Electromagnetic Levitation
磁石は他の磁石より浮いたりすることができるのでしょうか？
悲しいことに、磁石を別の磁石の上に魔法のように空中に浮かせることはできないのです。 少なくとも、2つの強力な磁石を使った場合はそうです。 磁石の基礎知識で、アーンショーの定理という1800年代の証明を紹介しましたが、これは磁石をいくつ増やしてもうまくいかないことを証明しています
でも、磁石がお椀のような形をしていたらどうでしょうか。 あるいは横にもう一つ磁石が加えられていたら？ いや、そうではない。 アーンショー
では、このアーンショーを回避して、磁石を空中に安定に浮かせておくシステムを考えてみましょう。
待ってください、ここから先はもっと複雑です。
まずは、実際に見てみましょう！
このシステムを使った製品
このシステムを使った製品はたくさん見受けられますね。 こういうのは、SNSの目に留まるようです。 地球がなぜか空中に浮いている浮遊球を見たことがあります。
同じ手法で小さな盆栽を浮遊させているのを見たこともありますよ。
どのような仕組みなのでしょうか？
Start simple
基本は、別の磁石の反発する力で持ち上げることで、磁石を浮かせることです。 磁石は十分な力があれば互いに反発しあいます。 浮かすのに十分な力があることは問題ではありません。
問題は、この設定が安定していないことです。
これは、ボウルにたくさんの磁石を並べても同じです。
Stability, engineering-style
ここで、安定とは何かを定義してみましょう。
例として、長い棒やポールを上から持ってみると、バランスがとれているが、少しぶつけると中心のバランスのとれた位置に戻る傾向があるものです。 まっすぐ下に垂れているのは安定しています。
確かに、最初の一振りでピタッと止まることはないかもしれません。 少し前後に揺れながら、だんだん短く揺れながら落ち着いていきます。
不安定な系というのは、バランスは取れても、バランスを崩すと、さらにバランスが悪くなる傾向があるものなのです。 同じ棒を手で持って底を平らにして持ってみることを考えてみてください。 バランスをとることは可能ですが、バランスが崩れると、よりバランスを崩して倒れる傾向があります。
このように棒を持つことはできますが、バランスを保つために、常に手の位置を調整することが必要です。 棒がどの方向に倒れるかを見て感じ、それに対抗するために手を動かして反応します。 見て、反応する、この繰り返しです。
電磁石、センサー、フィードバックと制御
さて、磁石を浮かせる話に戻りましょう。
磁石を反発させるだけでなく、電磁石を4つ使っています。 浮いている磁石が一方向に傾いても、すぐに電磁石をオンにして、中心の位置に反発させることができます。 また、電磁石のオン・オフを切り替えることで、磁石を安定させることも可能です。 電磁石の良いところは、電線に電流を流して動かすことです。
このシステムは、浮遊磁石を保持するために、いくつかの永久磁石（常にオン）を使っていないので、アーンショーの定理に違反していません。
Temporary Magnets
まず、このもののベースに使われている奇妙な設定をよく見てみよう。 電源を切った状態で、磁石はどこにあって、どちらを向いているのか。
- 外側に磁石がリング状に並んでいるのが見えます。
- 浮遊磁石の底に円板磁石が1枚あり、北極を下に向けている。
- 鉄の軸に絶縁線を巻いた電磁石が4つある。 近くの磁石の輪の磁場によって、これらの鉄芯は一時的に磁化され、北極を上に向けた磁石のように動作します。
待って、最後の部分はどうなってるの？ 磁石ではないのに磁石になっているのか？
電源を入れると、電磁石は必要に応じてそれらの磁石の強さを加えることができます。 電源を入れずに浮遊磁石のバランスを取ろうとすると、すぐに横に折れてしまいます。
なぜ、このような一見複雑なセットアップがこの設計に選ばれたのでしょうか。 いい質問ですね。 中央の北極から上へ、そして外側の南極へと向かう磁場の「ボウル」にセットして、浮遊磁石がほぼ安定する領域を広くすることと関係があるのではないかと考えています。
センサー
電磁石を正しく制御するには、この装置は浮遊磁石の位置を正確に感知する方法が必要です。
この装置では、3つのレシオメトリック・ホール効果センサーが使用されています。 以前、ホール効果センサーの記事で、基本的にオン/オフスイッチであるシンプルなデバイスを取り上げました。
このデバイスで使用されているレシオメトリック・ホールセンサは異なります。 ある磁場の強さでオン・オフするセンサーではなく、小さなチップが、見た磁場の強さによって変化する電圧を供給します。 磁場が強くなれば、電圧は上がる。
このセンサーは、デバイスの中心に3つ配置されています。 上下、左右、前後の各方向の磁界を感知するような向きに設置されています。
浮遊磁石が横にずれると、これらの入力からそれを感知して、右の電磁石をオンにして補正をかけることができます。
制御
- 横を向いているセンサーの 1 つからの電圧 (上下のセンサーではない) と、
- コイルの 1 つ (同じ方向) の電圧です。 しかし、ノイズは無視して、全体の電圧レベルだけを見てください。 磁石の位置によって高くなったり低くなったりすることがわかりました。 1.75ボルト前後ですが、磁石を押すと微小に変化します。
青い信号は、電磁石のコイルの1つにかかる電圧です。 約2.5Vまで上昇し、ゼロに戻ります。 オンかオフのどちらかです。
強さを調整するのではなく、制御回路はその10万分の1秒の間にコイルをどの程度オンにしておくかを変えます。 あまり押す必要がない場合は、5%程度の時間オンになっています。 フローティングマグネットに触れると、より長い時間オンになっています。 8534>
この電磁石の制御は、100kHzでオン・オフしています。 これは100キロヘルツ、つまり1秒間に10万回ということです。
この信号をスピーカーにつないで、音として聞けるようにしたいと考えました。 インタラクティブなオーディオ フィードバックを聞くことができたら、とても素敵です。 悲しいことに、100 kHz は人間が聞き取れる最高周波数をはるかに超えています。 犬が聞き取れる周波数よりも高いのです。 信号をダウンサンプリングするか、イルカに感想を聞くしかないでしょう。
以上、1つのセンサーと4つの電磁石のうちの1つについて見てきました。
浮遊磁石がどの方向にも傾かないように4つの電磁石を個別に使用することに加え、システム全体で4つの電磁石すべてへの信号レベルを制御する必要があります。
おわりに
私たちは、この装置がどのように機能するのかを理解するために、とても楽しい時間を過ごしました。 解明すればするほど、私たちが考えもしなかったようなトピックを発見することができました。 たとえば、
- このシステムは、浮いている磁石の重さに敏感です。 軽すぎると、うまく機能しない。
- 薄い浮遊磁石の上に鉄のワッシャがあるのですが、このワッシャの重さは、設定上、最低限必要です。 これがバラストになるのは当然ですが、磁界の形状に大きな影響を与えます。 あるテストでは、この鉄の円盤が上にないと磁石を浮かせることができず、磁場が平坦になることがわかりました。 なぜ、この配置でうまくいくのか？
私たちは、磁気浮上がいかに複雑かをよく説明しようとしましたが、これほどまでに複雑だとは思いませんでした！
追記。 もっとシンプルなシステム
電磁石の下に D5X0 円柱磁石をぶら下げる
何年も前に入手した、もっとシンプルな設定の浮上キットがあるのですが、それを使ってみましょう。 ガイ・マースデン氏による ART TEC 磁気浮上キット
このセットアップは、システムを上下逆にすることで、より簡単になりました。 これは、フローティング・マグネットの上に配置された1つの電磁石を備えています。 電磁石をオン・オフすることで、磁石の垂直位置を制御します。
磁石が下に「ぶら下がって」いるので、自然と左右に安定する傾向があるのです。 長い棒が垂れ下がっているように、この構成では自然な安定性が得られます。
こちらもオシロスコープにつないでみると、別の制御方式があることがわかりました。 電磁石を一定の間隔でオン・オフするのではなく、センサーの測定値に反応しながら、必要に応じてオン・オフするのです。 電磁石が下がり過ぎると、オンにして引き上げます。
このON/OFFの頻度が、センサーからの指示によって変わるんです。
この2つの基本的な仕組みのどちらかを使って浮かせている電子製品を見れば、それがどちらなのかがわかると思います。 浮遊物の上に何かがある場合、それはこの2番目の単純なシステムです。 浮遊物の上に何もない場合は、1番目の単純なシステムです。