Levitazione elettromagnetica
Può un magnete levitare o galleggiare sopra un altro magnete? Perché no – sembra che dovrebbe funzionare!
Sfortunatamente, non si può far galleggiare magicamente un magnete in aria sopra un altro magnete. Almeno, questo è vero se stai usando solo un paio di magneti forti. Nel nostro articolo Magnet Basics, abbiamo menzionato il teorema di Earnshaw, una prova risalente al 1800 che dimostra che non funziona, non importa quanti magneti si aggiungono al sistema.
Ma cosa succede se i magneti hanno la forma di una ciotola? O si aggiunge un altro magnete sul lato? No. Earnshaw.
Esaminiamo un sistema che in qualche modo aggira il vecchio Earnshaw, e riesce a mantenere un magnete che galleggia stabilmente in aria. Può persino reggere una piccola quantità di peso!
Aspettate – le cose si complicano da qui.
Prima di tutto, vediamolo in azione!
Prodotti basati su questo sistema
Abbiamo visto una serie di prodotti che usano questo sistema. Queste cose sembrano catturare l’attenzione dei social media. Abbiamo visto globi levitanti, dove la terra levita nell’aria in qualche modo.
Abbiamo anche visto la stessa tecnica usata per far levitare un piccolo albero bonsai! Che figata.
Come funziona? Ripartiamo passo dopo passo.
Inizio semplice
L’idea di base è quella di far galleggiare un magnete sostenendolo con la forza di repulsione di un altro magnete. I magneti possono respingersi a vicenda con abbastanza forza. Avere abbastanza forza per farlo levitare non è il problema.
Il problema è che questa configurazione non è stabile. Il magnete galleggiante tende a ruotare, capovolgendosi per attrarre l’altro magnete.
Questo è vero anche se si allinea una ciotola con un mucchio di magneti, perché Earnshaw.
Stabilità, stile ingegneristico
Prendiamoci un momento per definire cosa intendiamo per stabilità. Un sistema stabile è qualcosa che è bilanciato, ma che tende anche a tornare alla posizione centrata ed equilibrata se lo si urta un po’.
Come esempio, consideriamo un lungo bastone o un palo, tenuto dall’alto. È stabile e pende dritto verso il basso. Se spingiamo la parte inferiore da una posizione dritta verso il basso, la gravità tenderà a tirarla indietro nella posizione stabile.
Certo, potrebbe non scattare in posizione alla prima oscillazione. Dondolerà avanti e indietro per un po’, con oscillazioni successivamente più brevi man mano che si stabilizza. Alla fine tende a tornare indietro.
Un sistema instabile è qualcosa che può essere bilanciato, ma se si sbilancia, tende a diventare più sbilanciato. Considerate la possibilità di tenere lo stesso bastone con la mano piatta in basso. È possibile bilanciarlo, ma quando il bastone si sbilancia, tende a cadere più sbilanciato.
Si può tenere un bastone così, ma solo regolando costantemente la posizione della mano per mantenerlo in equilibrio. Si guarda e si sente da che parte sta cadendo, si reagisce muovendo la mano per contrastarlo. Si guarda e si reagisce, ripetendo continuamente. È interessante notare che la configurazione del magnete levitante funziona più o meno allo stesso modo.
Elettromagneti, sensori, feedback e controllo
Torniamo a far levitare un magnete. Come fa questo dispositivo a tenerlo fermo?
Oltre ai magneti respingenti, questo levitatore ha quattro elettromagneti. Se il magnete galleggiante si inclina in una direzione, può rapidamente attivare un elettromagnete per respingerlo di nuovo nella posizione centrata. Se il sistema può reagire abbastanza rapidamente, gli elettromagneti possono essere accesi e spenti come necessario per mantenere il magnete stabile. La cosa bella degli elettromagneti è che vengono fatti funzionare con una corrente attraverso il filo. Se sai come accendere e spegnere le cose con l’elettronica, hai un mezzo per controllare l’elettromagnete rapidamente e con precisione.
Questo sistema non viola il teorema di Earnshaw perché non sta usando un certo numero di magneti permanenti (sempre accesi) per tenere su il magnete galleggiante. Ha magneti controllati attivamente che si accendono e si spengono, rispondendo al disallineamento e correggendo l’instabilità.
