Levitație electromagnetică

Un magnet care levitează în aer este suficient de puternic pentru a susține acest măr!

Poate un magnet să leviteze sau să plutească deasupra unui alt magnet? De ce nu – se pare că ar trebui să funcționeze!

Din păcate, nu poți face un magnet să plutească magic în aer deasupra unui alt magnet. Cel puțin, acest lucru este adevărat dacă folosești doar o pereche de magneți puternici. În articolul Noțiuni de bază despre magneți, am menționat Teorema lui Earnshaw, o demonstrație care datează din anii 1800 și care dovedește că nu va funcționa, indiferent câți magneți adăugați în sistem.

Dar ce se întâmplă dacă magneții au forma unui bol? Sau dacă se adaugă un alt magnet pe o parte? Nu. Earnshaw.

Să examinăm un sistem care îl ocolește cumva pe bătrânul Earnshaw și reușește să mențină un magnet plutind în mod constant în aer. Poate chiar să susțină o cantitate mică de greutate!

Așteptați – lucrurile se complică de aici încolo.

În primul rând, să îl vedem în acțiune!

Produse bazate pe acest sistem

Am văzut o serie de produse care folosesc acest sistem. Aceste lucruri par să atragă atenția social media. Am văzut globuri care levitează, în care pământul levitează cumva în aer.

Am văzut chiar și aceeași tehnică folosită pentru a face să leviteze un mic copac bonsai! Atât de mișto.

Cum funcționează? Să o descompunem pas cu pas.

Începeți simplu

Doi magneți cu discuri D84 se resping unul pe altul, dar trebuie să fie constrânși în tub pentru stabilitate.

Ideea de bază este de a face un magnet să plutească susținându-l cu forța de respingere a unui alt magnet. Magneții se pot respinge între ei cu o forță suficientă. A avea suficientă forță pentru a-l face să leviteze nu este problema.

Problema este că această configurație nu este stabilă. Magnetul care plutește are tendința de a se roti în jurul său, răsturnându-se pentru a se atrage de celălalt magnet.

Acest lucru este valabil chiar dacă aliniați un bol cu o grămadă de magneți, deoarece Earnshaw.

Stabilitate, stil ingineresc

Un băț ținut de sus este în mod natural stabil. Împingeți partea de jos în afara centrului, iar gravitația tinde să îl tragă înapoi în poziția stabilă.

Un băț ținut de jos este instabil. Odată ce începe să se încline, gravitația va tinde să-l facă să se încline și mai mult. Numai reacționând și mișcându-vă mâna îl puteți ține în poziție verticală.

Să ne oprim un moment pentru a defini ce înțelegem prin stabilitate. Un sistem stabil este ceva care este echilibrat, dar care, de asemenea, tinde să se întoarcă în poziția centrată, echilibrată, dacă îl loviți puțin.

Ca exemplu, luați în considerare un băț lung sau un stâlp, ținut de sus. Este stabil atârnând drept în jos. Dacă împingem partea de jos de la o poziție dreaptă în jos, gravitația va avea tendința de a-l trage înapoi în poziția stabilă.

Sigur, s-ar putea să nu se fixeze la locul lui din prima legănare. Se va balansa înainte și înapoi pentru un timp, cu balansări succesiv mai scurte pe măsură ce se stabilizează. În cele din urmă tinde să se întoarcă înapoi.

Un sistem instabil este ceva care poate fi echilibrat, dar dacă se dezechilibrează, tinde să se dezechilibreze și mai mult. Luați în considerare ținerea aceluiași băț cu mâna ținută plat în partea de jos. Este posibil să îl echilibrezi, dar când bățul se înclină în afara echilibrului, tinde să se dezechilibreze și mai mult.

Puteți ține un băț în acest fel, dar numai prin ajustarea constantă a poziției mâinii pentru a-l menține echilibrat. Urmărești și simți în ce direcție cade, reacționezi prin mișcarea mâinii pentru a-l contracara. Observi și reacționezi, repetând continuu. În mod interesant, configurația magnetului de levitație funcționează cam în același mod.

