Левитрон своими руками: самодельная схема устройства для левитации в магнитном поле

toozpickЭлектроника / ArduinoДобавлено 5 комментариев Приветствую, Самоделкины!Сегодня мы вместе с Романом, автором YouTube канала «Open Frime TV», соберем платформенный левитрон.История создания данного устройства началась еще в далеком 2016 году. Тогда автор наткнулся на статью «МозгоЧинов», и всей душой загорелся повторить данное устройство.Но не все так легко. Собрать именно такой вариант у автора не было возможности. Тогда он стал искать альтернативу и нашел такую на «РадиоКоте».Скачал печатку, начал травить, а потом собирать устройство. Но в конце концов все обломалось. Спустя полгода, может чуть больше, автор стал осваивать Ардуино. И ему в голову пришла идея сделать левитрон на ней. С новыми силами он бросился в бой, но опять разочарование. Много бессонных ночей в написании кода, и сборке прошли зря. Левитирующий магнит все никак не хотел зависать, его дергало из стороны в сторону и все тут.Спустя еще какое-то время автор наткнулся на очередную статью с полным описанием, заказал комплектующие, начал собирать, намотал новые катушки, запустил все и снова неудача. Автор начал думать, почему же левитрон не запускается и понял в чем проблема. Оказалось, что все намотанные катушки имели внутри металлическое основание, и сила с которой магнит тянулся к сердечнику превышала противодействие. Из-за этого и происходила такая лажа. В итоге автор перемотал катушки и свершилось чудо — магнит полетел. Радости не было предела. Автор любовался своей самоделкой целый вечер. Ну это была так, предыстория, ну а теперь приступаем непосредственно к сборке. Для начала давайте ознакомимся с устройством.Итак, в основании у нас лежат постоянные магниты, которые создают магнитное поле в виде купола. На самой его вершине находится точка равновесия, в этой точке магниты основания как бы выталкивают левитирующий магнит вверх, компенсируя силу тяжести. Но есть одно «но», эта точка крайне нестабильна, и левитирующий магнит постоянно слетает с нее.Тут нам на помощь приходят электромагниты и датчики Холла, которые отслеживают положение магнита и как только он начинает улетать с точки, включается соответствующий электромагнит и подтягивает левитирующий магнит обратно в центр. Таким образом он совершает колебания в разные стороны, но с большой частотой, и глаз этого практически не видит.Отлично, разобрались с теорией, переходим к практике. Мозгом схемы будет Arduino Uno.Сперва автор хотел использовать Arduino Nano, но нечаянно спалил ее, подав не то напряжение. Силовая часть схемы — это драйвер шагового двигателя L298N.Ну и следящая часть — это 2 датчика Холла, расположенных в центре конструкции.Теперь давайте рассмотрим схему устройства, начнем, пожалуй, с блок схемы.На схеме видно, что с чем соединено, теперь рассмотрим каждый блок по отдельности. Датчики Холла снабжены дополнительным усилителем на микросхеме LM324. Усиленный сигнал с Холлов поступает на аналоговый вход Ардуинки.Следующий блок — это драйвер и катушечки. Про их намотку чуть позже, а сейчас чисто схема.Как видим, подключается все элементарно и без особых проблем. Теперь переходим к сборке. В качестве основания будем использовать макетную плату. Ее нужно немного уменьшить и просверлить отверстия. Расстояния между отверстиями 40мм.После подготовки макетки займемся намоткой катушек. Как уже говорилось ранее, именно в катушках и была проблема, так как все они были с металлическим сердечником. В качестве основания возьмем колпачок для иголки шприца. Сами ограничители для катушек сделаны, как и в первых вариантах, из текстолита.Размер катушек перед вами.Все они мотаются в одну сторону. Количество витков 350, диаметр провода 0.44 мм. Думаю, если вносить 10, а то и 20 процентные изменение в параметры обмоток, результат не изменится.Когда катушки готовы, устанавливаем их на плату, как и остальные части. Теперь необходимо соединить катушки по 2 штуки последовательно, таким образом, чтобы при подаче напряжения на пару катушек, одна из них притягивала, а вторая в этот момент отталкивала. По поводу расположение датчиков Холла. Они должны быть строго на оси своих катушек. То куда они развернуты роли не играет, все будет корректироваться в настройке.Следующий шаг — соединение всех элементов в одну цепь и прошивка Ардуино. Сам скетч и все картинки со схемами найдете в архиве проекта.А вот после прошивки начинаются сложности. Для настройки постоянные магниты в основание ставить нельзя. Когда залили скетч в Ардуино, берем магнит, который должен левитировать и располагаем над катушками, водя рукой над тем местом где должна быть точка левитации, мы должны почувствовать сопротивление катушек.Вот допустим, мы ведем влево, значит катушки срабатывают и тянут вправо, если тяга идет не в ту сторону, то нужно поменять местами выводы катушек на драйвере.Теперь настало время установить магниты на плату. Магниты должны быть неодимовыми.Вообще можно использовать и прямоугольные магниты в основании, но автор решил взять круглые, так как они дешевле и имеют отверстие для крепления. Магниты устанавливаем в пространства между катушками. Расстояние между ними по диагонали равно 5,5 см.Теперь берем магнит, который будем подвешивать и пытаемся его расположить в центре левитации. Тут важно угадать с весом магнита. Автор делал так, брал основной магнит и на него вешал мелкие, таким образом нашел равновесие. Но магнит в центре висел не долго, его постоянно сносило в одну сторону. Тут на помощь к нам приходят подстроечные резисторы, вращая их можно смещать точку равновесия. Таким образом мы выравниваем парящий магнит. Все, настройка завершена. Осталось все это красиво оформить в корпус. Для этого подойдет вот такой короб.Но, как оказалось, у него очень толстые стенки, а у нас каждый миллиметр буквально на вес золота. Поэтому необходимо вырезать в крышке отверстие под катушки, и закрепить их заподлицо с корпусом.Получившееся отверстие в корпусе нужно было чем-то накрыть. И тут отлично подошла еще одна макетная плата, получилось ну очень даже здорово.В корпусе расположили драйвер и Ардуинку, а питание возьмем от внешнего адаптера на 12В, 2А. В итоге конструкция стала похожа на заводскую модель. На нее можно установить какую-нибудь декоративную штуку типа самолетика или машинки, и наслаждаться.На этом все. Благодарю за внимание. До новых встреч!Видео:Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Парить в воздухе, возвышаясь над твёрдой поверхностью, – мечта каждого йога. Левитация – лёгкость и независимость от притяжения Земли. Среди различных способов преодоления земного притяжения есть магнитный вариант. Это решение широко применяется и стабильно в действии. Его называют магнитной левитацией.

Пример магнитной левитации

Способы реализации магнитной левитации

Название способа говорит о том, что для нейтрализации магнитного поля планеты применяется искусственное магнитное поле. На практике магнитная левитация (МЛ) выполняется при помощи магнитов:

• постоянного;
• сверхпроводящего;
• электрического.

Есть ограничения, не позволяющие в полной мере применять этот вид, а именно – можно работать только с материалом, характеризующимся низкотемпературными условиями использования и высокими электрическими свойствами проводимости.

Примеры магнитной левитации

Напряженность электрического поля

Левитацию в магнитном поле можно проследить на принципе действия магнитной подушки. По такому принципу работают на транспорте маглевы. На ветках Шанхайского метро до сих пор ездят поезда, воздушная подушка которых организована с применением магнитного давления.

Маглев в Германии – поезд на магнитной подушке

Диамагнитная левитация тоже может служить подобным примером. Диамагнетики – вещества, которые на атомном уровне, под воздействием МП, намагничиваются в противоположном направлении. Их магнитная восприимчивость имеет встречную направленность действующего на них поля. Однако её величина мала. Диамагнетиком является и человек. Показателен такой опыт: в МП с индукцией от 11 Тл размещают человеческую руку. Между пальцами руки небольшому магниту возможно придать стабильное неподвижное положение и изменять его, не прикасаясь к нему.

Основные типы магнитной левитации

Магнитное давление на объект, подлежащий «парению», осуществляется несколькими способами. Выделяют два типа подобной левитации:

• EMS – электромагнитные конструкции;
• EDS – электродинамические устройства.

Линии магнитной индукции

Система EMS отличается нестабильным равновесным положением. Для обеспечения стабильности необходимо применять АСУ (автоматизированные системы управления) и осуществлять постоянный контроль. Притягивающая сила возникает между проводником из ферромагнетика и электрическими магнитами.

Системы типа EDS базируются на принципах появления вихревых токов в проводящих компонентах. Для того чтобы вихревые токи появились, необходимо действие переменного поля магнитной природы.

Важно! Системы EDS делятся на два вида взаимодействия. Первый – стационарные катушки вступают во взаимосвязь с магнитами, имеющими сверхпроводимость. Второй – изменения магнитных полей (МП) происходят в результате действия сил, которые генерирует переменный ток.

Силы отталкивания, которые используются в электродинамических системах, делают их инертно стабильными.

Постоянные магниты никогда не используются самостоятельно, только в гибридных установках. Это связано с тем, что постоянный магнит не может обеспечить стабильного положения ни в одной из степеней свободы, значит, без поддержки других сил воздействия на статичность положения тут не обойтись.

Интересно. Чтобы уйти от привязки к объектам из магнитных материалов и позволить системам работать с элементами другой структуры материалов, есть необычное решение – использование магнитных вставок (посредников).

Подъёмная сила

Вектор магнитной индукции: формула

Преодоление земного притяжения заставляет левитирующий объект зависать в воздухе. В случае МЛ сила, заставляющая это сделать, – магнитное поле, действующее на него. Кроме того, существует способность магнетиков и систем, собранных с их использованием, воздействовать друг на друга. Сила, с которой они либо притягиваются, либо отталкиваются, зависит от магнитной поверхности и создаваемого ими МП.

Исходя из этого, можно, применив формулу, рассчитать магнитное давление Pmag.:

P mag = B2/2µ0,

где:

• B – магнитная индукция, Тл;
• µ0 – магнитопроницаемость в вакууме, µ0 = 4π×10−7 Н·А−2.

Искомая сила на 1 м2 поверхности (Pmag) измеряется в Паскалях.

Левитирующий магнит – результат действия подъёмной силы МП

Устойчивость

Мало только заставить предмет парить и зависать в воздухе. Необходимо добиться его устойчивого состояния, которое бывает:

• статическое;
• динамическое.

Два этих невесомых состояния имеют некоторые принципиальные различия.

Статическая

Равнодействующие силы, которые возвращают предмет в равновесное положение при любом его отклонении, обеспечивают статическую устойчивость.

Динамическая

Способность устройства, создающего левитацию, подавлять всевозможные вибрирующие движения обеспечивает динамическое устойчивое состояние. Так как само МП не имеет встроенного механизма подавления вибраций, то это делается дополнительно. Для этого используются варианты воздействия:

• лобового сопротивления;
• действия вихревых токов;
• работа управляемых электромагнитов;
• гашение вибрации с помощью инерционного демпфера.

Для работы электромагнитов в данном случае применяются БЭУ (блоки электронного управления), которые контролируют процесс смещения и вносят необходимую коррекцию в работу магнитов.

Использование МЛ

Применения МЛ не исчерпывается демонстрацией, где левитирующая лягушка подвешена в воздухе при помощи сильного МП. Небольшой перечень возможностей использования левитации с воздействием магнитного поля:

• на транспорте;
• в энергетике;
• в летательных аппаратах;
• ветряных генераторах;
• магнитных подшипниках.

Транспорт с магнитной левитацией

Основной плюс использования маглевов – экономный режим потребления энергии, за счёт снижения трения между рельсами и колёсами в традиционных вариантах. Основные затраты приходятся на преодоление сопротивления воздушных масс. Современное оформление вагонов, практическое отсутствие шумов и вибрации делают этот вид транспорта перспективным.

История супер поездов

В России не производят маглевы, но в Санкт-Петербурге подобные разработки грузовых поездов на магнитной подушке уже ведутся. Ученые создали прототип грузового маглева, в дальнейшем обещают сконструировать и пассажирский.

Страны лидеры – Китай и Япония, представляют свои разработки, которые работают уже не один год. Коммерческая скоростная линия в Шанхае позволяет перемещаться из одной точки в другую со скоростью более 430 км/ч.

Японский вариант

Скоростное первенство по праву достаётся японским поездам подобного типа. Весной 2015 года опытный экземпляр поезда установил рекорд на участке, построенном в префектуре Яманаси. Модель Синкансэн L0 развила на этом участке скорость 603 км/ч. Японцы ведут разработки ещё с 70-х годов прошлого века. Работы ведутся в институте ж/д техники (JRTRI), в тесном сотрудничестве с оператором Japan Railways.

Японский JR-Maglev

Магнитные подшипники

В лазерных установках и в оборудовании, где необходима высокая точность (оптические системы), нашли своё применение магнитные подшипники. Они обладают целой линейкой положительных качеств:

• отсутствие трения, потери равны нулю;
• повышенная скорость вращения;
• низкий коэффициент вибрации;
• возможность герметизации;
• автоматический электронный контроль.

Газовые турбины, электрогенераторы, работающие на высоких оборотах, криогенные установки – это только некоторые решения для использования таких подшипников.

Бесконтактный магнитный подшипник

Применение в энергетике

Избавление от трения в магнитных подшипниках позволяет говорить о применении магнитной левитации в энергетике. КПД газовых турбин на ТЭС (тепловых электрических станциях) повысился с применением таких деталей. Возможность контролировать и регулировать работу подшипниковых узлов высокооборотных генераторов тока позволила модернизировать и повысить коэффициент автоматизации процесса получения электроэнергии.

Летательные аппараты

Обычный вертолёт тоже можно назвать левитирующим объектом, однако силу земного притяжения он преодолевает с помощью воздушного потока, создаваемого лопастями. Летательные аппараты, использующие МП и движущиеся целенаправленно в разных плоскостях, – это ещё только будущее. В отличие от поездов, проблема конструктивного выполнения стороннего МП находится только в процессе поиска решения.

Самолёт на магнитной подушке

Использование МЛ в ветрогенераторах

Всё дело – в магнитной подвеске, которая значительно увеличивает срок службы генератора. При её наличии ветряная турбина требует гораздо меньших затрат в обслуживании.

Дальнейшие перспективы использования

Переход транспорта любых видов на МЛ позволит в корне изменить транспортные системы. Кроме коллективного использования таких видов транспорта, возможен переход на индивидуальные системы передвижения человека. Экономия энергии, долговечность вращающихся механизмов, подъём и перемещение грузов – всё это в корне изменит структуру промышленных и сельскохозяйственных объектов, а также внешний облик планеты.

Эксперименты по левитации дома

До того, как сделать левитирующий магнит, можно выполнить небольшой опыт по созданию условий левитации дома. Для этого понадобятся:

• шесть кольцеобразных постоянных магнитов с внутренним диаметром 6-8 мм;
• обычный графитовый карандаш;
• подставка, выполненная из куска поролона размером 120*250 мм;
• упор из плексиглаза, оргстекла или другого прочного материала.

Два магнита размещают на карандаше через 100 мм друг от друга. На этом же расстоянии в поролоне закрепляют две пары идентичных магнитов. Тройка магнитов (два на опоре и один на карандаше) должна визуально составлять пирамиду. Регулируя расстояния между магнитами, добиваются левитации карандаша.

Левитация карандаша в домашних условиях

Как сделать левитирующий магнит своими руками

Такой магнит называют левитрон. Его возможно изготовить своими руками, для этого необходимы:

• катушка индуктивности от старого телевизора;
• транзисторы S9018 и IRF540N;
• два сопротивления по 1 кОм (0, 5 Вт);
• датчик Холла от ненужного DVD ROM или CD ROM дисковода (на схеме SSE);
• железный болт диаметром 8 мм;
• полоска пластика для обеспечения зазора.

Электрическая схема устройства левитрона

Важно! Питание устройства подбирается с помощью регулируемого источника питания. Транзисторы устанавливаются на радиаторы. Болт служит сердечником катушки и вставляется внутрь неё.

Конструкция представляет собой вертикальную колонну, внизу которой в магнитном поле левитирует кусочек плоского магнита.

Магнитная левитация – вполне реальный процесс, который отвечает всем законам физики. Результаты разработок, как личного характера, так и творческих достижений специализированных лабораторий, делают ставку на реальную «магнитную подушку» для движения технического прогресса.

Видео

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.

Похожие темы:

РубрикаЭЛЕКТРОТЕХНИКАИспользуемые источники:

• https://usamodelkina.ru/12655-platformennyj-levitron-svoimi-rukami.html
• https://amperof.ru/teoriya/magnitnaya-levitaciya.html
• https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/magnitnaia-levitatsiia/