- Sähkömagneettinen leijuminen
- Katsotaan sitä ensin toiminnassa!
- Tuotteista, jotka perustuvat tähän järjestelmään
- Aloitetaan yksinkertaisesti
- Vakaus, insinöörityylinen
- Elektromagneetit, anturit, takaisinkytkentä ja ohjaus
- Väliaikaiset magneetit
- Sensorit
- Hallinta
- Johtopäätökset
- Lisäys: Paljon yksinkertaisempi järjestelmä
Sähkömagneettinen leijuminen
Kykeneekö magneetti leijumaan toisen magneetin yllä? Miksei – näyttää siltä, että sen pitäisi toimia!
Pahaksi on, että magneettia ei voi saada taikomalla leijumaan ilmassa toisen magneetin yläpuolella. Ainakin se on totta, jos käytät vain paria vahvaa magneettia. Magneetin perusteet -artikkelissamme mainitsimme Earnshaw’n teoreeman, 1800-luvulta peräisin olevan todisteen, joka todistaa, että se ei toimi riippumatta siitä, kuinka monta magneettia lisäät järjestelmään.
Mutta entä jos magneetit ovat kulhon muotoisia? Tai toinen magneetti lisätään sivulle? Ei. Earnshaw.
Tarkastellaan systeemiä, joka jotenkin kiertää vanhan Earnshaw’n ja onnistuu pitämään magneetin tasaisesti ilmassa leijumassa. Se voi jopa pitää sisällään pienen määrän painoa!
Kiinni – tästä eteenpäin asiat muuttuvat monimutkaisemmiksi.
Katsotaan sitä ensin toiminnassa!
Tuotteista, jotka perustuvat tähän järjestelmään
Olemme nähneet useita tuotteita, jotka hyödyntävät tätä järjestelmää. Nämä asiat tuntuvat kiinnittävän huomiota sosiaalisessa mediassa. Olemme nähneet leijuvia maapalloja, joissa maa leijuu jotenkin ilmassa.
Olemme jopa nähneet samaa tekniikkaa käytetyn pienen bonsaipuun leijuttamiseen! Niin siistiä.
Miten se toimii? Puretaan se vaihe vaiheelta.
Aloitetaan yksinkertaisesti
Perusidea on saada magneetti leijumaan pitämällä se ylhäällä toista magneettia hylkivän voiman avulla. Magneetit voivat hylkiä toisiaan riittävällä voimalla. Riittävä voima sen leijuttamiseen ei ole ongelma.
Ongelma on, että tämä asetelma ei ole vakaa. Leijuvalla magneetilla on taipumus pyöriä ympäri ja kääntää itseään vetääkseen puoleensa toista magneettia.
Tämä pätee, vaikka vuoraat kulhon joukolla magneetteja, koska Earnshaw.
Vakaus, insinöörityylinen
Määritelläänpä hetki, mitä tarkoitamme vakaudella. Vakaa systeemi on jotain, joka on tasapainossa, mutta jolla on myös taipumus palata takaisin keskitettyyn, tasapainoiseen asentoon, jos sitä vähänkin töytäisee.
Esimerkiksi ajatellaan pitkää keppiä tai sauvaa, jota pidetään ylhäältä päin. Se on vakaa roikkuen suoraan alaspäin. Jos työnnämme alhaalta pois suorasta alaspäin olevasta asennosta, painovoima pyrkii vetämään sen takaisin vakaaseen asentoon.
Totta kai, se ei välttämättä napsahda paikalleen ensimmäisellä heilautuksella. Se heiluu vähän aikaa edestakaisin, ja heilahdukset lyhenevät peräkkäin, kun se asettuu paikoilleen. Sillä on taipumus palata lopulta takaisin.
Epävakaa systeemi on sellainen, joka voi olla tasapainossa, mutta jos se joutuu epätasapainoon, sillä on taipumus muuttua epätasapainoisemmaksi. Miettikääpäs, että pidätte samaa keppiä kädellä, jota pidätte alhaalla litteänä. Se on mahdollista tasapainottaa, mutta kun keppi kallistuu epätasapainosta, sillä on taipumus pudota enemmän epätasapainosta.
