo y discutirlo.

No recuerdo exactamente cómo se nos ocurrió la idea de hacer un Levitron, el tema de la artesanía era la forma libre. El diseño parece simple, pero llama la atención.

En general, Levitron en sí es un dispositivo que soporta cualquier objeto en un medio que no entra en contacto con ninguna superficie excepto a través del aire. También funcionará en el vacío.

En este caso, la electrónica hace que el imán flote y el imán ya se puede pegar, por ejemplo, a una lata de una bebida sabrosa y económica :)

Si busca detenidamente en Internet, podrá ver muchas versiones diferentes del Levitron electromagnético, por ejemplo:

Se pueden dividir en suspendidos y repulsivos. Si en el primer caso es necesario simplemente compensar la fuerza de la gravedad, entonces en el segundo también hay un desplazamiento en el plano horizontal, ya que según el teorema de Earnshaw, “cualquier configuración de equilibrio de cargas puntuales es inestable si nada actúa sobre excepto las fuerzas de Coulomb de atracción y repulsión”. - cita de wiki.

De esto se deduce que un levitrón suspendido es más fácil de fabricar y configurar, si es necesario. No quería molestarme demasiado, así que para la universidad hicieron un Levitron colgante, del que se habla aquí, y yo ya hice uno repulsivo para mi amado :) Se escribirá sobre ello en otro artículo. Un poco más tarde eliminaré este texto y le proporcionaré un enlace aquí. Funciona muy bien, pero también tiene sus desventajas.

A su vez, todos los levitrones suspendidos también se pueden dividir en digitales y analógicos según el método para mantener un objeto a la misma distancia. Y según el tipo de sensores, se pueden dividir en ópticos, electromagnéticos, de sonido y, probablemente, todo.

Es decir, recibimos una señal analógica sobre la distancia del imán al Levitron y ajustamos digitalmente la fuerza de influencia sobre el imán. Alta tecnología, sin embargo.

La idea en sí fue tomada del sitio web de Geektimes y la placa de circuito impreso se hizo personalmente para nuestro conjunto de piezas. También en el proyecto original se utilizaron sensores SS49 de tres terminales, pero los plazos fueron muy ajustados, eran, por decirlo suavemente, excesivamente caros ($4 por pieza versus $6 por 10 piezas en China - enlace, por ejemplo), así que Se utilizaron sensores Hall de cuatro terminales. Tuve que cambiar el circuito y hacer adiciones estructurales al dispositivo. Además, para mayor alarde, se agregó un bloque de LED que se encienden suavemente cuando se levanta un imán, es decir, cuando el Levitron comienza a funcionar y se apaga suavemente cuando se retira el imán. Todo esto quedará reflejado en el diagrama.

En realidad, el circuito Levitron con sensores de cuatro terminales:

Y un circuito Levitron con sensores de tres terminales y retroiluminación más sencilla:

El principio de funcionamiento es bastante sencillo. La bobina, que es un electroimán, cuando se aplica energía, atrae el imán: el objeto es atraído. Un sensor colocado entre el imán y la bobina detecta un aumento del flujo magnético, lo que significa que el imán se acerca. La electrónica controla esto y desconecta la bobina de la fuente de voltaje. El imán comienza a caer bajo la influencia de la gravedad. El sensor detecta una disminución en el flujo magnético, que es detectada inmediatamente por la electrónica y se aplica voltaje al electroimán, el imán es atraído - y esto sucede muy a menudo - unas 100 mil veces por segundo. Surge un equilibrio dinámico. El ojo humano no tiene tiempo para darse cuenta de esto. La frecuencia del generador se establece mediante una resistencia y un condensador en los pines 5 y 6 del microcircuito TL494.

Se necesita un segundo sensor en el otro lado del electroimán para compensar el campo magnético creado por la propia bobina. Es decir, si este segundo sensor no existiera, al encender el electroimán el sistema no sería capaz de distinguir la intensidad del campo magnético del imán de neodimio del campo magnético creado por el propio electroimán.

Entonces, tenemos un sistema de dos sensores, cuya señal se envía a un amplificador operacional en una conexión diferencial. Esto significa que en la salida del amplificador operacional sólo aparece la diferencia de voltaje recibida de los sensores.

Por ejemplo. En uno de los sensores el voltaje de salida es de 2,5 V, y en el otro, de 2,6 V. La salida será de 0,1 V. Esta señal diferencial se encuentra en el pin 14 del chip LM324 según el circuito.

Luego, esta señal se envía a los siguientes dos amplificadores operacionales: OP1.1, OP 1.3, cuyas señales de salida pasan a través de una válvula de diodo hasta el pin 4 del chip TL494. Por la válvula de diodo en los diodos D1, D2 pasa solo uno de los voltajes, el que será mayor que el valor nominal. El pin No. 4 del controlador PWM funciona de la siguiente manera: cuanto mayor es el voltaje en este pin, menor es el ciclo de trabajo de los pulsos. La resistencia R9 está diseñada para que, en una situación en la que el voltaje en las entradas de la válvula de diodo sea inferior a 0,6 V, el pin número 4 esté claramente conectado a tierra, mientras que el PWM producirá el ciclo de trabajo máximo.

Volvamos a los amplificadores operacionales OP1.1, OP 1.3. El primero sirve para apagar el controlador PWM mientras el imán está a una distancia suficientemente grande del sensor para que la bobina no funcione al máximo ralentí.

