Как моделировать устройства, основанные на электродинамической магнитной левитации

Электродинамическая магнитная левитация может возникнуть при наличии переменного магнитного поля в окрестности проводящего материала. В этой статье мы расскажем и покажем, как моделировать магнитную левитацию, на двух примерах: верификационной задаче TEAM про устройство, основанное электродинамической левитации и модели электродинамического колеса.

Что такое электродинамическая магнитная левитация?

Явление электродинамической магнитной левитации возникает, когда вращающийся и/или движущийся постоянный магнит либо катушка с током создают переменное магнитное поле близи проводника. Переменное магнитное поле наводит вихревые токи в проводнике, которые создают поле в противоположном направлении. Оно, в свою очередь, создаёт отталкивающую силу между проводящим материалом и источником магнитного поля. Этот процесс является основополагающим принципом действия всех магнитных левитирующих устройств.

Магнит, левитирующий над сверхпроводником. Изображение предоставлено Julien Bobroff. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 из Wikimedia Commons.

Анализ эталонной задачи на электродинамическую левитацию

Рассмотрим верификационную задачу №28, описанную в Testing Electromagnetic Analysis Methods (TEAM) (от общества Compumag) и посвященную расчету электромагнитного левитирующего устройства В данной задаче круглый алюминиевый проводящий диск расположен над двумя цилиндрическими, концентрическими катушками переменного тока, протекающего в противоположных направлениях. Поперечное сечение элементов задачи показано на рисунке ниже.

Поперечное сечение концентрических катушек и алюминиевого диска. Все размеры указаны в миллиметрах.

3D модель изображена ниже.

3D-модель электродинамического левитирующего устройства. На ней изображёны левитирующий диск и две концентрических катушки переменного тока, протекающего в противоположных направлениях.

Для моделирования такого устройства в программном обеспечении COMSOL Multiphysics® мы используем 2D осесимметричную геометрию. Будем использовать физический интерфейс Magnetic Fields (Магнитные поля), который доступен в модуле AC/DC и позволяет корректно описать переменные токи в катушках, а также наводимые вихревые токи. Концентрические катушки с протекающими в противоположных направлениях токами опишем с помощью двух отдельных узлов

Coil (Катушка), выбрав в настройках Homogenized Multi-Turn Coil (Гомогенизированная многовитковая катушка). Электродинамическая сила, возникающая в алюминиевом диске, будет рассчитана с помощью узла Force Calculation (Расчёт силы), который вычисляет тензор напряжений Максвелла.

Динамика твёрдого тела задаётся обыкновенным дифференциальным уравнением (ОДУ, англ. ODE) в физическом интерфейсе Global ODEs and DAEs. ОДУ первого порядка, задающие положение и скорость имеют следующий вид:

\frac {dv}{dt}=\frac{F_{em}-F_{g}}{m_p}

\frac{du}{dt}=v

Так как электродинамическая сила изменяется в зависимости от расстояния между диском и катушками,

наша модель должна учитывать динамику изменения положения диска. Для этого мы воспользуемся интерфейсом Moving Mesh (Подвижная сетка). Ниже на графике мы привели сравнение опорных данных, указанных в тесте TEAM, и результатов, полученных с помощью моделирования в COMSOL.

Сравнение результатов моделирования и данных TEAM на одном графике. Показана зависимость перемещения диска от времени.

Анимация перемещения диска над двумя концентрическими катушками в течении 0.6 с.

Моделирование электродинамического колеса в COMSOL Multiphysics®

Механические вращение источников магнитного поля, таких как радиально намагниченный ротор Халбаха, наводит вихревые токи в проводящем материале (например, алюминии). Они создают противоположно направленное магнитное поле, которое взаимодействует с источником магнитного поля и отталкивает его. Одновременно создаются подъемная сила и сила тяги. Такое устройство называется электродинамическим колесом (ЭДК).

На рисунке ниже показан принцип левитации ЭДК при высокоскоростном движении. Сила тяги или тормозящая сила зависят от относительной скорости скольжения, s_l, которая определяется, как разница между азимутальной v_c и поступательной

v_x скоростями. Например, s_l = v_c — v_x, где v_c = ω_mr_o и ω_m = ω_eP. Где ω_m — это механическая угловая скорость, ω_e — электрическая угловая скорость, P — число пар полюсов ротора Халбаха.

Конструкция четырёхполюсного ЭДК, основанного на принципе магнитной левитации (maglev — маглева). На рисунке изображёны проводящий слой и вращающийся и/или перемещающийся ротор Халбаха.

Если азимутальная скорость больше, чем поступательная (скольжение положительно), то создаётся подъёмная сила. В противном случае создаётся тормозящая сила.

Используя физический интерфейс Rotating Machinery in 2D and 3D, Magnetic (Вращающиеся машины в 2D и 3D), мы можем учитывать оба этих движения в одной модели. Вращательное движение задаётся узлом Prescribed Rotational Velocity (Заданное вращательное движение). Поступательное движение ротора Халбаха задаётся в противоположном направлении узлом Velocity (Lorentz) (Скорость по Лоренцу). Постоянные магниты задаются узлами Ampère’s Law (Закон Ампера) с указанием остаточной магнитной индукцией B_r = 1.42[Тл]. Так как намагниченность создаётся в радиальном или азимутальном направлениях, для удобства выберем цилиндрическую систему координат.

В итоге, было выполнено моделирование переходного процесса для разных механических угловых скоростей ротора. На графиках ниже показаны зависимости подъёмной силы и силы тяги от времени. Две этих силы вычисляются различными способами: расчётом тензора напряжений Максвелла и методом Лоренца.

На графиках изображены зависимости подъёмной силы и силы тяги от времени. Синим цветом показан расчёт тензора напряжений Максвелла, зелёным — метод Лоренца.

На втором этапе проводилось стационарное исследование для различных поступательных скоростей. Тормозящая сила возникает при отсутствии вращения или если азимутальная скорость меньше, чем прямолинейная. Результаты моделирования подъёмной и тормозящей силы для различных скоростей показаны на графиках ниже.

Зависимости подъёмной и тормозящей силы от времени. Синим цветом показан расчёт тензора напряжений Максвелла, зелёным — метод Лоренца.

Анимация показывает поверхностный график распределения магнитного поля в воздухе и магнитах; плотность тока в проводящем слое; силовые линии векторного магнитного потенциала, A_z. Изображено вращение ротора по часовой стрелке и взаимодействие полей.

Выводы по моделированию электродинамической магнитной левитации

В данной статье мы показали, как моделировать два электродинамических магнитных устройства, используя модуль AC/DC пакета COMSOL Multiphysics. Мы разобрали верификационную задачу №28 от TEAM: Электродинамическое левитирующее устройство и сравнили результаты моделирования с данными эксперимента. Также мы постарались доступно объяснить принцип действия электродинамического колеса, основанного на явлении магнитной левитации. Наши результаты моделирования оказались довольно точными и полностью сошлись с экспериментальными результатами.

Дополнительные ресурсы

• Узнайте больше о примерах, представленных в данной статье:
• Ознакомьтесь с тем, как другие пользователи COMSOL Multiphysics решают подобные задачи
• Следите за нашим блогом по проектированию Электромагнитных устройств
• Захотелось заняться моделированием устройств, основанных на принципе магнитной левитации в COMSOL Multiphysics или у вас остались какие-либо вопросы по поводу данной статьи? Свяжитесь с нами

Что такое магнитная левитация и как это возможно

Что такое магнитная левитация и как это возможно

Магнитная левитация — технология, метод подъёма объекта с помощью одного только магнитного поля. Магнитное давление используется для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений.

Слово «левитация» происходит от английского «levitate» — парить, подниматься в воздух. То есть левитация — это преодоление объектом гравитации, когда он парит и не касается опоры, не отталкиваясь при этом от воздуха, не используя реактивную тягу. С точки зрения физики, левитация — это устойчивое положение объекта в гравитационном поле, когда сила тяжести скомпенсирована и имеет место возвращающая сила, обеспечивающая объекту устойчивость в пространстве.

В частности магнитная левитация — это технология подъёма объекта с помощью магнитного поля, когда для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений используется магнитное действие на объект. Именно о магнитной левитации и пойдет речь в данной статье.

Магнитное удержание объекта в состоянии устойчивого равновесия можно реализовать несколькими способами. Каждый из способов имеет свои особенности, и к каждому можно предъявить претензии, вроде «это не настоящая левитация!», и так оно на самом деле и будет. Настоящая левитация в чистом виде недостижима.

Так, теорема Ирншоу доказывает, что, используя только ферромагнетики, невозможно устойчиво удерживать объект в гравитационном поле. Но несмотря на это, с помощью сервомеханизмов, диамагнетиков, сверхпроводников и систем с вихревыми токами возможно достичь подобие левитации, когда какой-нибудь механизм помогает объекту сохранять равновесие, когда тот поднят над опорой магнитной силой. Однако обо всем по порядку.

Электромагнитная левитация с системой слежения

Применив схему на базе электромагнита и фотореле можно заставить левитировать небольшие металлические предметы. Предмет будет парить в воздухе на некотором расстоянии от неподвижно закрепленного на стойке электромагнита. Электромагнит получает питание, пока фотоэлемент, закрепленный в стойке, не затенен парящим предметом, пока на него попадает достаточно света от неподвижно закрепленного контрольного источника, это значит, что объект нужно притянуть.

Когда объект достаточно приподнят, электромагнит отключается, поскольку в этом момент тень от перемещенного в пространстве объекта падает на фотоэлемент, перекрывая свет источника. Объект начинает падать, но упасть не успевает, так как снова включился электромагнит. Так, отрегулировав чувствительность фотореле, можно добиться эффекта, при котором объект будет как-бы висеть на одном месте в воздухе.

На самом деле объект непрерывно то падает, то вновь немного приподнимается электромагнитном. Получается иллюзия левитации. На этом принципе основана работа «левитирующих глобусов» — довольно необычных сувениров, где к глобусу прикреплена магнитная пластина, с которой и взаимодействует электромагнит, скрытый в подставке.

Диамагнитная левитация

Графитовый грифель от простого карандаша является диамагнетиком, то есть веществом, которое намагничивается против внешнего магнитного поля. В определенных условиях происходит полное вытеснение магнитного поля из материала диамагнетика, например графитовый грифель обладает высокой магнитной восприимчивостью, и начинает парить над неодимовыми магнитами даже при комнатной температуре.

Для устойчивости эффекта магниты следует собрать в шахматном порядке (полюса магнитов), тогда графитовый стержень не выскользнет из «магнитной ловушки» и будет левитировать.

Редкоземельный магнит с индукцией всего 1 Тл может висеть между пластинами висмута, а в магнитном поле с индукцией 11 Тл можно между пальцами стабилизировать «левитацию» маленького неодимового магнита, поскольку руки человека являются диамагнетиком, как и вода.

Известен достаточно широко распространенный опыт с левитирующей лягушкой. Животное аккуратно помещают над магнитом, который создает магнитную индукцию больше 16 Тл и лягушка, демонстрируя диамагнитные свойства, фактически зависает в воздухе на небольшом расстоянии от магнита.

Левитация магнита над сверхпроводником (эффект Мейснера)

Пластина из оксида иттрия-бария-меди охлаждается до температуры жидкого азота. В этих условиях пластина становится сверхпроводником. Если теперь положить неодимовый магнит на подставку над пластиной, а затем подставку из под магнита вытащить, то магнит зависнет в воздухе — будет левитировать.

Даже небольшой магнитной индукции порядка 1 мТл достаточно чтобы магнит, будучи положен на пластину, приподнялся над охлажденным высокотемпературным сверхпроводником на несколько миллиметров. Чем выше индукция магнита — тем выше он поднимется.

Дело здесь в том, что одно из свойств сверхпроводника — выталкивание магнитного поля из сверхпроводящей фазы, и магнит, отталкиваясь от этого магнитного поля противоположного направления как-бы всплывает и продолжает парить над охлажденным сверхпроводником до тех пор, пока он не выйдет из сверхпроводящего состояния.

Левитация в условиях вихревых токов

Вихревые токи (токи Фуко), наводимые переменными магнитными полями в массивных проводниках также способны удерживать предметы в левитирующем состоянии. Например катушка с переменным током может левитировать над замкнутым кольцом из алюминия, а алюминиевый диск будет парить над катушкой с переменным током.

Объяснение здесь такое: по закону Ленца, индуцируемый в диске или в кольце ток будет создавать такое магнитное поле, что его направление станет препятствовать причине его вызывающей, то есть в каждый период колебаний переменного тока в индукторе, в массивном проводнике будет индуцироваться магнитное поле противоположного направления. Так, массивный проводник или катушка подходящий формы смогут левитировать все время пока включен переменный ток.

Аналогичный механизм удержания проявляется, когда неодимовый магнит роняют внутри медной трубы — магнитное поле индуцированных вихревых токов направлено противоположно магнитному полю магнита.

Ранее ЭлектроВести писали, что японская компания Lexus показала свой первый функционирующий прототип ховерборда – летающей доски для скейтбордистов.

По материалам: electrik.info.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОСТОЯННОГО МАГНИТА ПРИ ЕГО УДЕРЖАНИИ В ИМПУЛЬСНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ | Ячиков

Ячиков, И.М. Исследование поведения напряженности магнитного поля и положения тела во взвешенном состоянии в коническом индукторе с противовитком / И.М. Ячиков, Т.П. Ларина, О.Н. Вострокнутова // Электротехнические системы и комплексы. – 2018. – № 1(38). – С. 55–62.

Уразаев, В. Техническая левитация: обзор методов / В. Уразаев // Технологии в электронной промышленности. – 2007. – № 6. – С. 10–17.

IT-лента. Магнитная левитация. – http://itlenta.ru/chto-takoe-magnitnaya-levitatsiya (дата обращения 12.10.2019).

Левитрон на датчике Холла. – http://samodelkilab.ucoz.ru/news/levitron_92_sobrat_svoi-mi_rukami/2014-01-19-32l (Дата обращения 20.09.2019).

Al-Muthairi, N.F. Sliding mode control of a magnetic levitation system / N.F. Al-Muthairi, and M. Zribi // Mathematical Problems in Engineering 2004. – 2004. – Vol. 2. – P. 93–107.

Edward, P.F. Permanent Magnet and Electromechanical Devices. Material, Analysis, and Applications / P.F. Edward. – San Diego: Academic Press, 2001. – 518 p.

Коген-Далин, В.В. Расчет и испытание систем с постоянными магнитами / В.В. Коген-Далин, Е.В. Комаров. – М.: Энергия, 1977. – 248 с.

Активные магнитные подшипники. – http://amblab.narod.ru/Book/Chapter1.htm (дата обращения 02.10.2018).

Магнитный подшипник. – http://myfta.ru/articles/magnitnyepodshipniki (дата обращения: 03.10.2019)

Ландау, Л.Д. Теоретическая физика: учеб. пособие для вузов. В 10 т. Т. II. Теория поля / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. – 8-е изд., стереот. – М.: Физматлит, 2001. – 536 с.

Арнольд, Р.Р. Расчет и проектирование магнитных систем с постоянными магнитами / Р.Р. Арнольд. – М.: Энергия, 1969. – 184 с.

Слободянюк, А.И. Физика 10 /13.6. Взаимодействие магнетиков с постоянным магнитным полем / А.И. Слободянюк. – http://physbook.ru/index.php (дата обращения 04.06.2020).

Платт, Ч. Электроника: логические микросхемы, усилители и датчики для начинающих / Ч. Платт // СПб.: ВХВ-Петербург, 2015. – 448 с.

Полет лягушки, или Не вся правда о левитации

Представьте себе – даже лягушки могут летать! Причем самыми разными способами.

Некоторые обладают этим даром от природы, например, яванский веслоног. Он почти всю жизнь проводит на деревьях и может парить в прыжке, используя перепонки лап. Так он способен преодолеть около 15 метров. Получается у него отлично, убедитесь сами:

Наука же могущественна до такой степени, что с ее помощью в полет можно отправить и самых обычных лягушек. Правда, избранной для выполнения миссии лягушке нужно попасть в сильное магнитное поле. Что люди, что лягушки, все мы ведем себя как диамагнетики, то есть в отсутствие внешнего магнитного поля магнитных свойств не проявляем. Но стоит лягушке оказаться под действием поля, и она оказывается способной парить в воздухе! При этом она не страдает, не испытывает никакого дискомфорта, кроме разве что дезориентации в пространстве (хотя это уж точно малоприятно, поэтому лучше пожалеть лягушек и не заставлять их левитировать часто).

Благодаря опытам с левитацией лягушек приобрел известность будущий нобелевский лауреат Андрей Гейм. А вот на этом видео он отправляет в полет не только земноводных, но и кузнечиков:

Пока физики запускают в воздух небольшие объекты – лягушек, мышей, кусочки пиццы. Но теоретически таким образом может воспарить и человек, потребуется только очень большой и сильный магнит (pdf).

Приходите на выставку «Алиса в Стране наук» в павильоне №64 («Оптика») и узнайте, на что еще способна левитация!

Время работы выставки:
вторник – четверг 11:00−20:00
пятница – воскресенье 11:00−21:00
понедельник – выходной день

Читайте также

Ученые сумели заставить мышь левитировать

Группе ученых из Лаборатории реактивного движения и Миссурийского университета в Канзас-Сити (США) удалось заставить мышь левитировать, используя сверхпроводящий магнит.

Следует отметить, что подобные эксперименты уже проводились на лягушках, однако повторить эти опыты с участием млекопитающих ранее никому не удавалось.

Необходимые для левитации исследуемого объекта условия создаются при его размещении в сильном внешнем магнитном поле. Как известно, вода, присутствующая в любом живом организме, обладает диамагнитными свойствами: под действием внешнего магнитного поля параметры движения электронов в ее молекулах несколько изменяются, что приводит к появлению слабого магнитного поля, направленного противоположно исходному. Возникающий эффект отталкивания позволяет преодолеть действие силы тяжести.

В своих опытах авторы использовали сверхпроводящий соленоид, охлажденный до криогенной температуры; при пропускании тока по обмотке создавалось магнитное поле с индукцией около 17 Тл. В зазоре магнита диаметром 66 мм поддерживалась комнатная температура.

Сначала ученые поместили в зазор пластиковую клетку, а затем запустили в нее мышь трехнедельного возраста массой всего 10 г. Животное оказалось дезориентировано и начало крутиться, пытаясь отыскать какую-нибудь опору. «Кажется, мыши не слишком понравилось это новое состояние, — говорит один из авторов работы Юаньмин Лю (Yuanming Liu). — Она ударялась о клетку и старалась за что-нибудь ухватиться». Впрочем, последующие эксперименты показали, что уже через 3–4 часа мыши привыкают к таким условиям и, левитируя, спокойно питаются и пьют.

Исследователи предлагают использовать подобные эксперименты для изучения воздействия микрогравитации на живые организмы и жидкости (в отдельной серии опытов авторы наблюдали левитацию капель воды диаметром до 50 мм). Специалистам также предстоит выяснить, как скажется длительное пребывание в столь сильном магнитном поле на здоровье мышей; проведенные ранее исследования показали, что для крыс поля с индукцией 9,4 Тл не представляют никакой опасности.

Полная версия отчета ученых будет опубликована в журнале Advances in Space Research.

Подготовлено по материалам NewScientist

---

Ссылка на публикацию: compulenta. ru

Устройство магнитной левитации и поперечной стабилизации на постоянных магнитах

Изобретение относится к области магнитолевитационной транспортной технологии, а именно к конструкции устройства магнитной левитации и поперечной стабилизации на постоянных магнитах. Устройство магнитной левитации и поперечной стабилизации транспортного средства на постоянных магнитах содержит транспортный путь в виде канала, на боковых стенах канала установлены магниты в виде «массива Хальбаха», вдоль пути на всем протяжении, статор линейного двигателя, левитирующая платформа в свою очередь содержащая постоянный магнит в сборке «массива Хальбаха» установленный на боковых стенах платформы, постоянные магниты ротора линейного двигателя.

В результате обеспечивается магнитная левитация и боковая стабилизация.

Известно устройство магнитной левитации транспортного средства, это система SCMaglev (Эс-Си-Маглев, сокр. от «сверхпроводимый маглев») — технология и система поездов на магнитной подушке, разработанная японской железнодорожной компанией Central Japan Railway Company и Исследовательским институтом железнодорожных технологий в Токио (Railway Technical Research Institute). Система использует электродинамическую подвеску на сверхпроводящих магнитах (EDS), установленных как на поезде, так и на трассе, поезда SCMaglev движутся в канале между сверхпроводящими магнитами и разгоняются за счет линейного двигателя, установленного на боковых стенах канала. Такая схема позволяет развивать большие скорости, обеспечивает простоту и большую безопасность пассажиров в случае эвакуации. Кроме того, поезда SCMaglev оснащены колесами и на малой скорости (до 150 км/ч) разгоняются по бетонной подушке, а при достижении больших скоростей поднимаются над поверхностью на несколько сантиметров. Для торможения на большой скорости используются электродинамические и аэродинамические тормоза. Их скорость, фактически, ограничена только сопротивлением воздуха.

Эта система имеет недостатки, левитация на малых скоростях прекращается, при отключении электрического тока от пути левитация и поперечная устойчивость отключаются для поддержки левитирующей платформы используются колеса и боковые ролики.

Изобретений направлено на устранение этих недостатков, левитация и боковая устойчивость обеспечивается на стоянке и на скорости без электрического тока, без колес и боковых роликов.

Техническое решение достигается посредством устройства магнитной левитации и поперечной стабилизации транспортного средства на постоянных магнитах содержащее транспортный путь 1 (фиг. 1 и фиг. 2) в виде П-образного канала, на боковых стенах канала вертикально относительно пути 1 вдоль на всем протяжении установлены постоянные магниты 2 в виде «массива Хальбаха», статор 3 линейного двигателя, левитирующую платформу 4 которая в свою очередь содержит постоянный магнит 5 в сборке «массива Хальбаха» установленный на боковых стенах платформы 4, постоянные магниты 6 ротора линейного двигателя.

1. Устройство магнитной левитации и поперечной стабилизации транспортного средства на постоянных магнитах содержит транспортный путь 1 (фиг. 1 и фиг. 2) в виде канала, на боковых стенах канала установлены магниты 2 в виде «массива Хальбаха», вдоль пути 1 на всем протяжении, статор 3 линейного двигателя, левитирующую платформу 4, которая в свою очередь содержит постоянный магнит 5 в виде «массива Хальбаха» установленный на боковых стенах платформы 4, постоянные магниты ротора 6 линейного двигателя, отличается тем, что бортовой магнит 5 шире постоянного магнита 2 установленного на пути 1 и постоянный магнит 5 (фиг. 3) в сборке «массива Хальбаха» может иметь следующие формы: вариант-А раздельные с закругленными краями, вариант Б в виде замкнутой восьмерки, вариант-В в виде ноля, вариант-Г в виде ноля разрезанного пополам, вид сверху.

2. Устройство магнитной левитации и поперечной стабилизации транспортного средства на постоянных магнитах содержит транспортный путь 1 (фиг. 1 и фиг. 2) в виде канала, на боковых стенах канала установлены магниты 2 в виде «массива Хальбаха», вдоль пути 1 на всем протяжении, статор 3 линейного двигателя, левитирующую платформу 4, которая в свою очередь содержит постоянный магнит 5 в виде «массива Хальбаха» установленный на боковых стенах платформы 4, постоянные магниты ротора 6 линейного двигателя, отличается тем, что для большей нагрузки на левитирующую платформу 4 (фиг. 6) внизу под магнитом 5 на нижнем углублении канала на всем протяжении вдоль на пути установлены постоянные магниты 9 в сборке «массива Хальбаха» под магнитом 5, магнит 9 взаимодействуя с постоянным магнитом 5, т.е. сильным полем, создают дополнительную магнитную подушку для повышения грузоподъемности платформы 4.

Сущность заявленного технического решения поясняется фигурами 1-6 где:

на фиг. 1 представлен поперечный разрез транспортного пути и левитирующей платформы.

на фиг. 2 изображен в изометрии транспортный путь с левитирующей платформой.

на фиг. 3 представлен вид сверху, вариантов сборки «массива Хальбаха» или альтернативной сборки на платформе, без изображения платформы.

на фиг. 4 на поперечном разрезе изображены магниты в сборке «массива Хальбаха» и схема взаимодействия их магнитных полей, поля заретушированы, стрелками указаны направления полярности магнитов.

на фиг. 5 на поперечном разрезе изображены магниты в сборке альтернативного массива и схема взаимодействия магнитных полей, поля заретушированы.

на фиг. 6 представлен поперечный разрез транспортного пути и левитирующей платформы с увиливающим левитирующую мощность магнитом.

Техническое решение достигается посредством устройства магнитной левитации и поперечной стабилизации транспортного средства на постоянных магнитах, содержащее транспортный путь 1 (фиг. 1 и фиг. 2) в виде канала, на боковых стенах канала установлены магниты 2 в виде «массива Хальбаха», вдоль пути 1 на всем протяжении, статор 3 линейного двигателя, левитирующую платформу 4 в свою очередь содержащую постоянный магнит 5 в виде «массива Хальбаха» установленный на боковых стенах платформы 4, постоянные магниты ротора 6 линейного двигателя. Чем длиннее сборка «массива Хальбаха», тем больше на краях магнитное поле, в виду того что сборка постоянных магнитов 5 (фиг. 4) в виде «массива Хальбаха» имеет на краях магнитное поле 7 больше чем в других местах, образуется «седло» для магнитного поля 8 более узкого постоянного магнита 2.

В виду того что магнит 5 (фиг. 2) шире магнита 2 и имеет закругленные края, то более сильное магнитное поле 7 (фиг. 4 и фиг. 5) на закругленном конце не взаимодействует с более сильным полем 8 магнита 2 в связи с большой удаленностью или магниты 5 (фиг. 3) в сборках массивов вариант Б и вариант В, где массив замкнут и магнитные поля большей мощности расположены только на двух краях, относительно платформы 4 (фиг. 1 и фиг. 2) вверху и внизу. Если край не скруглять или не делать массив замкнутым, то будет четыре более сильных поля на краях массива, что не даст создать вдоль магнита 5 платформы 4 продольную канавку из магнитного поля («седло»), в этом случае «седло» будет строго по центру массива и магнитное поле не даст двигаться меньшему магниту 2 не водном направлении.

Работает устройство магнитной левитации и поперечной стабилизации транспортного средства на постоянных магнитах следующим образом. Более широкий магнит 5 (фиг. 4) создает магнитное поле 7 в виде «седла» в которое помещается магнитное поле 8 более узкого магнита 2. Магнитные поля 7 и 8 упираются друг в друга создавая вертикальную левитацию (поперечную устойчивость), а большие поля упираясь друг в друга создают горизонтальную устойчивость. Создается сразу вертикальная и горизонтальная левитация, конструкция не нуждается в колесах и боковых роликах не на стоянке, не на малой скорости. На постоянном магните 5 (фиг. 5) можно создать «седло» для магнитного поля магнита 2 в виде альтернативной сборки массива, когда магниты расположены друг к другу по одной линии разными полюсами. «Седло» из магнитного поля можно обеспечить конфигурацией магнитов в массиве, а также повышением мощности магнитов от центра к караю массива.

Чтобы увеличить нагрузку под магнитом 5 (фиг. 6) установлен на пути 1 вдоль на всем протяжении постоянный магнит 9 в сборке «массива Хальбаха» взаимодействуя с большим магнитным полем магнита 5, создает дополнительную магнитную подушку (горизонтальную левитацию). Конструкцию можно использовать для пассажирских и грузовых транспортных перевозок с самолетной скоростью.

как человек приближается к освоению левитации — РТ на русском

Физики Бристольского университета научились удерживать и перемещать в воздухе с помощью силы звука крупные предметы. Ещё несколько лет назад такое считалось практически невозможным: акустические тяговые лучи могли управлять только микроскопическими объектами. Учёные считают, что в будущем результаты эксперимента смогут пригодиться в медицине или производстве электроники. О весомом шаге на пути к левитации — в материале RT.

О лягушках и поездах

В прошлом веке слово «левитация» в научном мире вызывало усмешку. Успешных экспериментов, в ходе которых удавалось бы преодолеть земное притяжение без помощи разного рода двигателей, фактически не было.

Лишь в конце 90-х годов ХХ столетия выходцу из СССР, британскому физику Андрею Гейму удалось продемонстрировать прямую диамагнитную левитацию. Это открытие стало известным благодаря яркому опыту с живой лягушкой, которую Гейм заставил левитировать в магнитном поле. Правда, академиков эксперименты Гейма не впечатлили: будущий Нобелевский лауреат (2010 г.) за своё открытие удостоился лишь Шнобелевской премии (вручается за сомнительные научные открытия. — RT) в 2000 году. Однако уже через несколько лет магнитная левитация получила широкое применение.

«Шанхайские высокоскоростные поезда — маглевы, которые появились ещё в середине 2000-х, лишены колёс и парят над рельсами, не касаясь земли, под действием мощного электромагнитного поля», — рассказал в беседе с RT доктор физико-математических наук Юрий Балега.

В основу маглевов, скользящих по воздуху в нескольких сантиметрах над рельсами, положен принцип взаимодействия магнитных полюсов. На днище каждого из вагонов находятся мощные электромагниты. Такие же размещены и на рельсах.

«Пока маглевы, передвигающиеся на магнитных подушках, — самый известный пример левитирующих объектов, воплощённых в жизнь. Они могут перемещаться со скоростью выше 500 км/ч. Такие «парящие поезда» есть в Японии, Китае и Южной Корее. В России тоже собираются строить «магнитолевитационные» трассы между Петербургом и Москвой, но когда это будет реализовано, пока неизвестно», — говорит Балега. 

Сила звука

Несколько лет назад о значительном прогрессе в области научной левитации сообщили учёные из Бристоля. Чтобы удерживать в воздухе физическое тело, они использовали силу звука — так называемые акустические тяговые лучи. С их помощью создаётся силовое поле, которое удерживает предмет в воздухе. Регулируя интенсивность силового поля, объектом можно управлять: звуковые колебания действуют как «акустический пинцет». До сих пор подобным образом удавалось перемещать лишь крошечные предметы, размеры которых не превышали длину волны луча.

Также по теме

Пространственный прорыв: что узнали учёные о четвёртом измерении

Международная группа физиков провела два эксперимента, в ходе которых исследователям удалось зарегистрировать поведение частиц,. ..

Попытки поднимать более крупные объекты заканчивались неудачей: предметы двигались хаотично, постоянно ускоряясь под действием вращающегося звукового поля.

Но в новом эксперименте физики Бристольского университета стабилизировали тяговой луч, использовав расположенные по кругу акустические воронки. Учёным удалось изменить направление скручивания вихрей и взять под контроль скорость их вращения. После этого расстояние между воронками увеличили. Именно это позволило удержать в воздухе более крупный объект.  

При работе с ультразвуковыми волнами в 40 кГц, которые могут воспринимать только летучие мыши, исследователи смогли поднять в воздух двухсантиметровые шары из полистирола — самые большие предметы, которые когда-либо удавалось поднять акустическим тяговым лучом.

«У акустических тяговых лучей огромный потенциал. Меня особенно интересует идея бесконтактных производственных линий, на которых можно будет собирать хрупкие объекты, не касаясь их. Эту технологию можно будет применить, например, в медицине: направить капсулу с лекарством в нужное место организма для точечного воздействия», —  считает руководитель исследовательской группы, профессор Бристольского университета Брюс Дринкуотер.

Как отмечает Балега, важность эксперимента заключается в том, что у учёных впервые получилось управлять движением относительно крупных объектов.

«Пока это шарики диаметром два сантиметра. Результаты определённо могут пригодиться в производстве электроники. Левитация поможет перемещать маленькие части полупроводников в воздухе, избегая твёрдых конструкций, которые, управляя этими элементами, могут их случайно повредить», — заключил собеседник RT.

Магнитная левитация — обзор

Пример 11.11: Электродинамический пример Maglev

Системы с магнитной левитацией (Maglev ¹⁰ ), в которых используются сверхпроводящие магниты, имеют низкое демпфирование. Кроме того, было продемонстрировано, что эти электродинамические подвески могут иметь слегка отрицательное демпфирование при определенных условиях эксплуатации (с полюсами в правой полуплоскости). Следовательно, необходима система управления для предотвращения недемпфированных или нестабильных вертикальных колебаний.

Чтобы подвесить магнит статически, направленное вниз гравитационное притяжение нейтрализуется направленной вверх магнитной силой.Отклонение от положения равновесия приводит к возникновению возвращающей силы, подобной массе и пружине. Магнитная левитирующая сила, действующая на магнит, определяется выражением:

(11,52) fz = −kmz = −CiM2z

, где k _m — эквивалентная жесткость пружины, z — расстояние по вертикали относительно нулевое положение магнита , i _M — ток магнита, а C — постоянная, которая учитывает геометрию магнита и катушки и относительную скорость между магнитом и левитирующими катушками.

Предполагая, что есть инкрементные изменения в силах, вертикальном положении магнита и токах магнита, может быть сгенерирована линеаризованная модель, связывающая инкрементные изменения в вертикальном положении магнита с изменениями инкрементного тока магнита. Вертикальная сила, вертикальное положение и ток магнита даются как сумма постоянной составляющей и инкрементной составляющей:

(11,53) fz = Fz + f˜zz = Zo + z˜iM = IM + i˜m

Положив это в уравнение силы приводит к:

(11,54) fz≈ − CIM2Zo − CIM2z˜ − 2CIMZoi˜m

, где члены второго порядка и более высокие не учитывались.Поскольку M — масса, а г — ускорение свободного падения, в состоянии равновесия возникает результирующая магнитная сила, уравновешивающая силу тяжести:

(11,55) FZ = Mg = −CIM2Zo

Закон Ньютона применяется к магнит дает:

(11,56) Mⅆ2z˜ⅆt2 = fM − Mg = −CIM2z˜ − 2CIMZoi˜

, что дает:

(11,57) MCIM2ⅆ2z˜ⅆt2 + z˜ = 2MgkmIMi˜m

4 Использование константы пружины k и преобразование уравнения в частотную область дает:

(11.58) (Mkms2 + 1) z (s) = 2MgkmIMim (s)

, в результате получается передаточная функция между положением магнита и управляющим током магнита:

(11,59) z (s) im (s) = 2MgkmIM (Mkms2 + 1 )

Этот результат показывает, что эта подвеска имеет два полюса оси jω (рисунок 11. 58), как и в простой системе масса-пружина без потерь:

РИСУНОК 11.58. График полюсов установки для примера на Маглеве (Пример 11.11), показывающий полюса на оси jω .

(11.60) sp1,2 = ± jkmM

Типичные числа для секции подвесного магнита Maglev следующие:

M = 10,000 кг

k _m = 10 ⁵ Н / см = 10 ⁷ Н / м

I _M = 10 ⁴ A

В результате получается резонансная частота ω _o = 31.6 рад / с (или f _o = 5 Гц) и передаточная функция объекта:

(11,61) z (s) im (s) = 1,96 × 10−6 (10−3s2 + 1) = As2ωo2 +1

Полюса расположены на оси jω , соответствующей недемпфированной подвеске (рисунок 11.59). Чтобы улучшить ездовые качества пассажиров, стойки подвески необходимо переместить в левую полуплоскость, выбрав соответствующий элемент управления.

РИСУНОК 11.59. Ступенчатая характеристика некомпенсированной подвески Maglev из примера 11.11.

Система компенсируется с помощью обратной связи по скорости и положению, как показано на рисунке 11.60. Обратная связь по скорости эквивалентна добавлению демпфирования в систему.

РИСУНОК 11.60. Блок-схема системы управления для примера Maglev из Примера 11.11, показывающая усиление прямого пути ( K _f ), обратную связь по скорости ( K _v ) и обратную связь по положению ( K _p ).

Система управления с K _v = 10 ⁵ и K _p = 10 ⁴ приводит к системе с передаточной функцией с обратной связью:

(11.62) H (s) = 1,64 × 10–68,36 × 10–4s2 + 1,64 × 10–2s + 1

Полюса замкнутого контура имеют коэффициент демпфирования ζ = 0,28 и положения полюсов -9,8 ± j (33,2) рад / с. Следовательно, мы ожидаем некоторых колебаний около 33 рад / с (5,2 Гц). Полученная в результате система управления приводит к гораздо более хорошей переходной характеристике (рис. 11.61).

РИСУНОК 11.61. Переходная характеристика компенсированной системы Маглева из примера 11.11.

Как работает магнитопровод | Министерство энергетики

Что, если бы вы могли добраться из Нью-Йорка в Лос-Анджелес менее чем за семь часов, не садясь в самолет? Это могло быть возможно на поезде Маглев.

Маглев — сокращение от магнитной левитации — поезда могут проследить свои корни до технологии, впервые разработанной в Брукхейвенской национальной лаборатории. Джеймс Пауэлл и Гордон Дэнби ​​из Брукхейвена получили первый патент на конструкцию поезда с магнитной левитацией в конце 1960-х годов. Идея пришла к Пауэллу, когда он сидел в пробке и думал, что должен быть лучший способ передвижения по суше, чем автомобили или традиционные поезда. Он придумал идею использовать сверхпроводящие магниты для левитации вагона.Сверхпроводящие магниты — это электромагниты, которые во время использования охлаждаются до экстремальных температур, что резко увеличивает мощность магнитного поля.

Первый коммерчески эксплуатируемый высокоскоростной сверхпроводящий поезд на магнитной подушке Маглев был открыт в Шанхае в 2004 году, другие уже эксплуатируются в Японии и Южной Корее. В Соединенных Штатах изучается ряд маршрутов для соединения таких городов, как Балтимор и Вашингтон, округ Колумбия.

В Маглеве сверхпроводящие магниты подвешивают вагон поезда над U-образной бетонной направляющей.Как и обычные магниты, эти магниты отталкиваются друг от друга, когда совпадающие полюса обращены друг к другу.

«Вагон поезда на маглеве — это просто коробка с магнитами на четырех углах», — говорит Джесси Пауэлл, сын изобретателя Маглева, который сейчас работает со своим отцом. Это немного сложнее, но концепция проста. Используемые магниты являются сверхпроводящими, а это означает, что, когда они охлаждаются до температуры менее 450 градусов по Фаренгейту ниже нуля, они могут генерировать магнитные поля в 10 раз сильнее, чем обычные электромагниты, достаточные для приостановки и движения поезда.

Эти магнитные поля взаимодействуют с простыми металлическими петлями, встроенными в бетонные стены направляющей Маглев. Петли сделаны из проводящих материалов, таких как алюминий, и когда магнитное поле движется мимо, он создает электрический ток, который генерирует другое магнитное поле.

Три типа петель устанавливаются на направляющих с определенными интервалами для выполнения трех важных задач: одна создает поле, которое заставляет поезд парить примерно на 5 дюймов над направляющей; вторая удерживает поезд в горизонтальном положении.Обе петли используют магнитное отталкивание, чтобы удерживать вагон поезда в оптимальном положении; чем дальше он удаляется от центра направляющей или чем ближе к основанию, тем большее магнитное сопротивление толкает его обратно на путь.

Третий набор контуров — это силовая установка, работающая от переменного тока. Здесь и магнитное притяжение, и отталкивание используются для перемещения вагона по рельсовым путям. Представьте себе коробку с четырьмя магнитами — по одному на каждом углу. Передние углы имеют магниты с северными полюсами наружу, а задние углы имеют магниты с южными полюсами наружу.Электрификация контуров движения генерирует магнитные поля, которые тянут поезд вперед спереди и толкают его сзади.

Эта конструкция с плавающим магнитом обеспечивает плавное срабатывание. Несмотря на то, что поезд может двигаться со скоростью до 375 миль в час, водитель испытывает меньшую турбулентность, чем на традиционных поездах со стальными колесами, потому что единственным источником трения является воздух.

Еще одно большое преимущество — безопасность. Поезда на маглеве «двигаются» механизированной направляющей. Любые два поезда, идущие по одному и тому же маршруту, не могут догнать друг друга и врезаться друг в друга, потому что все они движутся с одинаковой скоростью.Точно так же традиционные сходы поездов с рельсов, которые происходят из-за слишком быстрого поворота, не могут произойти с Maglev. Чем дальше поезд на магнитной подвеске удаляется от своего нормального положения между стенками рельсов, тем сильнее становится магнитная сила, толкающая его обратно на место.

Эта основная функция больше всего волнует Джесси Пауэлла. «С Маглевом нет водителя. Транспортные средства должны двигаться туда, куда их отправляет сеть. Это основная физика. Итак, теперь, когда у нас есть компьютерные алгоритмы для очень эффективной маршрутизации, мы можем изменять планирование всей сети на лету.В будущем это приведет к гораздо более гибкой транспортной системе », — сказал он.

Хотя эта захватывающая технология не используется сегодня в Соединенных Штатах, если Пауэлл и его команда добьются своего, однажды вы можете плыть к следующему пункту назначения.

Примечание редактора: этот пост написал научный писатель из Брукхейвенской национальной лаборатории, одной из 17 национальных лабораторий Министерства энергетики.

маглев | Факты, работа и системы

maglev , также называемый поездом на магнитной подушке или поездом на магнитной подушке , плавающим транспортным средством для наземного транспорта, которое поддерживается либо за счет электромагнитного притяжения, либо за счет отталкивания. Маглевы были разработаны в начале 1900-х годов американским профессором и изобретателем Робертом Годдардом и американским инженером французского происхождения Эмилем Бачелет и находятся в коммерческом использовании с 1984 года, при этом некоторые из них работают в настоящее время, а в будущем будут предложены обширные сети.

Маглевы включают базовый факт о магнитных силах — например, магнитные полюса отталкиваются друг от друга, а противоположные магнитные полюса притягиваются друг к другу — для подъема, движения и направления транспортного средства по рельсам (или направляющим). Движение и левитация на маглеве могут включать использование сверхпроводящих материалов, электромагнитов, диамагнетиков и редкоземельных магнитов.

Подробнее по этой теме

железная дорога: Маглев

В качестве альтернативы высокоскоростному рельсу на базе традиционных фланцевых колесных транспортных средств, технология магнитной левитации, или maglev , …

Электромагнитная подвеска (EMS) и электродинамическая подвеска (EDS)

В эксплуатации находятся два типа маглевов. Электромагнитная подвеска (EMS) использует силу притяжения между магнитами, присутствующими на боковых и нижних сторонах поезда, а также на направляющих для левитации поезда.Вариант системы EMS, называемый Transrapid, использует электромагнит для снятия поезда с рельсов. Притяжение магнитов на нижней стороне транспортного средства, которые охватывают железные рельсы направляющей, удерживают поезд примерно на 1,3 см (0,5 дюйма) над направляющей.

Системы электродинамической подвески (EDS) похожи на EMS во многих отношениях, но магниты используются для отталкивания поезда от рельсов, а не для их притяжения. Эти магниты переохлаждены и обладают сверхпроводимостью и обладают способностью проводить электричество в течение короткого времени после отключения электроэнергии.(В системах EMS потеря мощности отключает электромагниты.) Кроме того, в отличие от EMS, заряд намагниченных катушек направляющих в системах EDS отталкивает заряд магнитов на ходовой части поезда, так что он поднимается выше (обычно в диапазон 1–10 см [0,4–3,9 дюйма]) над направляющей. Поезда EDS медленно поднимаются, поэтому их колеса должны разворачиваться со скоростью менее 100 км (62 миль) в час. Однако после левитации поезд движется вперед за счет движения, обеспечиваемого катушками направляющих, полярность которых постоянно меняется из-за переменного электрического тока, питающего систему.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас Маглевы

устраняют ключевой источник трения — трения колес поезда о рельсы — хотя они все равно должны преодолевать сопротивление воздуха. Отсутствие трения означает, что они могут развивать более высокие скорости, чем обычные поезда. В настоящее время технология магнитных левов позволяет производить поезда, которые могут путешествовать со скоростью более 500 км (310 миль) в час. Эта скорость вдвое выше, чем у обычного пригородного поезда, и сравнима с TGV (Train à Grande Vitesse), который используется во Франции, который движется со скоростью от 300 до 320 км (186 и 199 миль) в час.Однако из-за сопротивления воздуха маглевы лишь немного более энергоэффективны, чем обычные поезда.

Преимущества и затраты

Маглев имеет ряд других преимуществ по сравнению с обычными поездами. Они менее дороги в эксплуатации и обслуживании, поскольку отсутствие трения качения означает, что детали не изнашиваются быстро (как, например, колеса обычного железнодорожного вагона). Это означает, что при эксплуатации поезда потребляется меньше материалов, поскольку детали не нужно постоянно заменять.Конструкция вагонов на магнитной подвеске и железной дороги делает сход с рельсов крайне маловероятным, а железнодорожные вагоны на магнитной подвеске могут быть построены шире, чем обычные железнодорожные вагоны, что дает больше возможностей для использования внутреннего пространства и делает их более комфортными для езды. Маглевы практически не загрязняют воздух во время работы. , потому что топливо не сжигается, а отсутствие трения делает поезда очень тихими (как внутри, так и снаружи вагонов) и обеспечивает очень плавную езду для пассажиров. Наконец, магнитолевые системы могут работать на более высоких подъемах (до 10 процентов), чем традиционные железные дороги (ограниченные примерно 4 процентами или меньше), что снижает необходимость рытье туннелей или выравнивать ландшафт для размещения путей.

Самым большим препятствием для развития систем магнитной подвески является то, что они требуют совершенно новой инфраструктуры, которая не может быть интегрирована с существующими железными дорогами и которая также будет конкурировать с существующими автомагистралями, железными дорогами и воздушными маршрутами. Помимо стоимости строительства, при разработке железнодорожных систем на магнитной подвеске необходимо учитывать то обстоятельство, что они требуют использования редкоземельных элементов (скандий, иттрий и 15 лантаноидов), восстановление и очистка которых может оказаться довольно дорогостоящим. Однако магниты, изготовленные из редкоземельных элементов, создают более сильное магнитное поле, чем магниты из феррита (соединения железа) или альнико (сплавы железа, алюминия, никеля, кобальта и меди), чтобы поднимать и направлять вагоны поезда по рельсам.

Системы на магнитной подвеске

За прошедшие годы было разработано несколько систем поездов, использующих магнитную подвеску, большинство из которых работает на относительно небольших расстояниях. Между 1984 и 1995 годами в Великобритании была разработана первая коммерческая магнитолевая система как шаттл между аэропортом Бирмингема и ближайшей железнодорожной станцией, находящейся на расстоянии около 600 метров (около 1970 футов). Германия построила в Берлине маглев (M-Bahn), который начал работу в 1991 году, чтобы преодолеть брешь в системе общественного транспорта города, вызванную Берлинской стеной; тем не менее, в 1992 году, вскоре после сноса стены, M-Bahn была демонтирована.Всемирная выставка 1986 года (Expo 86) в Ванкувере включала в себя небольшой участок системы магнитной подвески в пределах выставочного центра.

В настоящее время по всему миру работают шесть коммерческих магнитолевых систем. Один расположен в Японии, два — в Южной Корее и три — в Китае. В Айти, Япония, недалеко от Нагои, до сих пор работает система Linimo, построенная для Всемирной выставки 2005 года. Его длина составляет около 9 км (5,6 миль), на этом расстоянии есть девять остановок, а скорость составляет около 100 км (62 мили) в час.Корейский Rotem Maglev проходит в городе Тэджон между выставочным парком Тэджон и Национальным музеем науки, на расстоянии 1 км (0,6 мили). Inch’n Airport Maglev имеет шесть станций и идет от международного аэропорта Inch’n до станции Yongyu, расположенной в 6,1 км (3,8 мили) от отеля. Самая длинная коммерческая система магнитной подвески находится в Шанхае; Он покрывает около 30 км (18,6 миль) и проходит от центра Шанхая до международного аэропорта Пудун. Линия является первым высокоскоростным коммерческим магнитным левом, работающим с максимальной скоростью 430 км (267 миль) в час.В Китае также есть две низкоскоростные магнитопроводы, работающие со скоростью 100 км (62 миль) в час. Маглев Чанша соединяет аэропорт этого города со станцией в 18,5 км (11,5 миль), а линия S1 пекинского метро имеет семь остановок на расстоянии 9 км (6 миль).

Япония планирует создать к 2027 году систему высокоскоростного магнитного подвески Chuo Shinkansen, которая соединит Нагою с Токио, на расстояние 286 км (178 миль), с продлением до Осаки (514 км [319 миль). ] из Токио) запланировано на 2037 год.Планируется, что Тюо Синкансэн будет путешествовать со скоростью 500 км (310 миль) в час и совершит путешествие Токио-Осака за 67 минут.

Сара Э. Босло

Подробнее читайте в связанных статьях Britannica:

• ж / д: Маглев

  В качестве альтернативы высокоскоростным рельсам на основе традиционных колесных транспортных средств с фланцами технология магнитной левитации, или maglev , получила значительное внимание и исследования, хотя ее практическое применение было ограничено стоимостью, соображениями безопасности и удовлетворенностью. с традиционными высокоскоростными системами.Автомобиль maglev …

• транспорт

  перевозка, перемещение товаров и людей с места на место и различные средства, с помощью которых осуществляется такое перемещение. Рост способности — и потребности — перевозить большие количества товаров или людей на большие расстояния с высокими скоростями с комфортом и безопасностью …

• Роберт Годдард

  Роберт Годдард, американский профессор и изобретатель, общепризнанный отцом современной ракетной техники.В 1919 году он опубликовал свой классический трактат «Метод достижения экстремальных высот».…

Как они это делают? Более пристальный взгляд на квантовую магнитную левитацию

В течение трех лет, когда я был студентом-физиком, выступая на научных магических шоу и днях открытых дверей, я убеждал студентов (а иногда и их родителей), что я был своего рода волшебником, левитируя небольшой магнит в форме куба. . Магнит парил над сверхпроводником всего на сантиметр или около того, но этого было достаточно, чтобы помахать листком бумаги между ними, чтобы доказать, что никаких ниток буквально не было.Прикосновение к одному краю куба заставляло его вращаться на месте, и даже если вы толкали магнит вниз, он снова решительно отскакивал вверх — если этого не произошло, это означало, что сверхпроводник должен быть холоднее.

Простым рецептом этого научно обоснованного заклинания было бы брызги жидкого азота для охлаждения керамического сверхпроводника, покоящегося в резервуаре из пенополистирола, и магнит, который создает сильное постоянное магнитное поле из редкоземельных элементов.

Левитация работает благодаря сверхпроводимости, которую можно понять с помощью основных принципов проводимости.Определенные элементы и материалы, метко названные проводниками, служат в качестве проводников, что означает, что электроны могут проходить через них с относительной легкостью. Эти электроны по-прежнему сталкиваются с атомами, составляющими проводник, и теряют немного энергии при каждом столкновении. Но при охлаждении до достаточно холодной температуры электроны могут свободно течь через проводник без каких-либо столкновений. Это потому, что электроны образуют пары при чрезвычайно низких температурах (тогда как тепло может разорвать предварительную связь между ними).Хотя их связи слабые, их сила выражается в цифрах: спаривание делает так, что столкновения, которые обычно высасывают энергию из электронного потока, не имеют никакого эффекта, потому что столкновения слабее, чем связь электронов.

Критическая температура сверхпроводника — насколько холодным он должен быть, чтобы эти пары были возможны — зависит от его материала. Металлические сверхпроводники, такие как чистый алюминий или ниобий, например, имеют чрезвычайно низкие критические температуры, обычно всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.Однако использовать один из них для домашнего эксперимента невозможно, если только у вас нет большого количества жидкого гелия. (Жидкий гелий кипит при 4,2 кельвина или около –270 градусов по Цельсию, всего на несколько градусов ниже абсолютного нуля). К счастью, есть альтернатива: высокотемпературные сверхпроводники, представляющие собой керамику, состоящую из нескольких элементов, которые позволяют электронам свободно течь при температурах, немного превышающих большинство критических.

77 К (около –196 градусов Цельсия) не похоже на день в тропиках, но в мире сверхпроводников это просто жаркое.Это также температура, при которой жидкий азот — гораздо более доступный, чем жидкий гелий — кипит. Для большинства высокотемпературных керамических сверхпроводников, например из оксида иттрия, бария, меди (YBCO) или оксида висмута, стронция, кальция, меди (BSCCO), можно использовать жидкий азот для охлаждения их ниже их критических температур.

Теперь у нас есть две части головоломки: высокотемпературный сверхпроводник и достаточно жидкого азота, чтобы он оставался прохладным. Но как мы можем удерживать магнит над охлаждаемым сверхпроводником? (Или наоборот: в нашем видео с Ричардом Гэрриотом он поместил охлажденный сверхпроводник над слоем редкоземельных магнитов.)

Квантовая магнитная левитация сводится к так называемому эффекту Мейснера, который возникает только тогда, когда материал достаточно холодный, чтобы вести себя как сверхпроводник. При нормальных температурах магнитные поля могут нормально проходить через материал. Однако, когда становится достаточно холодным, чтобы проявлять сверхпроводимость, эти магнитные поля исчезают. Любые магнитные поля, которые проходили через него, должны вместо этого перемещаться вокруг него. Когда магнит помещается над сверхпроводником при критической температуре, сверхпроводник отталкивает свое поле, действуя как магнит с тем же полюсом, заставляя магнит отталкиваться, то есть «плавать» — никакой магической ловкости рук не требуется.

Магнитная левитация — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 10

Введение

Да будет свет! В этом уроке мы построим простой магнитный левитатор. В этом руководстве будет рассмотрена часть теории, как использовать датчик магнитного поля и как использовать его для построения базовой схемы левитации. Наконец, мы пойдем немного дальше и создадим плавающий фонарь с беспроводным питанием.

Необходимые материалы

Чтобы следовать примерам в этом руководстве, вам потребуются следующие материалы:

Внимание! LM358 планируется для EOL. Мы рекомендуем AS358 в качестве замены операционному усилителю общего назначения. Деталь совместима с 358.

Другие запчасти, которые мы не несем:

• Аналоговый датчик на эффекте Холла
• 1N5401 Диод
• Катушка индуктивности 1 мГн

Необходимые инструменты

Инструменты, необходимые для этого проекта, — мультиметр и паяльник, но доступ к осциллографу также поможет при тестировании.

Цифровой мультиметр — базовый

В наличии TOL-12966

Цифровой мультиметр (DMM) — незаменимый инструмент в арсенале каждого энтузиаста электроники. Цифровой мультиметр SparkFun, h…

21 год

Рекомендуемая литература

Если вы не знакомы со следующими концепциями, мы рекомендуем ознакомиться с этими руководствами, прежде чем продолжить.

Как использовать макетную плату

Добро пожаловать в чудесный мир макетов. Здесь мы узнаем, что такое макетная плата и как с ее помощью построить вашу самую первую схему.

Как пользоваться мультиметром

Изучите основы использования мультиметра для измерения целостности цепи, напряжения, сопротивления и тока.

Основы теории

Когда дело доходит до магнитной левитации, существует два вида левитации: притягивающая и отталкивающая.В этом руководстве мы собираемся использовать привлекательную схему левитации, так как с ней намного проще приступить к работе. Как известно, у магнита два полюса — северный и южный. Магнитные поля одинаковой полярности отталкиваются друг от друга, а противоположные полюса притягиваются. При магнитной левитации нам необходимо фиксированное магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами, и магнитное поле, которым мы можем управлять для позиционирования постоянных магнитов.

Изображение любезно предоставлено Geek3 через Википедию, CC BY-SA 3.0

Чтобы создать управляемое магнитное поле, мы можем использовать индуктор.Катушки индуктивности накапливают энергию подобно конденсаторам; в то время как конденсаторы хранят напряжение в виде электрического поля, индукторы накапливают ток, создавая магнитное поле. Здесь мы будем использовать магнитное поле индуктора для взаимодействия с магнитами. При притягивающей левитации индуктор используется для противодействия силе тяжести, которая затем притягивает магнит к индуктору.

Если магнит подходит слишком близко к индуктору, напряженность поля магнита будет достаточно сильной, чтобы прилипнуть к индуктору, независимо от того, какой ток проходит через индуктор.Однако, если магнит находится слишком далеко от индуктора, напряженность магнитного поля будет слишком слабой по сравнению с силой тяжести, чтобы ее можно было подтянуть вверх. Таким образом, хитрость состоит в том, чтобы найти окно, в котором магнит недостаточно силен, чтобы подтянуться сам по себе, но с притяжением противоположного поля индуктора магнит может преодолевать гравитацию. Чтобы отслеживать его положение, мы будем использовать датчик магнитного поля, называемый датчиком на эффекте Холла.

Датчик эффекта Холла

Датчик Холла — это устройство, которое используется для измерения силы магнитного поля.Выходной сигнал датчика прямо пропорционален силе магнитного поля, проходящего через него. Нам понадобится датчик SS496B, который имеет аналоговый выход напряжения . Существуют и другие датчики на эффекте Холла, которые действуют как переключатель и включаются или выключаются только при наличии магнитного поля. В следующем разделе мы увидим, как датчик реагирует на присутствие наших магнитов.

Тестирование датчика Холла

Давайте сначала проверим, как работает датчик.С помощью макета подключите 5V к выводу напряжения питания, заземление к земле, а к выходному выводу подключите либо пробник осциллографа, чтобы наблюдать за изменением напряжения, либо мы можем использовать мультиметр в режиме напряжения, чтобы наблюдать за изменением напряжения.

Без магнита выходное напряжение составляет около 2,5 В . На одной стороне магнита по мере приближения магнита к датчику напряжение уменьшается. Если перевернуть магнит и поднести его ближе к датчику, вы увидите увеличение выходного напряжения.Обратите внимание на то, с какой стороны падает напряжение. Это может помочь сделать отметку перманентным маркером, что будет полезно в нашем следующем тесте.

Примечание: Магниты, использованные на фотографиях, круглые, размером около 0,5 дюйма в диаметре и 0,1 дюйма в высоту, но квадратные магниты также подойдут. Важно то, что это неодимовые (также известные как редкоземельные) магниты.

Однако, прежде чем перейти к следующему тесту, нам нужно удлинить выводы нашего датчика, добавив провода.Хорошая идея — добавить термоусадочную трубку вокруг каждого паяного соединения, чтобы убедиться, что они не закорачиваются вместе, но немного изоленты вокруг выводов тоже подойдет. На изображении ниже датчик имеет красный провод для подачи положительного напряжения, черный для отрицательного и желтый провод для аналогового выхода.

Пока паяльник горячий, самое время припаять провод к индуктору. Использование разных цветов для двух контактов индуктора может помочь в устранении неполадок в дальнейшем.

Построение схемы управления

Как упоминалось в Основах теории, важно, чтобы магнит располагался достаточно близко к магнитному полю индуктора, чтобы он мог взаимодействовать с магнитом, но не настолько близко, чтобы собственное магнитное поле магнита могло подтянуться к магнитному полю. индуктор независимо от мощности. Что нам нужно, так это способ управления индуктором, чтобы, когда магнит находится слишком далеко, индуктор притягивал магнит ближе, но выключался, когда он приближался слишком близко, чтобы гравитация все еще могла тянуть его обратно вниз.

Перед тем, как приступить к подключению электроники, необходимо сделать подставку для удержания индуктора над землей. В этом руководстве не рассматривается создание подставки, но ниже представлена ​​фотография подставки, используемая для справки. Индуктор висит примерно на 5 дюймов над столом, и для крепления индуктора к подставке используются болт 8-32 (~ 1,5 дюйма в длину) и гайка.

Совет: Убедитесь, что к болту может прилипать магнит. Металлический материал болта будет «фокусировать» силовые линии магнитного поля на индукторе, и магнит будет притягиваться к центру индуктора.

После установки индуктора нам нужно прикрепить датчик Холла к головке болта. Если на датчике есть оголенный металл, используйте кусок изоленты, чтобы изолировать датчик от болта, и закрепите датчик большей изолентой, как показано ниже. Обратите внимание, что изогнутая сторона датчика обращена в сторону от индуктора.

Схема компаратора

Для управления катушкой индуктивности мы собираемся использовать операционный усилитель в конфигурации, называемой компаратором, который сравнивает выходной сигнал датчика Холла с опорным напряжением, подключенным к другому входному выводу.Опорное напряжение устанавливается с помощью потенциометра, действующего как делитель напряжения — это создает регулируемое аналоговое напряжение между 0 В и 5 В . Напряжение потенциометра представляет собой напряжение, которое мы хотим, чтобы датчик Холла считывал, в зависимости от того, как далеко находится магнит.

В этой схеме используются две шины напряжения: 5 В и 12 В . Шина 12 В питает катушку индуктивности и операционный усилитель, а шина 5 В используется для опорного напряжения и датчика Холла.Идеально подходят два источника питания, потому что, если шина 12 В переходит в режим ограничения тока и напряжение падает, датчик Холла не будет иметь достаточно высокого напряжения, чтобы определить, когда магнит достаточно близко. Однако вы можете обойтись одной шиной питания с помощью линейного регулятора напряжения LM7805. Если вы планируете использовать два источника питания, убедитесь, что вы соединяете заземления вместе , иначе схема не будет работать правильно.

Примечание: Схема показывает U2 как SS494, но следует использовать SS496 , так как он имеет большую чувствительность, но распиновка такая же.

Схема компаратора

Фриттинг изображение схемы компаратора

После того, как схема построена, мы будем использовать мультиметр для измерения напряжения на неинвертирующем входе (вывод 2 операционного усилителя) и повернуть ручку потенциометра, пока она не покажет 0V . Затем мы разместим магнит на расстоянии около 2 см от датчика, или примерно на толщину большого пальца. По сути, магнит должен находиться в «зоне наилучшего восприятия» — в положении немного дальше, чем положение, в котором магнит хочет самостоятельно подтянуться и прилипнуть к катушке индуктивности.

Если посмотреть на выходное напряжение операционного усилителя (вывод 1), оно должно быть 9-12V . Пока магнит находится в нужном положении, мы собираемся медленно повернуть потенциометр и увеличивать опорное напряжение, пока не увидим изменение напряжения с 12 В на 0 В . Небольшое перемещение магнита вверх и вниз должно изменить выход операционного усилителя с высокого на низкий и с низкого на высокий.

Компаратор пытается поддерживать равные напряжения между входными контактами и устанавливает на выходе высокий или низкий уровень, чтобы значение датчика соответствовало опорному значению.На следующем этапе мы подключим нашу индуктивность к выходу операционного усилителя и попытаемся заставить магнит левитировать!

Левитирующий магнит

Теперь, когда мы понимаем, как компаратор будет управлять индуктором, давайте попробуем левитировать магнит. Операционные усилители хороши для управления сигналами, но для более крупных приложений, подобных этому, нам понадобится МОП-транзистор. Выключите питание схемы, которую мы построили в предыдущем разделе, и подключите следующую схему.Следите за тем, чтобы не пропустить диод! Когда катушка индуктивности отключается, создаваемое ею магнитное поле разрушается, что может вызвать большой скачок напряжения и повредить МОП-транзистор. На схеме указан диод 1N4007, но диод 1N5401 должен лучше работать с всплесками тока обратного хода.

Примечание: Схема показывает U2 как SS494, но следует использовать SS496 , так как он имеет большую чувствительность, но распиновка такая же.

Схема компаратора с индуктором

Фриттинг изображение цепи компаратора с индуктором

При выключенном питании поверните ручку потенциометра до упора в одну сторону так, чтобы опорное напряжение было установлено на 5V .Затем включите питание и убедитесь, что на выходе операционного усилителя отображается значение 0V . Поместите магниты между большим и средним пальцами, как показано ниже. Ваш большой палец сможет поймать магнит, если его подтянуть к индуктору, а ваш средний палец будет там, чтобы уравновесить магниты и поймать их, если магниты упадут.

Другой рукой медленно уменьшите опорное напряжение. Когда вы приблизитесь к точке перехода от построения схемы управления, магниты должны начать левитировать.Если магниты подпрыгивают до большого пальца, снова увеличьте напряжение и попробуйте еще раз. После некоторой практики и небольших, но точных движений магниты смогут левитировать.

Совет: Если магнит пытается перевернуться так, что метка на магнитах направлена ​​в сторону от индуктора, магнитные поля будут одинаковыми и отталкиваются друг от друга. Изменение полярности подключения индуктора решит эту проблему.

Возможность считывать ток от источника питания 12 В — хороший способ увидеть, где находится точка левитации.Когда магнит находится слишком близко, ток должен быть менее 10 мА. С магнитами, которые я использую, величина используемого тока составляет около 80 мА, и я могу левитировать в окне на расстоянии 2-3 см от индуктора. Немного попрактиковавшись, вы тоже сможете заставить свои магниты левитировать!

Беспроводное питание

Если левитации магнита недостаточно, вы можете добавить еще больше сложности, добавив светодиод с беспроводным питанием. Этот шаг требует еще нескольких инструментов, которые есть не у всех.Для этого раздела вам понадобится:

Сборка передаточной катушки

Индуктор, используемый для левитации магнитов, обеспечивает мощность, достаточную только для удержания магнита в нужном положении. Для беспроводной передачи энергии нам нужно сделать вторую катушку индуктивности, которую мы намотаем с помощью магнитной проволоки. Магнитный провод — это тонкий провод с еще более тонким изоляционным слоем. Это позволяет катушкам проводов быть еще ближе друг к другу и увеличивает создаваемую индуктивность по сравнению с таким же количеством витков нормально изолированного провода.

Беспроводная передача энергии работает по тому же принципу, что и трансформатор, где у вас есть один индуктор, индуцирующий ток на другом индукторе, за исключением того, что вместо использования железного сердечника для передачи потока от одного индуктора к другому он использует воздух, аналогично тесла. катушка. Одна из проблем беспроводной передачи энергии в том, что она очень неэффективна. Первичная сторона трансформатора будет потреблять много энергии для выработки небольшого количества энергии на вторичной.

Создание первичной обмотки

Первичная обмотка состоит из 25 витков магнитной проволоки 30 калибра с центральным диаметром 1 дюйм.Поскольку инженеры не могут что-либо выбросить, я использовал пустую катушку для подключения провода с отрезанным одним концом, чтобы соскользнуть с магнитного провода.

Чтобы катушка не раскрутилась, вы можете отрезать небольшой кусок дополнительного магнитного провода и обернуть его вокруг первичной обмотки с двух сторон, чтобы она сохраняла свою форму. Эмалевое покрытие на проводе затрудняет прилипание припоя к проводу. Итак, с помощью небольшого количества наждачной бумаги отпилите часть эмали, чтобы можно было припаять пару контактов, как показано ниже, или припаять провод прямо к катушке, чтобы добраться до макета.

Создание вторичного

Вторичная сторона была сделана таким же образом, за исключением того, что на этот раз использовалось 100 витков магнитного провода, а также диод и два конденсатора для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока для светодиода. См. Схему ниже.

Схема создания вторичного устройства беспроводной передачи энергии

Отрежьте несколько дополнительных кусков магнитной проволоки, чтобы удерживать вторичную обмотку вместе, как это было сделано с первичной обмоткой. На этот раз отрежьте более крупные куски, чтобы обернуть их вокруг радиатора светодиода и удерживать его в центре вторичной обмотки.Кусок двустороннего скотча использовался для крепления магнитов к нижней части радиатора светодиода. При установке магнитов убедитесь, что метка на магнитах направлена ​​в сторону от светодиода.

Вторичный узел в сборе — верх	Вторичный узел в сборе — снизу

Создание основного драйвера и тестирование

Чтобы вызвать ток во вторичной катушке, нам нужно сгенерировать сигнал переменного тока с помощью функции или генератора частоты, который позволит нам найти лучшую частоту для использования с этими индукторами, которые мы сделали.Как и в случае с операционным усилителем для схемы левитации, функциональный генератор не может подавать очень большой ток, поэтому нам нужно использовать другой МОП-транзистор для управления нашей первичной катушкой. Схема довольно проста, с прямоугольным входным сигналом, имеющим амплитуду 5V и смещением постоянного тока 2,5V (нам нужна прямоугольная волна, которая поднимается до 5 В и от низкого до 0 В). Обязательно прикрепите к этому МОП-транзистору радиатор, так как он довольно быстро нагревается.

Чтобы найти лучшую частоту для использования, я использовал свой измеритель LCR, который может измерить индуктивность моей вторичной катушки, а также получить точное значение для C1 из схемы, и рассчитал, что резонансная частота составляет около 80 кГц.Существует баланс между частотой и потребляемым током от источника питания. Чем ниже частота, тем ярче будет светодиод, но эффективность чрезвычайно низка, и МОП-транзистор, управляющий первичной катушкой, будет очень горячим. Лучший подход к этой проблеме — определить, какую частоту вы можете использовать и при этом иметь достаточную яркость светодиода.

Присоединение первичной обмотки к левитирующему индуктору

Теперь, когда беспроводная передача энергии работает, пришло время присоединить первичный индуктор беспроводного питания к индуктору левитации.С помощью небольшого количества изоленты прикрепите изготовленный нами индуктор на 25 витков к нижней части индуктора левитации, где находится датчик эффекта Холла.

В поисках новой дистанции левитации

Вес светильника и магнитов теперь значительно больше, чем с одними только магнитами. Отключив первичный источник питания беспроводной сети от остальной цепи, используйте потенциометр опорного напряжения для регулировки расстояния левитации. Из-за массы магниты должны быть расположены значительно ближе, примерно на 1 см.Уменьшение напряжения на потенциометре уменьшит расстояние левитации. Как только у вас будет левитировать свет, вы можете повторно подключить первичный и включить и выключить выход функционального генератора для управления светодиодом.

Я упоминал ранее, что это неэффективно. Но насколько неэффективно? Я измерил ток около 50 мА, а напряжение на светодиоде было 2,72 В, так что схема получает около 136 мВт мощности. Источник питания установлен на 12 В, а при левитации магнита и включенном свете схема потребляет 886 мА, или 10.6 Вт, что составляет 1,3% КПД. Честно говоря, схема левитации потребляет около 450 мА, поэтому эффективность беспроводной передачи энергии действительно составляет около 2,5%. Теперь, когда мы знаем, на какой частоте может работать наша беспроводная силовая цепь, генератор функций можно заменить новой схемой, использующей таймер 555 для генерации прямоугольного сигнала.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Один из способов развить этот проект — повысить эффективность беспроводной передачи энергии.Если у вас есть доступ к измерителю LCR, который может измерять индуктивность, емкость, а также сопротивление, вы можете найти точные значения L1 и C1 вторичных обмоток и ввести их в вычислитель LC-резонанса. Как только вы узнаете резонансную частоту вторичной обмотки, вы можете измерить индуктивность первичной катушки, и калькулятор вернет значение емкости. Добавление этого конденсатора параллельно первичной катушке индуктивности и настройка генератора сигналов на эту частоту должны повысить эффективность.А пока ознакомьтесь с ссылками ниже:

Вам нужно больше вдохновения? Ознакомьтесь с другими замечательными руководствами от SparkFun:

Повязки на голову со светодиодными помпонами

Следуйте этому руководству, чтобы сделать свою собственную повязку на голову с помпоном с подсветкой! Попробуйте версию для начинающих, если вы новичок в электронике, или расширенную версию, если у вас есть больше опыта!

Беспроводная удаленная метеостанция с micro: bit

Следите за погодой, не подвергаясь ее воздействию, благодаря беспроводной связи между двумя micro: bit с помощью радиоблоков! Это полезно, если ваша метеостанция установлена ​​в месте, где трудно получить данные из OpenLog.Мы также рассмотрим несколько различных способов отправки и получения данных.

Магнитная левитация: возвращение великого транспорта «а что, если?» | Города

На первый взгляд это выглядит как обычный поезд, курсирующий между многоквартирными домами и изумрудными холмами на западной окраине Пекина, но футуристический автомобиль на самом деле является частью новейшей транспортной игрушки китайской столицы — системы магнитной левитации (маглев).

Поскольку никакая часть транспортных средств не касается какой-либо части восьмикилометровой (пяти миль) линии, поезда на новом маршруте S1 от Шичан до Пингоюань скользят почти бесшумно, без дымящих дизельных двигателей и без визга металла о металл. колеса на колее.

«Маглев не изнашивается, не имеет контактного шума и очень низкий уровень вибрации», — говорит Джи Ли, разработавший линию S1, открывшуюся год назад. «Я думаю, что маглев взлетит».

Как летающие автомобили, монорельсовые дороги с ракетным топливом и сверхзвуковые пассажирские самолеты, маглев является одним из великих «а что, если?».

Но маглев существует уже несколько десятилетий. Наряду с летающими автомобилями, монорельсовыми дорогами на ракетных двигателях и сверхзвуковыми пассажирскими самолетами, это одно из великих «а что, если?» технологии.Предполагалось, что он изменит наши города, но так и не получил широкого распространения — по крайней мере, за пределами Азии.

Тем не менее, в последние несколько лет новое поколение инженеров потихоньку разрабатывало более дешевые и более эффективные магнитолевые системы, некоторые из которых достигли невероятных скоростей 500 км / ч (370 миль в час) и выше. А с проектами «Hyperloop», продвигаемыми Илоном Маском, по сути, поездами на магнитной подвеске в вакууме, сторонники технологии полагают, что это может получить еще один шанс.

Маглев, курсировавший в аэропорт Бирмингема с 1984 по 1995 год.

Начало в Бирмингеме

Первый в мире коммерческий магнитопровод на магнитной подвеске открылся в 1984 году в Бирмингеме. Эта плавучая капсула, разработанная компанией British Rail, отправлялась в аэропорт с технологической точки зрения на много миль впереди всего в мире в то время.

Поколение путешественников наслаждалось плавной, футуристической поездкой по разрастающимся автостоянкам, полицейскому участку и проезжей части с двусторонним движением, пока из-за высоких затрат на техническое обслуживание оно не было закрыто 11 лет спустя. Революционные вагоны в конечном итоге были брошены в изгородь в нескольких милях от взлетно-посадочной полосы, прежде чем в конечном итоге были проданы на eBay.

Германия также внедрила технологию магнитолевой подвески. Компании под названием Transrapid было поручено построить систему магнитной подвески от Мюнхена до своего аэропорта, заменив ледниково медленную S-Bahn, но проект был заморожен, когда сметные расходы почти удвоились до 3 миллиардов евро.

Московский вагон ТА-05, поезд на магнитной подвеске, изображенный в советском научно-фантастическом фильме, в котором он носил название «Огненный шар». Фотография: EnglishRussia.com

В Берлине на короткое время работал медленный магнитопровод, и такие разные города, как Тимишоара, Ванкувер и Москва, разработали и испытали их собственные автомобили, но ни один из них не был введен в эксплуатацию в полном объеме.В частности, московский ТА-05 был пышной классикой с китчевым дизайном, который даже был показан в советском научно-фантастическом фильме.

Медленные маглевы также ходили в Гамбурге и Касселе в Германии — часто как недолговечные выставочные уловки.

Мечта Европы о высокоскоростном маглеве закончилась в 2006 году после того, как 23 человека погибли, когда поезд на магнитной подвеске на испытательном треке Transrapid в Эмсланде, Германия, наехал на ремонтный автомобиль. Несколькими годами ранее Transrapid разработал самый быстрый пассажирский поезд в мире — Шанхайский маглев, который до сих пор курсирует до аэропорта Пудун со скоростью 431 км / ч, — но он так и не выиграл ни одного контракта после крушения в Эмсланде.Тестовый трек простаивает.

Авария Emsland в 2006 году, когда высокоскоростной магнитный поезд Transrapid столкнулся с машиной технического обслуживания во время пробного запуска. Катастрофа фактически положила конец использованию технологии магнитолевой подвески в Европе. Фотография: Томас Старке / Getty Images

Европа теперь предпочитает высокоскоростные поезда с колесами. Франция проложила более 2600 км высокоскоростных путей, а Испания — более 3200 км, при этом самые быстрые европейские поезда работают со скоростью более 320 км / ч.

Великобритания вкратце обдумывала предложение Ultraspeed о прокладке магнитопровода из Лондона в Шотландию стоимостью 30 млрд фунтов стерлингов на 500 км / ч в 2005 году, но вместо этого остановила свой выбор на высокоскоростной железнодорожной линии HS2.Строительство HS2 сейчас оценивается в 56 миллиардов фунтов стерлингов, а скорость поездов составит до 360 км / ч.

Через Атлантику в середине 1990-х рассматривали возможность прокладки маглев из аэропорта Питтсбурга в Гринсбург, а в 2011 году был отменен проект на маглеве из Питтсбурга в Филадельфию. В 2012 году у Орландо почти был момент на маглеве, но он отказался. В Сан-Диего был испытательный трек, и в 2005 году рассматривался вопрос о строительстве более длинного, чтобы соединиться с новым городским аэропортом. Все эти предприятия были заброшены по соображениям экономии.

Новый поезд серии L0, предназначенный для движения по предстоящему маршруту Токио-Осака со скоростью до 500 км / ч.Линия должна открыться в 2037 году. Фотография: Asahi Shimbun / Asahi Shimbun через Getty Imag

Азиатская игрушка 21-го века

Это города Азии, которые приняли маглев в 21-м веке. Скоростной маглев в Шанхае — самый быстрый коммерческий высокоскоростной электропоезд в мире, а в Японии строящийся маглев из Токио в Осаку превзойдет всех со скоростью 500 км / ч, когда откроется в 2037 году, сократив путь. время от четырех часов на сверхскоростном экспрессе до 40 минут.

Низкоскоростные маглевы включают новую линию в Пекине, 8-километровый маршрут в Цинъюань, открытие которого запланировано на сентябрь, и другие маршруты в Чанше и Сеуле.

Десятки китайских городов, в том числе Чэнду, Шэньчжэнь, Ухань и Гуанчжоу, рассматривают возможность установки новых магнитопроводов. Системы были предложены недавно в Бангалоре, Гонконге и Тайбэе.

Еще один американский проект остался на чертежной доске — магнитный лев, который проложит короткое расстояние между Балтимором и Вашингтоном, округ Колумбия, городами, которые могли бы стать почти близнецами, если бы не кошмарное движение между ними в час пик.Если где-нибудь в США построят маглев, он будет там.

В то время как хвастовства Кремниевой долины уносят большие бюджеты на безумные маркетинговые кампании, ученые на магнитной подвеске тихо подключаются к сети

Между тем, пока показы Кремниевой долины уносят большие бюджеты на сумасшедшие маркетинговые кампании и комичные запуски, ученые, работающие на маглеве, продолжают незаметно откладывать деньги.

Сергей Смирнов в этом году организовал в Санкт-Петербурге проводимую раз в два года конференцию для инженеров, предпринимателей и энтузиастов маглев.Вместо пышности в стиле TED и бесплатного кокосового латте, мероприятие открылось хором и завершилось прогулкой на лодке по Неве, где оркестр в белых костюмах играл джазовые стандарты. Все это казалось странным анахронизмом для такой футуристической технологии.

«На протяжении десятилетий маглев не мог предложить лучшего продукта с точки зрения цены и эффективности, чем высокоскоростные рельсы, — говорит сам инженер Смирнов. «Теперь, благодаря работе многих ученых и инженеров, маглев предлагает скорость намного выше, чем у поездов с колесами, и имеет самые низкие эксплуатационные расходы среди любого транспорта.”

Эта технология также невероятно энергоэффективна и оказывает очень незначительное воздействие на окружающую среду.

После 30 лет продвижения магнитолевых систем в США, бывший инженер Transrapid Ларри Блоу с оптимизмом смотрит в их будущее. «Поскольку все больше и больше людей испытывают различия в скорости, уровне шума, комфорте езды и безопасности, присущие маглеву, я уверен, что он станет более популярным во всем мире», — говорит он.

Возможно, в ближайшие годы магнитные притяжения маглева повлияют на большее количество городов.

Подпишитесь на Guardian Cities в Twitter, Facebook и Instagram, чтобы присоединиться к обсуждению, и изучите наш архив здесь

Лаборатория высокопольных магнитов (HFML)

Не говоря уже о научной фантастике, наука знает разные способы левитации. Например, вертолет можно рассматривать как очень впечатляющее левитационное устройство, которое использует поток воздуха для удержания в воздухе.

Ученые также нашли много способов левитировать объекты без какого-либо шума или без потребности в бензине или воздухе, используя электромагнитные поля.Левитирующие поезда и левитирующие дисплеи — всего лишь два примера электромагнитной левитации. Однако для удержания объекта на плаву всегда требуется источник энергии (по крайней мере, двигатель или аккумулятор). Удалите аккумулятор, и левитация неизбежно прекратится.

Реальная левитация

Современная наука знает только один способ достичь настоящей левитации, такой, что не требуется дополнительных затрат энергии, а левитация может длиться вечно. Эта левитация использует диамагнетизм, способность многих материалов отводить часть внешнего магнитного поля.Электроны в таких материалах немного меняют свои орбиты, вытесняя внешнее поле. В результате диамагнитные материалы отталкиваются сильными магнитными полями.

Три основные схемы, использующие различные аспекты диамагнетизма, обеспечивают истинную левитацию:

	Сверхпроводящая левитация Сверхпроводники обладают идеальным диамагнетизмом и полностью исключают магнитное поле при низких температурах.На картинке изображен борец сумо, стоящий на платформе с парящим магнитом, который парит над высокотемпературным сверхпроводником. Сверхпроводник охлаждается жидким воздухом и спрятан под платформой.
	Обычные вещи, даже люди, могут левитировать, если их поместить в сильное магнитное поле.Хотя большинство обычных материалов, таких как дерево или пластик, кажутся немагнитными, все они обладают очень слабым диамагнетизмом. Такие материалы можно левитировать с помощью магнитных полей силой около 10 Тесла.
	Очень низкие температуры (такие, что воздух превращается в жидкость) и мощные магниты (такие, что кастрюли вытягиваются с расстояния в несколько метров) — это не то, что вы, вероятно, будете иметь дома, чтобы иметь возможность наблюдать сверхпроводящую или диамагнитную левитацию.Теперь, наконец, появился способ создать миниатюрные левитирующие устройства. No related posts. Разное Похожие записи Как правильно промывать нос при насморке: эффективные методы и растворы 18.11.2024 Питание кормящей мамы: что можно есть при грудном вскармливании 17.11.2024 Лучшая зимняя обувь для детей 2 лет: выбираем комфортные и надежные модели 16.11.2024 Детская комната для новорожденного: оформление, дизайн и планировка 15.11.2024 Увлажнитель воздуха: польза и вред для здоровья, отзывы специалистов и пользователей 14.11.2024 Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт +7 495 120-13-73, 8 800 500-97-74; [email protected] [email protected] Карта сайта