Voit pitää keppiä näin, mutta vain säätämällä jatkuvasti käden asentoa, jotta se pysyy tasapainossa. Katsot ja tunnet mihin suuntaan se putoaa, reagoit liikuttamalla kättäsi vastapainoksi. Katsot ja reagoit, toistetaan jatkuvasti. Mielenkiintoista kyllä, leijuva magneettiasetelma toimii pitkälti samalla tavalla.
Elektromagneetit, anturit, takaisinkytkentä ja ohjaus
Palaamme vielä magneetin leijumiseen. Miten tämä laite pitää sen paikoillaan?
Tämässä leijuttajassa on hylkivien magneettien lisäksi neljä sähkömagneettia. Jos leijuva magneetti kallistuu johonkin suuntaan, se voi nopeasti kytkeä päälle sähkömagneetin, joka hylkii sen takaisin keskiasentoon. Jos järjestelmä pystyy reagoimaan riittävän nopeasti, sähkömagneetit voidaan kytkeä päälle ja pois tarpeen mukaan magneetin pitämiseksi vakaana. Sähkömagneeteissa on se hyvä puoli, että niitä käytetään johtimen läpi kulkevalla virralla. Jos osaat kytkeä asioita päälle ja pois elektroniikan avulla, sinulla on keino ohjata sähkömagneettia nopeasti ja tarkasti.
Tämä järjestelmä ei riko Earnshaw’n teoreemaa, koska siinä ei käytetä jotain määrää kestomagneetteja (jotka ovat aina päällä) pitämään kelluvaa magneettia pystyssä. Siinä on aktiivisesti ohjatut magneetit, jotka kytkeytyvät päälle ja pois päältä, reagoivat väärään kohdistukseen ja korjaavat epävakauden.
Väliaikaiset magneetit
Katsotaan ensin tarkemmin tämän jutun pohjassa käytettyä outoa asetelmaa. Kun virta on kytketty pois päältä, missä magneetit ovat ja mihin suuntaan ne ovat suunnattu? Magneettisuuden suuntaa kannattaa tarkastella kolmesta eri kohdasta:
- Näemme sarjan magneetteja, jotka on järjestetty renkaaseen ulkokehän ympärille. Ne kaikki on suunnattu etelänavat ylöspäin.
- Liikkuvan magneetin pohjassa on yksi kiekkomagneetti, joka on suunnattu pohjoisnapa alaspäin.
- Tässä on neljä sähkömagneettia, teräsakselien ympärille kiedottuja eristetyn langan keloja. Läheisen magneettirenkaan kentän vaikutuksesta nämä teräsakselit magnetoituvat väliaikaisesti ja toimivat kuin magneetit, joiden pohjoisnavat ovat ylöspäin.
Wait, mitä tuossa viimeisessä osassa tapahtuu? Ne eivät ole magneetteja, mutta ne ovat?
Teräs tai rauta voi toimia tilapäisenä magneetina. Kun siihen kohdistetaan magneettikenttä (liimataan magneetti siihen tai sen lähelle), kenttä kanavoituu teräksen läpi, jolloin teräs toimii kuin magneetti (niin kauan kuin magneetti on siellä). Tämä on kuin paperiliittimien ketjutemppu, jossa paperiliitin, johon on liimattu magneetti, voi poimia toisen paperiliittimen, koska se toimii kuin magneetti. Voimme tarkastella teräksistä paperiliitintä ja sanoa, että sillä on pohjois- ja etelänapa.
Teräspultti toimii magneetin tavoin, kun siihen kosketetaan neodyymimagneettia. Teräspultti voi toimia magneetin tavoin myös pelkästään sillä, että sen lähellä on neodyymimagneetti. Niin tässä laitteessa tapahtuu. Nuo teräsytimet toimivat kuin magneetit, joiden pohjoisnavat osoittavat ylöspäin ja hylkivät kelluvan magneetin pohjoisnapaa.
Kun sähkömagneetit kytketään päälle, ne voivat lisätä noiden magneettien voimakkuutta tarpeen mukaan.
Systeemi ei ole vakaa itsestään. Jos yrität tasapainottaa kelluvaa magneettia ilman virran kytkemistä laitteeseen, se napsahtaa nopeasti sivuun.