Electromagneți, senzori, feedback și control

Cele patru înfășurări de cupru în jurul unor arbori de oțel sunt electromagneți.

Să ne întoarcem la levitația unui magnet. Cum îl menține stabil acest dispozitiv?

În plus față de magneții de respingere, acest levitator are patru electromagneți. Dacă magnetul plutitor se înclină într-o parte, acesta poate porni rapid un electromagnet pentru a-l respinge înapoi în poziția centrată. Dacă sistemul poate reacționa suficient de rapid, electromagneții pot fi activați și dezactivați după cum este necesar pentru a menține magnetul stabil. Partea bună a electromagnetului este că funcționează cu un curent prin fir. Dacă știi cum să pornești și să oprești lucruri cu ajutorul electronicii, ai un mijloc de a controla electromagnetul rapid și precis.

Acest sistem nu încalcă teorema lui Earnshaw deoarece nu folosește un număr oarecare de magneți permanenți (mereu activi) pentru a menține magnetul flotant. Are magneți controlați în mod activ, care sunt activați și dezactivați, răspunzând la nealiniere și corectând instabilitatea.

Magneți temporari

Cum sunt dispuși polii?

În primul rând, să aruncăm o privire mai atentă la configurația ciudată folosită la baza acestui lucru. Cu curentul oprit, unde sunt magneții și în ce direcție sunt orientați? Există trei locuri diferite în care ar trebui să ne uităm la direcția de magnetizare:

1. Vezi o serie de magneți dispuși într-un inel în jurul exteriorului. Toți sunt orientați cu polii lor sud orientați în sus.
2. Există un singur magnet disc în partea de jos a magnetului plutitor, orientat cu polul său nord orientat în jos.
3. Există patru electromagneți, bobine de sârmă izolată înfășurate în jurul unor arbori de oțel. Datorită câmpului inelului de magneți din apropiere, aceste miezuri de oțel sunt temporar magnetizate, acționând ca niște magneți cu polii lor nordici orientați în sus.

Așteaptă, ce se întâmplă în ultima parte? Nu sunt magneți, dar sunt?

În acest exemplu clasic, agrafele de hârtie din oțel se comportă ele însele ca niște magneți temporari, atâta timp cât unul atinge puternicul neo-magnet.

Oțelul sau fierul pot acționa ca un magnet temporar. Atunci când i se aplică un câmp magnetic (lipiți un magnet pe el sau în apropierea lui), câmpul se canalizează prin oțel, făcând ca oțelul să acționeze ca un magnet (atâta timp cât acel magnet este acolo). Acest lucru este asemănător cu trucul șirului de agrafe de hârtie, în care o agrafă de hârtie cu un magnet lipit de ea poate ridica o altă agrafă de hârtie, deoarece se comportă ca un magnet. Putem să ne uităm la agrafa de hârtie din oțel și să spunem că are un pol nord și un pol sud.

Cu un magnet puternic lipit de ea, șurubul de oțel se comportă ca un magnet, fiind capabil să ridice o piuliță de oțel.

Într-o configurație asemănătoare cu acest dispozitiv, un șurub de oțel cu un magnet în apropiere (separat de un teanc subțire de post-it-uri) poate acționa și el ca un magnet.

Un șurub de oțel acționează ca un magnet atunci când este atins de un magnet de neodim. Un șurub de oțel poate acționa, de asemenea, ca un magnet doar prin simpla apropiere a unui magnet de neodim. Asta este ceea ce se întâmplă aici în acest dispozitiv. Acele miezuri de oțel acționează ca niște magneți cu polii lor nordici orientați în sus, respingând polul nordic al magnetului plutitor.

Când sunt alimentați, electromagneții pot adăuga la puterea acestor magneți, după cum este necesar.

Sistemul nu este stabil de unul singur. Dacă încercați să echilibrați magnetul plutitor fără să porniți dispozitivul, acesta se desprinde rapid în lateral.

De ce a fost aleasă o astfel de configurație aparent complexă pentru acest proiect? Bună întrebare. Credem că ar putea avea legătură cu realizarea unei zone mai largi în care magnetul plutitor poate fi aproape stabil, așezat în „bolul” câmpului magnetic care pornește de la polii nordici din mijloc, urcă peste și coboară în polii sudici din exterior.

Senzori

Trei senzori cu efect Hall, evidențiați în galben, asigură măsurători ale câmpului magnetic în fiecare axă primară.

Pentru a controla corect electromagnetul, dispozitivul are nevoie de o modalitate de a detecta cu precizie poziția magnetului plutitor. Acesta trebuie să observe cea mai mică schimbare de poziție, astfel încât să poată reacționa rapid.

În acest dispozitiv, sunt utilizați trei senzori ratiometrici cu efect Hall. Într-un articol anterior despre senzorii cu efect Hall, am analizat dispozitive simple care sunt, în esență, întrerupătoare pornit/oprit. Dacă aceștia „văd” un câmp magnetic care depășește o anumită intensitate, ei pornesc.

Senzorii ratiometrici folosiți aici sunt diferiți. În loc de un senzor care se activează sau se dezactivează la o anumită intensitate a câmpului, micile cipuri furnizează o tensiune care variază în funcție de intensitatea câmpului magnetic pe care îl vede. Dacă câmpul magnetic devine mai puternic, tensiunea crește. Sunt foarte bune pentru a detecta mici schimbări în intensitatea câmpului magnetic.

Există trei dintre acești senzori localizați în centrul dispozitivului. Ei sunt orientați să detecteze câmpul magnetic în fiecare direcție: sus și jos, stânga și dreapta, înainte și înapoi. Înarmate cu un pic de cunoștințe magnetice, citirile de la acești trei senzori oferă suficiente informații despre înălțimea și poziția magnetului plutitor.

Când magnetul plutitor se înclină în lateral, sistemul poate detecta acest lucru din aceste intrări și pornește electromagnetul din dreapta pentru a-i da un impuls de corecție.

Control

Un osciloscop relevă semnalul unui senzor în galben, iar tensiunea aplicată unui electromagnet în albastru.

Acest dispozitiv are trei senzori și patru electromagneți controlați separat. Haideți să aruncăm o privire doar la o mică parte a sistemului pentru a ne face o idee despre ce se întâmplă. Am conectat un osciloscop la două puncte interesante:

1. Tensiunea ieșită de la unul dintre senzori îndreptată lateral (nu senzorul sus-jos) și
2. Tensiunea pe una dintre bobine (în aceeași direcție).

Semnalul senzorului, arătat în galben, este foarte zgomotos. Ignorați zgomotul, totuși, și uitați-vă doar la nivelul general al tensiunii. Am văzut că acesta devine mai mare sau mai mic în funcție de poziția magnetului. Acesta se situează în jurul valorii de 1,75 volți, dar se modifică foarte puțin pe măsură ce am apăsat pe magnet. Schimbările sunt de doar câțiva milivolți, chiar și atunci când împingem drastic magnetul.

Semnalul albastru arată tensiunea la una dintre bobinele electromagnetului. Aceasta urcă până la aproximativ 2,5 V și revine la zero. Este fie pornit, fie oprit. Se pornește la fiecare 1/100.000 de secundă.

În loc să ajusteze puterea, circuitul de control variază cât timp lasă acea bobină pornită în acea 1/100.000 de secundă. Dacă nu are nevoie de prea multă împingere, rămâne pornită poate 5% din timp. Când atingem magnetul plutitor, aceasta rămâne aprinsă mai mult timp. Puteți vedea acest lucru în lățimea semnalului de timp de creștere.

Acest control al electromagnetului se activează și se dezactivează la 100 kHz. Asta înseamnă 100 kiloHertz, sau de 100.000 de ori pe secundă. Este foarte rapid!

Am sperat să conectăm acest semnal la un difuzor care să ne permită să îl auzim ca sunet. Ar fi grozav să auzim acest feedback audio interactiv. Din păcate, 100 kHz este mult peste cea mai înaltă frecvență pe care oamenii o pot auzi. Este chiar peste capacitatea unui câine de a o auzi! Ar trebui fie să reducem eșantionarea semnalului, fie să întrebăm niște delfini ce părere au despre el.

Aceasta este o privire asupra unui singur senzor și a unuia dintre cei patru electromagneți. Ceilalți trei lucrează în moduri similare pentru a contracara înclinările în celelalte direcții.

În plus față de utilizarea individuală a celor patru electromagneți pentru a împiedica magnetul plutitor să se încline în orice direcție, întregul sistem trebuie, de asemenea, să controleze nivelul general al semnalului către toți cei patru electromagneți. Acest lucru va influența înălțimea magnetului plutitor deasupra bazei.

Concluzii

Ne-am distrat mult încercând să ne dăm seama cum funcționează acest dispozitiv. Cu cât ne-am dat seama mai mult, cu atât am găsit subiecte întregi pe care nici măcar nu le luasem în considerare. De exemplu:

• Sistemul este sensibil la greutatea magnetului plutitor. Dacă este prea ușor, nu va funcționa bine. Are nevoie de o anumită greutate minimă pentru modul în care este configurat.
• Există o șaibă de oțel deasupra magnetului flotant subțire. Aceasta asigură, evident, balastul, dar are și un efect real asupra formei câmpului magnetic. În cadrul unor teste, am constatat că nu am putut face ca un magnet să plutească fără acest disc de oțel deasupra, aplatizând câmpul. De ce funcționează atât de bine acest aranjament? De ce nu doar un magnet cu un balast neferoase?

Am încercat de multe ori să explicăm cât de complicată poate fi levitația magnetică, nu aveam idee cât de mult mai mult implică!

Addendum: Un sistem mult mai simplu

Un magnet cilindric D5X0 agățat sub electromagnet

Avem un kit de levitație pe care l-am achiziționat cu ani în urmă și care are o configurație mult mai simplă. Consultați Kitul de levitație magnetică ART TEC de Guy Marsden.

Această configurație întoarce sistemul cu susul în jos, ceea ce face lucrurile mult mai ușoare. Are un singur electromagnet poziționat deasupra magnetului plutitor. Electromagnetul se activează și se dezactivează pentru a controla poziția verticală a magnetului.

Din moment ce magnetul este „atârnat” dedesubt, acesta tinde să fie în mod natural stabil dintr-o parte în alta. La fel ca un pol lung care atârnă în jos, obțineți stabilitate naturală în această configurație. Sistemul nu trebuie să facă nimic fantezist pentru a controla mișcarea laterală.

Am conectat-o și pe aceasta la osciloscop și am găsit o schemă de control diferită. În loc să pornească și să oprească electromagnetul la intervale fixe, acesta pornește și oprește în funcție de necesități, reacționând la măsurătorile senzorului. Când magnetul începe să scadă prea mult, acesta se activează pentru a-l trage în sus. Când magnetul începe să ajungă prea sus, se oprește.

Frecvența acestei comutări de pornire și oprire variază în funcție de ceea ce spune senzorul. Am constatat că frecvența se schimbă pe măsură ce încercăm să atârnăm de el diferiți magneți și/sau diferite greutăți.

Când vedeți produse electronice care fac să leviteze ceva folosind una dintre aceste două configurații de bază, de obicei vă puteți da seama despre care dintre ele este vorba. Dacă există ceva deasupra obiectului care plutește, este vorba de acest al doilea sistem, mai simplu. Dacă nu este nimic deasupra obiectului care plutește, este primul.

.