Magneti temporanei
Prima di tutto, diamo un’occhiata da vicino alla strana configurazione usata nella base di questa cosa. Con la corrente spenta, dove sono i magneti e da che parte sono rivolti? Ci sono tre posti diversi dove dovremmo guardare la direzione di magnetizzazione:
- Vediamo una serie di magneti disposti ad anello intorno all’esterno. Sono tutti orientati con i loro poli sud rivolti verso l’alto.
- C’è un singolo magnete a disco sul fondo del magnete galleggiante, orientato con il suo polo nord rivolto verso il basso.
- Ci sono quattro elettromagneti, bobine di filo isolato avvolte intorno ad alberi di acciaio. A causa del campo del vicino anello di magneti, questi nuclei di acciaio sono temporaneamente magnetizzati, agendo come magneti con i loro poli nord rivolti verso l’alto.
Aspettate, cosa succede nell’ultima parte? Non sono magneti ma lo sono?
L’acciaio o il ferro possono agire come un magnete temporaneo. Quando un campo magnetico viene applicato ad esso (attaccare un magnete ad esso o vicino ad esso), il campo si incanala attraverso l’acciaio, facendo agire l’acciaio come un magnete (fino a quando quel magnete è lì). Questo è come il trucco della stringa di graffette, dove una graffetta con un magnete attaccato ad essa può raccogliere un’altra graffetta, perché si comporta come un magnete. Possiamo guardare la graffetta d’acciaio e dire che ha un polo nord e uno sud.
Un bullone d’acciaio si comporta come un magnete quando un magnete al neodimio lo tocca. Un bullone d’acciaio può anche agire come un magnete semplicemente avendo un magnete al neodimio vicino. Questo è quello che succede in questo dispositivo. Quei nuclei d’acciaio agiscono come magneti con i loro poli nord rivolti verso l’alto, respingendo il polo nord del magnete galleggiante.
Quando sono accesi, gli elettromagneti possono aggiungere la forza di quei magneti come necessario.
Il sistema non è stabile da solo. Se si cerca di bilanciare il magnete galleggiante senza accendere il dispositivo, scatta rapidamente di lato.
Perché è stata scelta una configurazione così apparentemente complessa per questo progetto? Bella domanda. Pensiamo che potrebbe avere qualcosa a che fare con la creazione di un’area più ampia dove il magnete galleggiante può essere quasi stabile, posto nella “ciotola” del campo magnetico che va dai poli nord al centro, su e giù nei poli sud all’esterno.
Sensori
Per controllare correttamente gli elettromagneti, il dispositivo ha bisogno di un modo per rilevare con precisione la posizione del magnete galleggiante. Ha bisogno di notare il più piccolo cambiamento di posizione in modo da poter reagire rapidamente.
In questo dispositivo, vengono utilizzati tre sensori raziometrici a effetto Hall. In un precedente articolo sui sensori a effetto Hall, abbiamo visto dei semplici dispositivi che sono essenzialmente degli interruttori on/off. Se “vedono” un campo magnetico che è sopra una certa forza, si accendono.
I sensori raziometrici usati qui sono diversi. Invece di un sensore che si accende o si spegne ad una certa intensità di campo, i piccoli chip forniscono una tensione che varia con la forza del campo magnetico che vede. Se il campo magnetico diventa più forte, la tensione sale. Sono ottimi per rilevare piccoli cambiamenti nella forza del campo magnetico.
Ci sono tre di questi sensori situati al centro del dispositivo. Sono orientati per percepire il campo magnetico in ogni direzione: su e giù, sinistra e destra, avanti e indietro. Armati di un po’ di conoscenza magnetica, le letture di questi tre sensori forniscono abbastanza informazioni sull’altezza e la posizione del magnete galleggiante.
Quando il magnete galleggiante si rovescia di lato, il sistema può rilevarlo da questi input e accendere l’elettromagnete destro per dargli una spinta correttiva.
Controllo
Questo dispositivo ha tre sensori e quattro elettromagneti controllati separatamente. Diamo un’occhiata solo ad una piccola parte del sistema per avere un’idea di quello che sta succedendo. Abbiamo collegato un oscilloscopio a due punti interessanti:
- La tensione in uscita da uno dei sensori che punta lateralmente (non il sensore up-down), e
- La tensione su una delle bobine (in quella stessa direzione).
Il segnale del sensore, mostrato in giallo, è molto rumoroso. Ignorate il rumore, però, e guardate solo il livello complessivo di tensione. Abbiamo visto che diventa più alto o più basso a seconda della posizione del magnete. Si trova intorno a 1,75 volt, ma cambia di poco quando premiamo sul magnete. I cambiamenti sono solo pochi millivolt, anche quando stiamo spingendo drasticamente il magnete.