Usando OP 1.3, configuramos la ganancia de la señal diferencial; de hecho, establece la profundidad de la retroalimentación (Feedback). Cuanto más fuerte sea la retroalimentación, más fuerte reaccionará el sistema ante la aproximación del imán. Si la profundidad del sistema operativo no es suficiente, se puede acercar el imán y el dispositivo no comenzará a reducir la potencia bombeada al electroimán. Y si la profundidad del sistema operativo es demasiado grande, entonces el ciclo de trabajo comenzará a disminuir antes de que la fuerza de atracción del imán pueda mantenerlo a esta distancia.

No es necesario instalar la resistencia variable P3; se utiliza para ajustar la frecuencia del generador.

OP1.2 es un generador de voltaje de 2,5 V necesario para sensores de cuatro pines. No es necesario para sensores tipo SS49 de tres pines.

Olvidé mencionar los elementos C1, R6 y R7. Su truco es que la señal constante aquí se corta 10 veces debido a las resistencias, y la señal variable pasa silenciosamente debido al capacitor, logrando así que el circuito se centre en cambios repentinos en la distancia del imán al sensor.

El diodo SD1 está diseñado para suprimir las emisiones inversas cuando se apaga el voltaje del electroimán.

El nodo en T2 le permite encender y apagar suavemente la línea de LED cuando aparecen pulsos en el electroimán.

Pasemos al diseño.

Uno de los puntos clave de Levitron es el electroimán. Hicimos un marco a partir de una especie de perno de construcción, en el que se cortaron lados redondos de madera contrachapada.

El flujo magnético aquí depende de varios factores clave:

• presencia de un núcleo;
• geometría de la bobina;
• corriente de la bobina

En pocas palabras, cuanto más grande es la bobina y mayor es la corriente que fluye por ella, más fuerte atrae los materiales magnéticos.

Como devanado se utilizó alambre PEL de 0,8 mm. Lo enrollaron a ojo hasta que el tamaño de la bobina pareció impresionante. El resultado es el siguiente:

Puede que no sea posible encontrar el cable necesario en nuestra zona, pero es bastante fácil encontrarlo en las tiendas en línea: cable de 0,4 mm para enrollar una bobina.

Mientras se enrollaba la bobina, se preparaba y grababa el tablero. Se realizó utilizando tecnología LUT, el dibujo del tablero se realizó en el programa Sprint LayOut. Puede descargar la placa Levitron desde el enlace.

El tablero fue grabado con restos de persulfato de amonio, cuyo frasco vacío se utilizó con éxito más adelante en este proyecto :)

Me gustaría señalar que la colocación de piezas, así como el enrutamiento de las pistas, requieren una soldadura muy cuidadosa, ya que es fácil realizar conexiones donde no deberían estar. Si no tiene esas habilidades, es muy posible hacerlo con componentes grandes en una placa de pruebas, como esta, y hacer conexiones usando cables en el reverso.

Como resultado, el tablero quedó así:

La placa se adaptó de forma muy ergonómica a las dimensiones de la bobina y se fijó directamente a ella mediante un potente adhesivo termofusible, convirtiéndose así en un único monobloque: conecte la alimentación, configúrelo y el sistema funcionará.

Pero todo esto sucedió antes de que el electroimán estuviera listo. La placa se fabricó un poco antes y para probar de alguna manera la funcionalidad del dispositivo, se conectó temporalmente una bobina más pequeña. El primer resultado fue satisfactorio.

Los sensores, como ya se mencionó anteriormente, se utilizan en sistemas de seguimiento de posición de motores BLDC de cuatro pines. Como no fue posible encontrar documentación sobre ellos, tuve que descubrir empíricamente qué pines son responsables de qué. El factor de forma resultó ser:

Mientras tanto llegó un gran electroimán. Esto me dio mucha esperanza :)

Las primeras pruebas con un electroimán grande mostraron una distancia de trabajo bastante grande. Aquí hay una advertencia: el sensor, que está ubicado en el lado del imán de neodimio, debe estar un poco más lejos de la bobina para un funcionamiento confiable de la electrónica.

La última foto se parece más a una especie de satélite espacial. Por cierto, así es exactamente como se podría diseñar este Levitron. Y para aquellos que pretendan repetir diseño, todo está por delante :)

Se decidió utilizar una lata de refresco como objeto levitante. Adjuntamos un imán al frasco con cinta adhesiva de doble cara y lo comprobamos.

Funciona muy bien, en general el dispositivo se puede considerar listo. Lo único que queda es el diseño exterior. Se hizo una viga de soporte con barras y palos; el cuerpo de nuestro monobloque se hizo con la misma lata de plástico vacía de persulfato de amonio. Del monobloque solo salen dos cables para alimentación, como está previsto.

En ese momento, ya se había soldado un circuito para encender suavemente una línea de LED mediante montaje superior, y la línea en sí se montó con éxito sobre el omnipresente adhesivo termofusible.

La fuente de alimentación es una unidad tomada prestada de alguna impresora, convertida de 42 V a 12 V.

También te mostraré la apariencia de la fuente de alimentación :)

A continuación, se hizo un soporte de madera contrachapada, en el que se colocaron la fuente de alimentación y un conector para conectar 220 V. Se pegó una tela en la parte superior para darle belleza, toda la estructura se pintó de amarillo y negro. Se cambió el frasco porque quedó ligeramente abollado durante los experimentos.

De todo esto, además del efecto de levitación, resultó una maravillosa luz nocturna.

Agregaré un video un poco más tarde, pero por ahora, para colmo, quiero decir que mi diseño fue repetido fácilmente por un estudiante de 13 años en mi club de radio.

El aspecto aún no se ha finalizado, pero los componentes electrónicos funcionan como se esperaba. Foto de su diseño: