Магнитная левитация

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

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.

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.

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.

Подъёмная сила

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 P mag.:

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

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

Автор:

Винoгрaдов Aндрeй Aлексaндрoвич