Il segnale blu mostra la tensione ad una delle bobine dell’elettromagnete. Va fino a circa 2,5 V e torna a zero. O è acceso o è spento. Si accende ogni 1/100.000 di secondo.
Piuttosto che regolare la forza, il circuito di controllo varia quanto tempo lascia la bobina accesa durante quel 1/100.000 di secondo. Se non ha bisogno di molta spinta, rimane accesa forse il 5% del tempo. Quando tocchiamo il magnete galleggiante, rimane acceso più a lungo. Potete vederlo nell’ampiezza del segnale di up-time.
Questo controllo dell’elettromagnete si accende e si spegne a 100 kHz. Questo è 100 kiloHertz, o 100.000 volte al secondo. È davvero veloce!
Abbiamo sperato di agganciare questo segnale ad un altoparlante per permetterci di sentirlo come suono. Sarebbe bello sentire quel feedback audio interattivo. Purtroppo, 100 kHz è molto al di sopra della frequenza più alta che gli umani possono sentire. È anche al di sopra della capacità di un cane di sentirla! Dovremmo o sottocampionare il segnale, o chiedere ad alcuni delfini cosa ne pensano.
Questo è uno sguardo ad un solo sensore e uno dei quattro elettromagneti. Gli altri tre stanno lavorando in modo simile per contrastare le inclinazioni nelle altre direzioni.
Oltre ad usare i quattro elettromagneti individualmente per evitare che il magnete galleggiante si ribalti in qualsiasi direzione, l’intero sistema deve anche controllare il livello complessivo del segnale a tutti e quattro gli elettromagneti. Questo influenzerà l’altezza del magnete galleggiante sopra la base.
Conclusioni
Ci siamo divertiti molto a cercare di capire come funziona questo dispositivo. Più abbiamo capito, più abbiamo trovato interi argomenti che non avevamo nemmeno considerato. Per esempio:
- Il sistema è sensibile al peso del magnete galleggiante. Se è troppo leggero, non funziona bene. Ha bisogno di un certo peso minimo per il modo in cui è impostato.
- C’è una rondella di acciaio sopra il sottile magnete galleggiante. Questo ovviamente fornisce una zavorra, ma ha anche un effetto reale sulla forma del campo magnetico. In alcuni test, abbiamo scoperto che non potevamo ottenere un magnete per galleggiare senza questo disco d’acciaio in cima, appiattendo il campo. Perché questa disposizione funziona così bene? Perché non solo un magnete con una zavorra non ferrosa?
Abbiamo spesso cercato di spiegare quanto possa essere complicata la levitazione magnetica, non avevamo idea di quanto fosse coinvolta! Un sistema molto più semplice
Abbiamo un kit di levitazione che abbiamo acquistato anni fa che ha un setup molto più semplice. Controlla il kit di levitazione magnetica ART TEC di Guy Marsden.
Questa configurazione capovolge il sistema, rendendo le cose molto più semplici. Ha un singolo elettromagnete posizionato sopra il magnete galleggiante. L’elettromagnete si accende e si spegne per controllare la posizione verticale del magnete.
Siccome il magnete è “appeso” sotto, tende ad essere naturalmente stabile da un lato all’altro. Come un lungo palo appeso in basso, si ottiene una stabilità naturale in questa configurazione. Il sistema non deve fare nulla di strano per controllare il movimento laterale.
Abbiamo collegato anche questo all’oscilloscopio e abbiamo trovato uno schema di controllo diverso. Invece di accendere e spegnere l’elettromagnete a intervalli fissi, si accende e si spegne secondo necessità, reagendo alla misura del sensore. Quando il magnete inizia a diventare troppo basso, si accende per tirarlo su. Quando il magnete comincia a diventare troppo alto, si spegne.
La frequenza di questa accensione e spegnimento varia a seconda di ciò che dice il sensore. Abbiamo scoperto che la frequenza cambiava man mano che provavamo ad appendere magneti diversi e/o pesi diversi.
Quando si vedono prodotti elettronici che fanno levitare qualcosa usando una di queste due configurazioni di base, di solito si può capire quale sia. Se c’è qualcosa sopra l’oggetto che galleggia, è questo secondo sistema più semplice. Se non c’è niente sopra il galleggiante, è il primo.