Miksi tähän suunnitteluun valittiin näin monimutkaiselta vaikuttava kokoonpano? Hyvä kysymys. Uskomme, että sillä saattaa olla jotain tekemistä sen kanssa, että saadaan aikaan laajempi alue, jossa kelluva magneetti voi olla lähes vakaa, asetettuna magneettikentän ”kulhoon”, joka kulkee pohjoisnavoista keskellä, ylös yli ja alas etelänavoihin ulkopuolella.
Sensorit
Voidakseen ohjata sähkömagneetteja kunnolla laite tarvitsee keinon, jolla se voi tarkasti aistia kelluvan magneetin sijainnin. Sen on havaittava pienikin aseman muutos, jotta se voi reagoida nopeasti.
Tässä laitteessa käytetään kolmea ratiometristä Hall-efektianturia. Edellisessä Hall-efektiantureita käsittelevässä artikkelissa tarkastelimme yksinkertaisia laitteita, jotka ovat pohjimmiltaan on/off-kytkimiä. Jos ne ”näkevät” tietyn voimakkuuden ylittävän magneettikentän, ne kytkeytyvät päälle.
Tässä käytetyt ratiometriset anturit ovat erilaisia. Sen sijaan, että anturi kytkeytyisi päälle tai pois tietyllä kentän voimakkuudella, pienet sirut syöttävät jännitteen, joka vaihtelee sen näkemän magneettikentän voimakkuuden mukaan. Jos magneettikenttä vahvistuu, jännite nousee. Ne soveltuvat erinomaisesti magneettikentän voimakkuuden pienten muutosten havaitsemiseen.
Näitä antureita on kolme ja ne sijaitsevat laitteen keskellä. Ne on suunnattu aistimaan magneettikenttää joka suuntaan: ylös ja alas, vasemmalle ja oikealle, eteen ja taakse. Hieman magneettitietämyksellä varustettuna näiden kolmen anturin lukemat antavat riittävästi tietoa kelluvan magneetin korkeudesta ja sijainnista.
Kun kelluva magneetti kallistuu sivulle, järjestelmä voi aistia sen näistä tuloista ja kytkeä päälle oikean sähkömagneetin antaakseen sille korjaavan sysäyksen.
Hallinta
Tässä laitteessa on kolme anturia ja neljä erikseen ohjattavaa sähkömagneettia. Vilkaistaanpa vain pientä osaa järjestelmästä, jotta saamme käsityksen siitä, mitä on tekeillä. Kytkimme oskilloskoopin kahteen mielenkiintoiseen pisteeseen:
- Jännite, joka lähtee yhdestä sivusuunnassa osoittavasta anturista (ei ylhäältä alaspäin osoittavasta anturista), ja
- Jännite, joka kohdistuu yhteen käämeistä (samassa suunnassa).
Keltaisella näkyvä anturisignaali on hyvin kohinainen. Jätä kohina kuitenkin huomiotta ja katso vain yleistä jännitetasoa. Näimme, että se nousee tai laskee magneetin asennosta riippuen. Se on noin 1,75 volttia, mutta muuttuu pienen vähän, kun painamme magneettia. Muutokset ovat vain muutaman millivoltin suuruisia, vaikka painaisimme magneettia rajusti ympäriinsä.
Sininen signaali näyttää yhden sähkömagneettikelan jännitteen. Se nousee noin 2,5 V:iin ja palaa takaisin nollaan. Se on joko päällä tai pois päältä. Se kytkeytyy päälle 1/100 000 sekunnin välein.
Säätöpiiri ei säädä voimakkuutta, vaan vaihtelee sitä, kuinka kauan käämi on päällä tuon 1/100 000 sekunnin aikana. Jos se ei tarvitse paljon työntöä, se on päällä ehkä 5% ajasta. Kun kosketamme kelluvaa magneettia, se on päällä pidempään. Voit nähdä tämän nousuaikasignaalin leveydestä.
Tämä sähkömagneetin ohjaus kääntyy päälle ja pois 100 kHz:n taajuudella. Se on 100 kilohertsiä eli 100 000 kertaa sekunnissa. Se on todella nopeaa!
