Как сделать левитацию: Магнитная левитация своими руками — Главная

Содержание

Магнитная левитация своими руками в домашних условиях

Магнитная левитация — метод, позволяющий с использованием только силы магнитного поля поднять и переместить предметы. Подобное явление применяют для нейтрализации различных ускорений, например, свободного падения.

Сам термин «левитация» имеет английское происхождение: levitate – подняться в воздухе. Это состояние, преодоления объектом гравитации: парение в воздухе, ни на что не опираясь, не отталкиваясь, не используя реактивную тягу. Физики дают такое определение левитации: стабильное положение предмета в поле гравитации, где сила тяжести встречает сопротивление возвращающей силы, что обеспечивает стабильное положение в пространстве. Левитация в естественном состоянии не существует.

Способы реализации магнитной левитации

Обеспечить равновесие объекта в пространстве можно, применив несколько способов: сервомеханизмы, диамагнетики, сверхпроводники и системы с вихревыми токами. Такие устройства дают возможность объекту сохранить равновесие, когда он поднят над основой с магнитом. Как сделать левитирующий прибор самостоятельно выясним в статье.

Электромагнитная левитация с системой слежения

Собрав устройство на основе электромагнита с использованием фотореле достигают левитации мелких металлических предметов. Они зависают в воздухе, приподнимаясь над электромагнитом, который закреплен на стойке. Электромагнит работает, пока предмет не затеняет фотоэлемент в стойке, то есть он получает световой сигнал от контрольной точки и предмет медленно поднимается.

Поднявшись на расчётное расстояние, предмет перекрывает контрольную точку, на фотоэлемент попадает тень, магнит отключается и предмет падает. Но окончательно упасть на стойку он не успевает: как только с контрольной точки уходит тень, фотоэлемент срабатывает, и магнит вновь включается. Досконально отрегулировав систему можно добиться ощущения парения предмета в воздухе.

Этот принцип положен в основу изготовления сувенирных левитирующих глобусов

Диамагнитная левитация

Самым доступным диамагнетиком (свойство намагничиваться против магнитного поля) является грифель карандаша из графита. У него сильная магнитная восприимчивость. Способен проявлять левитацию над неодимовым магнитом при температуре от 15 °C до 25 °C. Для создания магнитной ловушки полюса магнитов

располагают в шахматном порядке.

Магнит с показателем индукции в 1Тл способен повиснуть между висмутовыми пластинами. Создав магнитное поле в 11 Тл, можно стабилизировать его левитацию даже между пальцами, так как они тоже диамагнетики.

Левитация магнита над сверхпроводником (эффект Мейснера)

Взяв пластину из оксида иттрия-бария-меди и охладив ее до −195,75 °C (жидкий азот), мы придаем ей свойства сверхпроводника. Положим под подставку с неодимовым магнитом эту пластину и уберем подставку: мы видим как магнит левитирует в воздухе.

Минимальная индукция в 1мТл способна приподнять на 4 миллиметра магнит над подобным сверхпроводником. Добавляя индукцию, увеличивается расстояние между пластиной и магнитом.

Это явление основывается на свойстве сверхпроводника выталкивать магнитное поле из сверхпроводящей фазы. Поэтому магнит, сталкиваясь с полем противоположного заряда, отталкивается от него и зависает над сверхпроводником, пока тот не потеряет свойства.

Левитация в условиях вихревых токов

Вихревой ток, возникающий в переменном магнитном поле больших проводников, может удержать некоторые металлические предметы, вызывая левитацию. Например: диск из алюминия может парить над катушкой переменного тока.

Это явление объясняет закон Ленца: индуцированный диском ток создает поле, противоположного направления. Таким образом, диск будет левитировать пока в катушке есть переменный ток. Главное подобрать подходящие габариты катушки.

Такое явление можно увидеть, запустив неодимовый магнит в медную трубу. Опять же индуцированное магнитное поле направляется противоположно магниту и заставляет его парить внутри трубы.

Основные типы магнитной левитации

На парящий предмет воздействует давление, которое можно получить, используя несколько конструкций. Принято выделять электромагнитные конструкции (ЕМS) и электродинамические устройства (EDS).

Системы ЕМS нестабильны в равновесном положении. Для приемлемой работы требуется оснащение автоматизированной системой управления, которая обеспечивает бесперебойный контроль.

Притяжение возможно между ферромагнетическими проводниками и электрическим магнитом. Работа подобных систем основана на принципах действия вихревого тока в проводящем компоненте. Это возможно при наличии переменного магнитного поля.

Система EDS может быть представлена двумя типами взаимодействий:

Стационарная катушка находится во взаимосвязи с магнитом, который является сверхпроводником.
Изменение в магнитном поле вызывает воздействие силы, генерирующей переменный ток.

Сила отталкивания, используемая в электродинамической системе, делает ее инертно стабильной. Что обуславливает использование постоянных магнитов в установках гибридного типа, а не в самостоятельных. Потому что постоянные магниты не обеспечивают стабильности положения в различных степенях свободы.

То есть, не поддерживая другими силами, которые воздействуют на статичность, невозможно обеспечить правильное функционирование системы.

Иногда планируется для обеспечения процесса левитации отойти от применения магнитных материалов и собрать систему из элементов отличной структуры. Тогда все равно возникает необходимость применять магнитные посредники (вставки).

Как сделать магнит своими руками

В основе действия всех левитаторов лежит магнитное основание. При желании можно сделать магнит в домашних условиях. Например, чтобы превратить обычную отвертку в магнитную. Понадобятся: батарейка 5 или 12 вольт, медная проволока, изолента, отвертка.

Порядок работы:

Берем отвертку и наматываем на нее от 280 до 350 витков очень плотно друг к другу.

Поверх проволоки наматываем изоленту, также тщательно.
Подключаем один конец проволоки к плюсу батарейки, другой к минусу и оцениваем магнитный эффект.

Магнитная левитация в домашних условиях

В 90х годах XX века очень популярной стала игрушка Левитрон, основанный на воздействии магнитного поля.

Это волчок-левитатор, зависший в воздухе. Подобную игрушку можно собрать в домашних условиях, чтобы понять сущность магнитной левитации. Как сделать левитрон – представим подробную инструкцию.

Список материалов:

доска из дерева;
простой карандаш;
изолента;
шайбы из пластика или латуни;
картон;
13 дисковых неодимовых магнитов марки N52 размером 12*3 мм;

широкий кольцевой магнит с наружным диаметром 20, внутренним 10мм марки N42.

Описание процесса сборки пошагово:

Изготовление раскладки. Изначально волчок собирался на двух керамических кольцевых магнитах. В нашей конструкции мы применим стандартные неодимовые магниты. Для начала распечатаем схему отверстий разметки для установки магнитов. Перед началом работ проверьте соответствие размеров в распечатанной схеме и указанных в исходнике. Если все соответствует, то вырежьте макет.
Готовим основание. На доску приложите бумажную схему и разметьте в соответствии с ней. Обратите внимание, что толщина деревянной заготовки должна быть от 6мм.

Перенос всех блоков схемы на основу. Приклейте бумажный носитель к получившейся основе. Используя сверло Форстнера (d=12мм), накерните центр кругов. Это обеспечит дальнейшую точность сверления.
Высверливаем отверстия. Применяя сверло Форстнера (d=12мм) делаем отверстия в заготовке так, чтобы дно отверстия заходило на 3 мм в верхнюю часть блока. Следует обеспечить расположение магнитов на максимально близком расстоянии к верхней части.
Установка магнитов. Когда отверстия готовы, вы еще раз проверили их размеры, установите магниты одним полюсом вверх, например южным. Для определения полюсности можно применить маркированный магнит D68PC-RB. Положим блок на стальную пластину, чтобы магниты легче прошли на дно отверстий. Возьмем магниты марки N52 и разложим в отверстия по одному как можно глубже. Если необходимо протолкнуть магнит, можно взять деревянный дюбель.
Как сделать волчок. Берем карандаш длиной 40 мм с заостренным концом. Наматываем на него изоленту, для увеличения диаметра подходящего под центральную часть кольцевого магнита. Вставьте карандаш в магнит, чтобы южный полюс располагался внизу, как и заостренная часть карандаша. Чтобы добавить вес волчку, воспользуйтесь пластмассовыми или латунными шайбами: наденьте несколько сверху. Для обеспечения правильной работы необходимо методом подбора определить приемлемое количество шайб.

Запускаем систему. Отрезаем картон или пластик для платформы. Укладываем его на магнитное основание. На платформе волчок начинает раскручиваться и постепенно с платформой поднимается вверх до попадания в яму магнитного поля.

Если все сделано правильно, то волчок зависнет. Отладка механизма может занять продолжительное время.

<div id="yandex_rtb_1" class="yandex-adaptive classYandexRTB"></div> <script type="text/javascript">if(rtbW>=960){var rtbBlockID="R-A-744046-3";} else{var rtbBlockID="R-A-744046-5";} window.yaContextCb.push(()=>{Ya.Context.AdvManager.render({renderTo:"yandex_rtb_1",blockId:rtbBlockID,pageNumber:1,onError:(data)=>{var g=document.createElement("ins");g.className="adsbygoogle";g.style.display="inline";if(rtbW>=960){g.style.width="580px";g.style.height="400px";g.setAttribute("data-ad-slot","9935184599");}else{g.style.width="300px";g.style.height="600px";g.setAttribute("data-ad-slot","9935184599");} g.setAttribute("data-ad-client","ca-pub-1812626643144578");g.setAttribute("data-alternate-ad-url",stroke2);document.getElementById("yandex_rtb_1").appendChild(g);(adsbygoogle=window.adsbygoogle||[]).push({});}})});window.addEventListener("load",()=>{var ins=document.getElementById("yandex_rtb_1");if(ins.clientHeight =="0"){ins.innerHTML=stroke3;}},true);</script>

Советы по регулированию волчка:

Постарайтесь обеспечить баланс основания. Применяйте кусочки картона или бумаги для поднятия сторон основания и его выравнивания. При отклонении от центра к какой-то стороне, поднимайте ее, подкладывая кусочки бумаги.
Примените трехточечное нивелирование.
Учитывайте вес волчка: устройство предполагает наличие магнитной ямы – сила магнита в центре слабее, чем возле края. Для удержания магнита в центре, следует добавить вес (при вылетании волчка) или уменьшить (если волчок не поднимается от платформы).
Еще одним значимым показателем является высота платформы: низкая платформа не дает волчку достаточно раскрутиться. Следовательно, нужно подложить под нее бумагу или картон.
При наличии под рукой 3D-принтера, можно распечатать на нем игрушку.

Таким образом, сделать левитрон своими руками в домашних условиях возможно. На основании представленных материалов можно сконструировать различные сувениры, предметы интерьера, способные порадовать вас и ваших знакомых. Помимо этого можно показывать всевозможные фокусы с магнитами и левитацией детям.

Левитация для маглов

Есть в мире силы, с которыми люди могут, кажется, только смириться: время не течет вспять, смерть неизбежна, притяжение тянет вниз. Победить их можно только чудом — или волшебством. Чтобы заставить предмет левитировать, маги из мира Джоан Роулинг произносят «Wingardium Leviosa» и делают взмах палочкой. Физикам-маглам есть что на это ответить — им известно немало способов удержать предмет в воздухе без механической опоры.

Чтобы заставить предмет левитировать, нужно сделать две вещи. Во-первых, создать силу, направленную вертикально вверх, чтобы он не упал под действием земного тяготения. Во-вторых, надо позаботиться о том, чтобы зависший в воздухе предмет находился в устойчивом равновесии — то есть самостоятельно возвращался в свое первоначальное положение после того, как его покой потревожат. Иными словами, помимо поддерживающей силы нужна еще и возвращающая. Разумеется, природа обеих сил не должна быть механической — иначе вся левитация свелась бы к тому, чтобы положить предмет на твердую опору или подвесить его.

Magnes Fulcit

Простые постоянные магниты знакомы многим из бытовой жизни — с их помощью вы наверняка вешали атлас на школьную доску или прикрепляли к холодильнику сувениры с курорта. Сила магнетизма была хорошо известна еще в древности: например, Плиний Старший упоминает в своих сочинениях архитектора Тимохариса, который собирался использовать в своде александрийского храма «магнитный камень», чтобы железная статуя под ним парила в воздухе. Плиний, правда, не уточняет, что должно было удержать статую от того, чтобы прилипнуть к потолку.

Но если слегка расширить рамки бытового применения и поэкспериментировать с двумя магнитами, то обнаружится, что их разноименные полюса притягиваются, скрепляя магниты друг с другом не хуже, чем отдельный магнит с доской, а вот соединить их одноименными полюсами сложнее — они отталкиваются. Это явление можно использовать для левитации, создавая в пространстве магнитное поле, которое будет подталкивать нужный предмет вертикально вверх.

Однако если противодействовать силе тяжести при помощи магнетизма сравнительно легко, то создать устойчивое равновесие — уже не так просто. Теорема Ирншоу запрещает статичным парамагнетикам и ферромагнетикам порождать стабильную левитацию: как бы ни старались современный экспериментатор или античный архитектор, без дополнительных условий поворот двух постоянных магнитов даже на совсем небольшой угол приведет к тому, что они развернутся друг к другу противоположными полюсами, отталкивание превратится в притяжение, и полет прекратится.

К счастью, существует сразу несколько путей, которые позволяют обойти этот запрет. Один из них — помещать в магнитное поле диамагнетик. Он, в отличие от парамагнетика, намагничивается не вдоль внешнего поля, а противоположно ему, и теорема Ирншоу не запрещает ему устойчиво зависать в воздухе. А при небольших отклонениях от равновесного положения собственное поле диамагнетика может перестраиваться так, чтобы возвращать его в равновесие. Представить такой эффект можно, мысленно заменив магнитное поле на множество механических пружин, которые закреплены на объекте: при небольших растяжениях и сжатиях относительно равновесия их упругие силы будут сами подстраиваться так, чтобы объект вновь перешел в первоначальное положение.

Подобрать диамагнетик нетрудно: подобное поведение характерно для множества веществ, включая органические соединения — значит, в достаточно сильных полях левитировать могут и живые создания. Известны опыты, когда при индукции поля в десятки тесла удавалось отправить в полет лягушек и мышей — отмечается, что последние адаптировались к подвешенному состоянию примерно за четыре часа.

Похожим образом можно устроить стабильную левитацию при помощи сверхпроводников — материалов, которые при сильном охлаждении полностью теряют электрическое сопротивление (подробнее о механизмах, благодаря которым возможен такой переход, в материале «Ниже критической температуры»). Находясь в сверхпроводящем состоянии, образец вытесняет (или почти вытесняет) из своего объема приложенное к нему внешнее магнитное поле — то есть с точки зрения наблюдателя ведет себя как идеальный диамагнетик, который не просто слегка намагничивается в обратную полю сторону, а как будто становится противоположным магнитом той же силы.

Благодаря этому сверхпроводникам, по сравнению с настоящими диамагнетиками, для левитации требуются в среднем менее сильные поля. В качестве платы за такое удобство приходится, однако, охлаждать материал до температур, близких к абсолютному нулю, чтобы привести его в сверхпроводящее состояние (но физики работают над этой проблемой — осенью прошлого года им удалось достичь сверхпроводимости при комнатной температуре, правда, при давлении почти в три миллиона атмосфер).

Для левитации можно также комбинировать разные эффекты — например, «подвесить» небольшой магнит в поле сверхпроводящего соленоида и стабилизировать его положение при помощи диамагнетиков — например, человеческих пальцев или учебника по физике.

Левитация магнита в поле сверхпроводящего соленоида величиной около 11 тесла, стабилизированная диамагнетиками — человеческими пальцами

Mathieu Simon et al. / American Journal of Physics, 2001

Левитация того же самого магнита в поле сверхпроводящего соленоида величиной около 11 тесла, стабилизированная одним из томов «Фейнмановских лекций по физике», в котором дается объяснение феномена диамагнетизма

Mathieu Simon et al. / American Journal of Physics, 2001

Другой способ создать стабильную левитацию — использовать нестатические магнитные поля, к которым не относится утверждение теоремы Ирншоу. Например, ниже показано изобретение восьмидесятых годов, своего рода магнитная юла: неподвижный чашеобразный магнит поддерживает своим полем вращающийся над ним магнит в форме волчка. Если последний раскрутить достаточно быстро, то его левитация будет устойчивой — по аналогии с обычным волчком, при небольших отклонениях от вертикали малые поперечные скорости точек тела будут складываться с большими вращательными скоростями, и волчок продолжит устойчиво вращаться, хотя его ось и будет немного дрожать.

Игрушка левитирует в магнитном поле, оставаясь стабильной благодаря вращению

Wikimedia Commons

Наконец, можно стабилизировать левитацию при помощи обратной связи — то есть следить за тем, где находится предмет, и регулировать величину магнитного поля так, чтобы оно постоянно удерживало норовящее «соскользнуть» с него тело. Главное в этом деле — успеть. Если магнитное поле опоздает на свою работу, то уже не вернет левитирующему объекту равновесие, а наоборот, еще сильнее дестабилизирует его.

Несмотря на сложности, у этого способа левитации есть весьма широкое практическое применение — например, его используют поезда на магнитной подушке — маглевы (аббревиатура от магнитная левитация). Принцип работы такого транспорта основан на том, что магнитный рельс подстраивается под смещения левитирующего над ним поезда, быстро изменяя свою полярность так, чтобы ускорять (или замедлять) движение — подобно тому, как при помощи постоянных магнитов мы можем ненадолго ускорять один из них, «приманивая» его противоположным полюсом другого.

Экспериментальный вагон «ТП-05» прототипного советского маглева, испытания которого проходили в семидесятых–восьмидесятых годах прошлого века. Позже проект был заморожен

Wikimedia Commons

Маглевы не касаются рельса, а левитируют над ним, а потому являются самым высокоскоростным видом общественного транспорта — их замедляет только сопротивление воздуха. В 2015 году японский маглев на испытаниях установил рекордную скорость свыше 600 километров в час, а проектируемые маглевы в вакуумных тоннелях, вероятно, будут передвигаться на порядок быстрее, преодолевая за час до шести тысяч километров.

Летом 2017 года немецкая фирма ThyssenKrupp продемонстрировала лифт MULTI, который работает по тому же принципу, что и маглевы — то есть левитирует.

Лифт на магнитном подвесе

thyssenkrupp / YouTube

Такой лифт способен двигаться не только по вертикали, но и по горизонтали — а значит можно разрабатывать нелинейные шахты, в которых кабины обгоняют друг друга и перемещаются между разными частями здания, повышая пропускную способность системы. А за год до экспериментальной демонстрации канадский инженер, вдохновившись концептом MULTI, предложил использовать такие кабины в качестве передвижных комнат, которые могут скользить вдоль стен здания, зависая у нужных окон и создавая дополнительное пространство.

Lux Pressura

Еще один способ устроить левитацию — это использовать давление света. Гипотезу об этом явлении еще четыре века назад выдвинул Иоганн Кеплер в качестве объяснения тому, что наблюдаемые хвосты комет направлены в сторону от Солнца. Во второй половине XIX века давление света удалось обосновать в рамках классической электродинамики Максвелла, а уже несколько лет спустя теоретический прогноз подтвердился в опытах Петра Лебедева.

Современные представления об электромагнитном излучении несколько шире, чем в теории Максвелла — теперь принято считать, что оно имеет не только волновые, но и корпускулярные свойства. Световой луч можно представлять себе как пучок элементарных частиц — фотонов — каждый из которых переносит порцию энергии и обладает импульсом, а значит, по аналогии с механическими частицами (например, маленькими дробинками), может передавать этот импульс другим телам при взаимодействии. Если создать устройство, которое позволяет грамотно распорядиться этим импульсом, то можно подталкивать предмет потоком излучения в нужном направлении.

В 1986 году американский физик Артур Эшкин вместе с коллегами продемонстрировал работу одного из таких устройств — оптического пинцета. Если с помощью обычного пинцета попытаться работать с объектами микромира — клетками, белками, молекулами (и частицами еще меньше), то такой опыт едва ли закончится успехом — механический инструмент слишком груб для этого и лишь разрушит исследуемую систему. Эшкин догадался заменить механические рычаги на интенсивный лазерный пучок, который при помощи давления света удерживает микроскопические частицы, не затрагивая их внутреннюю структуру.

Чтобы обеспечить левитацию объекта в таком пинцете, лазерный луч фокусируют через объектив микроскопа. В результате у пучка возникает «талия» — сужение, в котором интенсивность (число фотонов, пролетающих через единичное поперечное сечение в единицу времени) резко возрастает от краев пучка к его центру. Из-за этого на микрочастицу, помещенную в пучок, со стороны излучения действует градиентная сила, которая втягивает ее в центр пучка — область наибольшей интенсивности (при этом несмотря на то, что всякая частица стремится попасть в центр, детальное описание этого процесса зависит от соотношения между размерами частицы и длиной волны лазера — подробнее об этом можно узнать в материале «Скальпель и пинцет»)

Схема работы оптического пинцета: при смещении относительно центра пучка частица испытывает действие возвращающей силы, тогда как центральное положение устойчиво

Wikimedia Commons

Зажатый в луче света объект немного смещается в направлении от источника лазерного луча, поскольку налетающие фотоны передают ему свой импульс — в результате микрочастица оказывается зафиксирована в очень компактной центральной области, что очень удобно для точных измерений в биологии, физике и медицине. Так, при помощи оптической ловушки в 2018 году австралийские физики измерили действующую на отдельный атом силу с точностью до сотых долей аттоньютона — это в десятки миллиардов триллионов (то есть 10²²) раз меньше, чем типичная сила тяжести, которая действует на человека.

Незадолго до этого американские ученые научились создавать трехмерные цветные голограммы, подсвечивая небольшую частицу, которую передвигали оптическим пинцетом со скоростью почти два метра в секунду. Благодаря инерции человеческого зрения, световой след сливался в единое цветное изображение.

Примеры изображений, которые созданы с помощью перемещения частицы оптическим пинцетом (выдержка фотоаппарата 8–56 секунд)

D. Smalley et al. / Nature, 2018

Годом позже физики из Швеции и Германии наблюдали за микрометровыми глицериновыми каплями в лазерном пучке, надеясь отследить их движение и детально описать слияние частиц. Однако вместо этого неожиданно обнаружили, что при касательных столкновениях левитирующие капли не сливаются, а приобретают устойчивые замкнутые траектории неправильной формы, будто шары в руках невидимого жонглера. На качественном уровне авторы объяснили это тем, что левитирующие капли периодически заслоняют друг от друга луч лазера, а потому градиентная сила и давление излучения периодически меняются, заставляя частицы то снижаться и отлетать от центра пучка, то вновь подлетать к нему и набирать высоту.

Слева — наблюдаемое движение глицериновых капель в оптической ловушке, справа — численная модель

Albert Bae et al. / Physical Review Letters, 2019

Кроме того, теоретические оценки показывают, что силами радиационного давления принципиально возможно удерживать и макроскопические объекты — например, небольшие тонкие зеркала массой в доли миллиграмма. Возможно, в обозримом будущем оптические пинцеты станут уже не просто инструментами для работы в микромире, но и заменят механические в макроскопических опытах.

Calor Fuga

Свет не только давит на предметы, но и нагревает их — благодаря этому тоже можно устроить левитацию. Дело в том, что когда одна сторона находящегося в воздухе тела нагрета сильнее, чем другая, то молекулы газа отскакивают от нее в среднем быстрее — так возникает фотофоретическая сила.

При этом более нагретой стороной не обязательно становится та, на которую падает свет. Так, в 2004 году ученые Осакского университета пронаблюдали отрицательный фотофорез — миграцию микроскопических капель в лазерном пучке к источнику излучения. Разумеется, такое поведение не смогло бы обеспечить радиационное давление — ведь фотоны в лазерном пучке летят от источника, а значит только отталкивают каплю от него.

Заставить молекулы отскакивать от одной поверхности тела быстрее, чем от другой, может не только разница в температуре. В середине февраля американские физики продемонстрировали, как диски диаметром в полсантиметра левитируют в вакуумной камере при давлении в десятитысячные доли атмосферного, хотя разница в температуре их поверхностей была пренебрежимо мала.

Полимерный диск весом 0,3 микроньютона левитирует при давлении 30 паскалей и интенсивности излучения порядка солнечной

Mohsen Azadi et al. / Science Advances, 2021

Достичь этого удалось благодаря структуре дисков: снизу их покрывали слоем из углеродных трубок с нанометровыми неоднородностями, а сверху — гладким полимерным материалом. В результате, несмотря на почти одинаковые температуры верхнего и нижнего слоя, молекулы все равно отскакивали от них по-разному — этого хватило, чтобы с помощью светодиодов преодолеть тяготение и заставить диски левитировать.

Так авторы показали возможность левитации под действием солнечного света в мезосфере, верхнем слое воздушной оболочки Земли. Она уже слишком разрежена для самолетов и воздушных шаров, но еще слишком плотна для космических спутников. Возможно, теперь путь в мезосферу будет открыт для подобных компактных аппаратов — они смогут, например, собирать атмосферные данные для метеорологов и климатологов.

Vox Suspende

Другой вид левитации — акустическая. Когда когерентные акустические волны (с неизменной во времени разностью фаз) накладываются друг на друга, возможно образование стоячей волны — такого состояния колебаний, при котором области минимальной и максимальной амплитуды не движутся, и волна словно замирает в пространстве. Так образуются статичные области повышенного и пониженного давления — это можно использовать для левитации, помещая в области минимума давления предмет, который по размерам не превышает длину волны. Повышенное давление вокруг будет удерживать его от падения и стабилизировать относительно небольших смещений в стороны.

Небольшие шарики левитируют в узлах вертикальной стоячей акустической волны

Wikimedia Commons

Если плавно менять фазу и амплитуду звуковых волн, можно менять расположение и «глубину» акустических «ям» — и таким образом заставлять предметы не просто висеть в воздухе, а перемещаться в пространстве. Так, в январе этого года японские инженеры показали устройство, в котором управляемый ультразвуковыми излучателями воздушный шарик стал интерфейсом ввода-вывода.

Воздушный шарик вращается под действием ультразвуковых волн, которые испускают окружающие его излучатели

ShinodaLab / YouTube

Экспериментаторы сейчас продолжают бороться с техническими ограничениями акустической левитации — осенью 2018 британские инженеры научили свое устройство огибать препятствия, расположив перед излучателями структурированную пластину с размерами полостей порядка длины волны. Из-за этого фаза каждой из волн меняется так, что при сложении их друг с другом получающееся звуковое поле огибает область вблизи излучателей.

А незадолго до этого другие британские исследователи заставили левитировать предмет крупнее длины волны — для этого они расположили 192 ультразвуковых преобразователя на поверхности сферического сектора и с их помощью вместо обычной стоячей волны создали в воздухе набор звуковых вихрей противоположной направленности. Такая конфигурация звукового поля смогла удержать полистирольный шарик диаметром 1,6 сантиметра — почти вдвое больше длины волны.

Левитация шарика с диаметром почти на 20 процентов превосходящим длину волны в акустическом вихре

UpnaLab / YouTube

Наконец, третьи британские инженеры весной 2020 организовали управление левитацией движениями руки: информацию о ее положении считывал инфракрасный датчик и передавал на ультразвуковые массивы излучателей. В ответ последние регулировали испускаемые волны и перемещали летящий шарик вслед за направлением, на которое указывает палец. Для демонстрации исследователи представили прототип игрового автомата, требующего от игрока проводить шарик через кольца.

Датчик движения передает информацию о движениях руки массиву ультразвуковых излучателей, которые ведут шарик вслед за движениями пальца

Rafael Morales Gonzalez et al. / CHI EA 2020

При желании простейший (и относительно дешевый) акустический левитатор можно собрать и в домашних условиях — соответствующую инструкцию в 2017 году опубликовали ученые Бристольского университета. В качестве деталей для сборки они предложили использовать ультразвуковые датчики парковки для автомобилей и микроконтроллер Arduino Nano.

Tremor Leva

Для левитации можно приспособить не только колебания, которые распространяются по воздуху, но и вибрации вполне твердых предметов. Дело в том, что когда в физической системе происходят высокочастотные колебания, результатом их усредненного (за период) влияния могут стать вибрационные силы.

Объединяясь с силами, которые действуют без вибраций, такие силы иногда приводят к совершенно контринтуитивным эффектам — примером тому (пусть и не относящимся напрямую к левитации) является маятник Капицы — математический маятник на спице с вертикально вибрирующим подвесом. Когда частота колебаний подвеса многократно превышает собственную частоту колебаний маятника, подвес раскачивает спицу так, что вибрационная сила может обеспечить устойчивые колебания маятника в перевернутом положении — будто бы поле тяжести изменило свое направление.

Подобным образом можно заставить левитировать слой вязкой жидкости над слоем воздуха. Если опора, на которой находится сосуд, быстро раскачивается, то появляющиеся вибрационные силы мешают формированию капель на нижней поверхности жидкости, и она перестает стекать вниз под действием гравитации.

В сентябре 2020 года французские физики выяснили, что таким путем можно не просто заставить жидкость парить в воздухе, но и использовать ее нижнюю поверхность для плавания точно так же, как и верхнюю — и отправили в круиз по «обратной стороне воды» небольшие кораблики. Перевернутые суденышки зеркально повторяли поведение предметов, которые плыли привычным способом по верхней поверхности левитирующего «водоема» (то есть, подобно маятнику Капицы, словно чувствовали обращенную кверху гравитацию).

Ученые объяснили необычное явление тем, что при вибрациях объем тел, погруженный в жидкость, также непрерывно меняется — в результате усредненная выталкивающая сила вместе с силой тяжести удерживают тело на плаву.

Будучи лишь чудом в сознании наших предков, в современном мире левитация стала чуть ли не повседневностью. Она уже зарекомендовала себя и как инструмент для научной и технической работы, и как основа для транспорта, и как способ развлечений.

Прогресс не стоит на месте — возможно, уже в ближайшие годы мы увидим воплощения тех идей, которые сегодня живут только на страницах научных работ, а на им смену придут уже новые способы повисеть в воздухе, которые будут ждать своего часа. Может быть, левитация, напротив, уйдет в прошлое, а нынешние планы и достижения покажутся такими же забавными, как и мечты о парящей железной статуе посреди античного храма. По-настоящему важно совсем другое: как бы уверенно мы ни отрекались от того или иного способа отправить предмет в полет, главный — полет человеческой мысли — не остановится и тогда.

Николай Мартыненко

Волчок-левитрон или магнитная левитация своими руками

Помните популярную игрушку из 90-х «Левитрон»? Это волчок, который висит в воздухе за счет магнитных сил. Попробуем сделать сами такую игрушку из подручных материалов и понаблюдаем за магнитной левитацией.

Нам потребуются следующие материалы:

Деревянная доска, карандаш, изоляционная лента, пластиковые или латунные шайбы, почтовые бумажные, пластиковые или картонные открытки.
Тринадцать дисковых неодимовых магнитов размерами 12*3 мм, марки N52; один широкий кольцевой размерами 20 (наружный диаметр) * 10 (внутренний диаметр) мм, марки N42.

Шаг 1: Раскладка

В игрушке «Левитрон», которая была популярна в 90-х годах, и которая больше не продается (или продается?), использовались два специальных керамических кольцевых магнита. Мы же с вами сделаем игрушку, используя несколько стандартных неодимовых магнитов.

Как сделать левитрон с подставкой своими руками? В первую очередь, распечатайте на принтере макет, изображенный выше. Он нужен для разметки отверстий под установку магнитов. Обязательно проверьте размеры с помощью линейки. Затем вырежьте макет по квадратной разметке.

Шаг 2: Вырезаем деревянное основание

Вырежьте деревянную заготовку такого же размера, как и бумажный макет. Вы можете использовать для изготовления основания любой пиломатериал, но его толщина должна быть не менее 6 мм.

Шаг 3: Переносим макет на основание

Далее приклейте бумажный макет к деревянному блоку. С помощью сверла Форстнера диаметром 12 мм накерните центр в каждом круге. Это необходимо для последующего точного сверления отверстий.

Шаг 4: Сверлим отверстия

Пришло время сверлить отверстия. Чтобы получились качественные отверстия с плоским дном, для сверления используйте сверло Форстнера диаметром 12 мм. Установите на сверлильном станке глубину сверления так, чтобы дно отверстия находилось чуть ниже верхней поверхности блока. Нужно, чтобы магниты располагались как можно ближе к поверхности.

Во время сверления макет должен оставаться наклеенным на деревянный блок, чтобы сверление было более точным.

Шаг 5: Устанавливаем магниты

Отверстия просверлены. Пора вставлять магниты. Они должны быть обращены одним из полюсов вверх. Установим их северным полюсом вниз. Чтобы определить, где северная, а где южная стороны, используйте маркированный магнит D68PC-RB или другой способ.

Возьмите стопку марки N52 и вставьте по одному в каждое отверстие. Используйте что-нибудь для проталкивания их вглубь отверстий. Можете воспользоваться деревянным дюбелем.

Во время установки, поместите блок на стальную пластину, чтобы магниты удерживались на дне отверстий.

Убедитесь, что магниты располагаются как можно глубже в отверстиях Левитатора.

Шаг 6: Делаем волчок

Далее делаем волчок. Отрежьте карандаш длиной примерно 40 мм. У него должен быть заострен конец. Намотайте на карандаш изоленту, чтобы увеличить диаметр для установки внутрь кольцевого магнита.

Разместите кольцевой магнит на карандаше так, чтобы северный полюс был обращен вниз (в сторону острого конца карандаша). Для увеличения веса волчка, наденьте на него несколько пластмассовых шайб.

В последствии вам придется экспериментировать с весом и высотой центра тяжести волчка, чтобы он работал так, как надо. Для этого может потребоваться очень много времени.

Шаг 7: Тестируем

Отрежьте кусок пластика или картона, чтобы сделать платформу. Платформа укладывается поверх основания с магнитами. Волчок раскручивается на этой платформе, затем платформа с волчком поднимается, чтобы волчок попал в «магнитную яму».

Если вы сможете заставить волчок висеть, то вам крупно повезло. Чтобы волчок работал как следует, вам, возможно, придется потратить на это уйму времени.

Вот несколько советов, как можно отрегулировать работу устройства. Во-первых, нужно сбалансировать основание. Используйте картонные открытки или листки бумаги для заметок, чтобы поднять стороны основания и выровнять его.

Если волчок продолжает отклоняться в одну сторону, вам нужно будет поднять эту сторону. Здесь лучше использовать трехточечную систему нивелирования.

Вес волчка также является ключевым фактором. В устройстве есть некая «яма», то есть зона, магнитное поле в центре которой немного слабее, чем у краев. Чтобы волчок оставался в этой яме, вам нужно либо добавить ему вес, либо снизить его.

Если волчок сразу вылетает, то вам, вероятно, нужно добавить ему веса. Если волчок не отрывается от платформы, возможно, он слишком тяжелый.

Также нужно убедиться, что высота платформы выбрана правильно. Если волчок плохо вращается, попробуйте подложить бумажки или картонки под платформу.

Посмотрите видео, чтобы узнать, как это работает!

Шаг 8: Печать на 3D-принтере

Если у вас есть 3D-принтер, то распечатайте игрушку на нем. Вот ссылка на файлы в ThingiVerse.

Если желаете, можете прочитать статью о том, как работает левитирующий волчок.

Что такое магнитная левитация и как это возможно

Магнитная левитация — технология, метод подъёма объекта с помощью одного только магнитного поля. Магнитное давление используется для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений.

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.

Диамагнитная левитация

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.

Левитация магнита над сверхпроводником (эффект Мейснера)

Пластина из оксида иттрия-бария-меди охлаждается до температуры жидкого азота. В этих условиях пластина становится сверхпроводником. 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.

Левитация в условиях вихревых токов

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 неодимовый магнит роняют внутри медной трубы — магнитное поле индуцированных вихревых токов направлено противоположно магнитному полю магнита.

Ранее ЭлектроВести писали, что японская компания Lexus показала свой первый функционирующий прототип ховерборда – летающей доски для скейтбордистов.

По материалам: electrik.info.

Как моделировать устройства, основанные на электродинамической магнитной левитации

Электродинамическая магнитная левитация может возникнуть при наличии переменного магнитного поля в окрестности проводящего материала. В этой статье мы расскажем и покажем, как моделировать магнитную левитацию, на двух примерах: верификационной задаче TEAM про устройство, основанное электродинамической левитации и модели электродинамического колеса.

Что такое электродинамическая магнитная левитация?

Явление электродинамической магнитной левитации возникает, когда вращающийся и/или движущийся постоянный магнит либо катушка с током создают переменное магнитное поле близи проводника. Переменное магнитное поле наводит вихревые токи в проводнике, которые создают поле в противоположном направлении. Оно, в свою очередь, создаёт отталкивающую силу между проводящим материалом и источником магнитного поля. Этот процесс является основополагающим принципом действия всех магнитных левитирующих устройств.

Магнит, левитирующий над сверхпроводником. Изображение предоставлено Julien Bobroff. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 из Wikimedia Commons.

Анализ эталонной задачи на электродинамическую левитацию

Рассмотрим верификационную задачу №28, описанную в Testing Electromagnetic Analysis Methods (TEAM) (от общества Compumag) и посвященную расчету электромагнитного левитирующего устройства В данной задаче круглый алюминиевый проводящий диск расположен над двумя цилиндрическими, концентрическими катушками переменного тока, протекающего в противоположных направлениях. Поперечное сечение элементов задачи показано на рисунке ниже.

Поперечное сечение концентрических катушек и алюминиевого диска. Все размеры указаны в миллиметрах.

3D модель изображена ниже.

3D-модель электродинамического левитирующего устройства. На ней изображёны левитирующий диск и две концентрических катушки переменного тока, протекающего в противоположных направлениях.

Для моделирования такого устройства в программном обеспечении COMSOL Multiphysics® мы используем 2D осесимметричную геометрию. Будем использовать физический интерфейс Magnetic Fields (Магнитные поля), который доступен в модуле AC/DC и позволяет корректно описать переменные токи в катушках, а также наводимые вихревые токи. Концентрические катушки с протекающими в противоположных направлениях токами опишем с помощью двух отдельных узлов Coil (Катушка), выбрав в настройках Homogenized Multi-Turn Coil (Гомогенизированная многовитковая катушка). Электродинамическая сила, возникающая в алюминиевом диске, будет рассчитана с помощью узла Force Calculation (Расчёт силы), который вычисляет тензор напряжений Максвелла.

Динамика твёрдого тела задаётся обыкновенным дифференциальным уравнением (ОДУ, англ. ODE) в физическом интерфейсе Global ODEs and DAEs. ОДУ первого порядка, задающие положение и скорость имеют следующий вид:

\frac {dv}{dt}=\frac{F_{em}-F_{g}}{m_p}

\frac{du}{dt}=v

Так как электродинамическая сила изменяется в зависимости от расстояния между диском и катушками, наша модель должна учитывать динамику изменения положения диска. Для этого мы воспользуемся интерфейсом Moving Mesh (Подвижная сетка). Ниже на графике мы привели сравнение опорных данных, указанных в тесте TEAM, и результатов, полученных с помощью моделирования в COMSOL.

Сравнение результатов моделирования и данных TEAM на одном графике. Показана зависимость перемещения диска от времени.

Анимация перемещения диска над двумя концентрическими катушками в течении 0.6 с.

Моделирование электродинамического колеса в COMSOL Multiphysics®

Механические вращение источников магнитного поля, таких как радиально намагниченный ротор Халбаха, наводит вихревые токи в проводящем материале (например, алюминии). Они создают противоположно направленное магнитное поле, которое взаимодействует с источником магнитного поля и отталкивает его. Одновременно создаются подъемная сила и сила тяги. Такое устройство называется электродинамическим колесом (ЭДК).

На рисунке ниже показан принцип левитации ЭДК при высокоскоростном движении. Сила тяги или тормозящая сила зависят от относительной скорости скольжения, s_l, которая определяется, как разница между азимутальной v_c и поступательной v_x скоростями. Например, s_l = v_c — v_x, где v_c = ω_mr_o и ω_m = ω_eP. Где ω_m — это механическая угловая скорость, ω_e — электрическая угловая скорость, P — число пар полюсов ротора Халбаха.

Конструкция четырёхполюсного ЭДК, основанного на принципе магнитной левитации (maglev — маглева). На рисунке изображёны проводящий слой и вращающийся и/или перемещающийся ротор Халбаха.

Если азимутальная скорость больше, чем поступательная (скольжение положительно), то создаётся подъёмная сила. В противном случае создаётся тормозящая сила.

Используя физический интерфейс Rotating Machinery in 2D and 3D, Magnetic (Вращающиеся машины в 2D и 3D), мы можем учитывать оба этих движения в одной модели. Вращательное движение задаётся узлом Prescribed Rotational Velocity (Заданное вращательное движение). Поступательное движение ротора Халбаха задаётся в противоположном направлении узлом Velocity (Lorentz) (Скорость по Лоренцу). Постоянные магниты задаются узлами Ampère’s Law (Закон Ампера) с указанием остаточной магнитной индукцией B_r = 1.42[Тл]. Так как намагниченность создаётся в радиальном или азимутальном направлениях, для удобства выберем цилиндрическую систему координат.

В итоге, было выполнено моделирование переходного процесса для разных механических угловых скоростей ротора. На графиках ниже показаны зависимости подъёмной силы и силы тяги от времени. Две этих силы вычисляются различными способами: расчётом тензора напряжений Максвелла и методом Лоренца.

На графиках изображены зависимости подъёмной силы и силы тяги от времени. Синим цветом показан расчёт тензора напряжений Максвелла, зелёным — метод Лоренца.

На втором этапе проводилось стационарное исследование для различных поступательных скоростей. Тормозящая сила возникает при отсутствии вращения или если азимутальная скорость меньше, чем прямолинейная. Результаты моделирования подъёмной и тормозящей силы для различных скоростей показаны на графиках ниже.

Зависимости подъёмной и тормозящей силы от времени. Синим цветом показан расчёт тензора напряжений Максвелла, зелёным — метод Лоренца.

Анимация показывает поверхностный график распределения магнитного поля в воздухе и магнитах; плотность тока в проводящем слое; силовые линии векторного магнитного потенциала, A_z. Изображено вращение ротора по часовой стрелке и взаимодействие полей.

Выводы по моделированию электродинамической магнитной левитации

В данной статье мы показали, как моделировать два электродинамических магнитных устройства, используя модуль AC/DC пакета COMSOL Multiphysics. Мы разобрали верификационную задачу №28 от TEAM: Электродинамическое левитирующее устройство и сравнили результаты моделирования с данными эксперимента. Также мы постарались доступно объяснить принцип действия электродинамического колеса, основанного на явлении магнитной левитации. Наши результаты моделирования оказались довольно точными и полностью сошлись с экспериментальными результатами.

Дополнительные ресурсы

Узнайте больше о примерах, представленных в данной статье:
Ознакомьтесь с тем, как другие пользователи COMSOL Multiphysics решают подобные задачи
Следите за нашим блогом по проектированию Электромагнитных устройств
Захотелось заняться моделированием устройств, основанных на принципе магнитной левитации в COMSOL Multiphysics или у вас остались какие-либо вопросы по поводу данной статьи? Свяжитесь с нами

Магнитная левитация. Виды и работа. Применение и особенности

Магнитная левитация – это технология, позволяющая поднимать объекты в воздух с помощью магнитного поля. Само слово «левитация» происходит от английского «levitate», которое можно перевести как «парить» или «подниматься в воздух». Фактически, данное физическое явление позволяет преодолеть гравитацию без применения реактивной тяги или аэродинамики, как это осуществляется самолетами, вертолетами и дронами.

Почему происходит магнитная левитация

С физической точки зрения левитация является устойчивым положением объекта в гравитационном поле. Фактически, сила тяжести компенсируется с силами воздействующими на предмет, которые его поднимают. В определенной точке данные силы уравниваются, благодаря чему объекты зависают. То понятие, которое укладывается в слово «левитация» в чистом виде недостижимо, что давно является доказанным фактом. На деле парение объекта достигается только путем воздействия на него магнитного поля. При этом сам предмет, который зависает в воздухе, не обладает свойствами парить без внешнего воздействия. Он не сможет делать это абсолютно в любых условиях и на разной высоте.

Условия, которые необходимо обеспечить, чтобы осуществить магнитную левитацию, могут отличаться. Существует несколько технологий, которые позволяют добиться эффекта парения:

Электромагнитная.
Диамагнитная.
Сверхпроводниковая.
Вихретоковая.

Электромагнитная

Данная технология подъема объекта над поверхностью подразумевает применение . Он располагается в нижней части устройства. На него укладываются легкие металлические предметы. Над электромагнитом с помощью стойки закрепляется фотоэлемент. Задача последнего заключается в подачи и прерывания питания на электрический магнит. Если фотоэлемент улавливает тень, то он включает или отключает питание, что зависит от места его расположения. Это происходит с периодичностью в доли секунды.

Принцип работы данной технологии подразумевает создание кратковременного воздействия электромагнитного поля на металлический объект. Катушка его подталкивает, после чего отключается, и предмет начинает падать вниз. Сразу же катушка снова создает электромагнитное поле поднимающее объект, и он взлетает. Цикличное воздействие необходимо для того, чтобы обеспечить возможность контроля местоположения парящего предмета. Дело в том, что постоянное электромагнитное поле смещает объект, пока он не выйдет из зоны воздействия и не упадет под влиянием силы притяжения. Если же циклично включать и отключать поле, то предмет будет просто подскакивать, фактически не удаляясь от точки нахождения.

При взгляде со стороны благодаря высокой частоте подачи и отключения электромагнитного воздействия, парящий предмет выглядит практически неподвижным. Это создает впечатление его реальной левитации. Данная технология является весьма популярной при производстве сувениров. Примером ее реализации является летающий глобус. Недостаток данного способа заключается в определенной сложности запуска устройства. Необходимо закрыть фотодатчик, приподнять предмет для левитации, после чего открыть систему фотодатчика. Далее он возьмет контроль удержания предмета на себя. В том случае, если произойдут перебои с электричеством и объект упадет, то после подачи питания он уже не взлетит без вмешательства человека.

Диамагнитная

Для реализации данной технологии применяются диамагнетики. Эти вещества намагничиваются против внешнего магнитного поля. Отдельные материалы могут полностью вытеснять свое магнитное поле. Примером такого вещества является графит. Довольно известным экспериментом является магнитная левитация стержня из обычного карандаша. Он зависает над неодимовыми магнитами. Для этого их необходимо расставить в шахматном порядке поворачивая разными полюсами к верху. При таких условиях стержень не будет вытолкнут за пределы площадки, поэтому останется левитировать постоянно. Неодимовые магниты имеют более стабильное поле, поэтому если созданная поверхность в шахматном порядке будет иметь достаточную площадь, касательно длины графитового стержня, то тот зависнет неподвижно.

Живые существа тоже обладают свойствами диамагнетиков, поэтому под воздействием магнитного поля с высокой индукцией также могут парить. Примером этого является научный эксперимент с летающей лягушкой. Для некрупного земноводного достаточно создать индукцию больше 16 Тл, и лягушка начинает парить в воздухе на небольшой высоте.

Сверхпроводниковая

Магнитная левитация по данной технологии также известна как метод Мейснера. Эффект парения достигается путем размещения магнита над сверхпроводником. В его качестве применяется оксид иттрия-бария-меди. Данное вещество приобретает способность сверхпроводника при снижении его температуры. Для этого необходимо обеспечение его контакт с жидким азотом.

Эксперимент по левитации подразумевает помещение пластины в ванночку с жидким азотом. Оксид иттрия-бария-меди практически мгновенно охлаждается. Если над ним поместить магнит, то тот начнет левитировать. Высота между магнитом и сверхпроводником напрямую зависят от силы индукции. Чем она выше, тем на большем расстоянии окажется магнит. Предмет как бы всплывает над сверхпроводником и весьма устойчиво парит до момента, пока пластина не остынет, потеряв свои свойства.

Вихретоковая магнитная левитация

Еще одним способом создания магнитной левитации является использование вихревых токов и массивных проводников. Катушка, выдающая вихревой ток может левитировать над замкнутым кольцом из цветного металла. Аналогичная ситуация наблюдается и с дисками из данного металла, уложенными над большими катушками.

Это обусловлено тем, что по закону Ленца индексируемый в данном случае цветной металл будет создавать магнитное поле противоположное от того, что на него воздействует. Иными словами, в каждый период колебания переменного тока в катушке будет создаваться противоположное по направлению магнитное поле. Поскольку они отталкивают друг друга, то более легкий предмет будет левитировать над тяжелым.

Еще одним примером вихревой левитации является пропускание неодимового магнита через толстостенную медную трубу. В этом случае постоянное парение не происходит, но магнит замедляется. Его падение сквозь трубу напоминает замедленную съемку или погружение в густую жидкость.

Масштабные применение эффекта парения

Магнитная левитация нашла свое применение не только при создании сувениров. Одним из самых масштабных способов использования данной технологии является современный железнодорожный транспорт на магнитной подушке. Такой поезд двигается очень тихо, поскольку не имеет колес, которые создают трение и стук. Как следствие самый известный проект такого транспорта, который был построен в Японии, смог развить скорость в 581 км/час. Единственный в мире поезд, который работает по данной технологии на постоянном маршруте, располагается в Шанхае. Он соединяет метро и аэропорт. Поезд позволяет преодолевать расстояние в 30 км между конечными станциями приблизительно за 7 минут.

Левитация для маглов — Блоги — Эхо Москвы, 01.03.2021

Чтобы заставить предмет левитировать, нужно сделать две вещи. Во-первых, создать силу, направленную вертикально вверх, чтобы он не упал под действием земного тяготения. Во-вторых, надо позаботиться о том, чтобы зависший в воздухе предмет находился в устойчивом равновесии — то есть самостоятельно возвращался в свое первоначальное положение после того, как его покой потревожат. Иными словами, помимо поддерживающей силы нужна еще и возвращающая. Разумеется, природа обеих сил не должна быть механической — иначе вся левитация свелась к бы к тому, чтобы положить предмет на твердую опору или подвесить его.