Olimme toivoneet voivamme kytkeä tämän signaalin kaiuttimeen, jotta voisimme kuulla sen äänenä. Olisi siistiä kuulla tuo interaktiivinen äänipalaute. Valitettavasti 100 kHz on paljon yli korkeimman taajuuden, jonka ihminen voi kuulla. Se on jopa yli koiran kyvyn kuulla sitä! Meidän täytyisi joko pienentää signaalin näytteenottoa tai kysyä delfiineiltä, mitä mieltä ne ovat siitä.
Tässä näkyy vain yksi anturi ja yksi neljästä sähkömagneetista. Muut kolme toimivat samalla tavalla torjuakseen kallistuksia muihin suuntiin.
Sen lisäksi, että neljää sähkömagneettia käytetään yksitellen estämään kelluvaa magneettia kallistumasta mihinkään suuntaan, koko järjestelmän on myös hallittava kokonaissignaalin tasoa kaikkiin neljään sähkömagneettiin. Se vaikuttaa kelluvan magneetin korkeuteen alustan yläpuolella.
Johtopäätökset
Meillä on ollut hauskaa yrittää selvittää, miten tämä laite toimii. Mitä enemmän selvitimme, sitä enemmän löysimme kokonaisia aiheita, joita emme olleet edes ajatelleet. Esimerkiksi:
- Systeemi on herkkä kelluvan magneetin painolle. Jos se on liian kevyt, se ei toimi hyvin. Se tarvitsee jonkinlaisen minimipainon, jotta se voidaan asentaa.
- Ohuen kelluvan magneetin yläpuolella on teräsaluslevy. Tämä tarjoaa ilmeisesti painolastia, mutta sillä on myös todellinen vaikutus magneettikentän muotoon. Joissakin testeissä huomasimme, ettemme saaneet magneettia kellumaan ilman tätä teräslevyä päällä, joka litistää kenttää. Miksi tämä järjestely toimii niin hyvin? Miksei vain magneetti, jossa on ei-rautapainolastia?
Olemme usein yrittäneet selittää, kuinka monimutkaista magneettinen leijuminen voi olla, meillä ei ollut aavistustakaan, kuinka paljon enemmän siihen liittyy!
Lisäys: Paljon yksinkertaisempi järjestelmä
Meillä on vuosia sitten hankkimamme leijutussarja, jossa on paljon yksinkertaisempi kokoonpano. Tutustu Guy Marsdenin kirjoittamaan ART TEC Magnetic Levitation Kit:iin.
Tämä asetelma kääntää järjestelmän ylösalaisin, mikä tekee asioista paljon helpompia. Siinä on yksi sähkömagneetti, joka on sijoitettu kelluvan magneetin yläpuolelle. Sähkömagneetti kääntyy päälle ja pois päältä ohjatakseen magneetin pystysuoraa asentoa.
Koska magneetti ”roikkuu” alhaalla, se on yleensä luonnostaan vakaa puolelta toiselle. Kuten alaspäin roikkuva pitkä napa, saat luonnollista vakautta tässä kokoonpanossa. Järjestelmän ei tarvitse tehdä mitään hienoa hallitakseen sivuttaisliikettä.
Kytkimme tämänkin oskilloskooppiin ja löysimme erilaisen ohjausjärjestelmän. Sen sijaan, että sähkömagneetti kytkettäisiin päälle ja pois kiintein väliajoin, se kytkeytyy päälle ja pois tarpeen mukaan reagoiden anturin mittaukseen. Kun magneetti alkaa laskea liian alas, se kytkeytyy päälle ja vetää sen ylös. Kun magneetti alkaa nousta liian korkealle, se kytkeytyy pois päältä.
Tämän päälle- ja pois-kytkennän taajuus vaihtelee sen mukaan, mitä anturi sanoo. Huomasimme, että taajuus muuttui, kun kokeilimme ripustaa siihen erilaisia magneetteja ja/tai erilaisia painoja.
Kun näet elektronisia tuotteita, jotka leijuttavat jotakin käyttämällä jompaakumpaa näistä kahdesta perusasetelmasta, voit yleensä päätellä, kummasta on kyse. Jos leijuvan esineen yläpuolella on jotain, se on tämä toinen, yksinkertaisempi järjestelmä. Jos leijuvan kohteen yläpuolella ei ole mitään, kyseessä on ensimmäinen järjestelmä.