Магнитная левитация, стабилизированная спином
Магнитная левитация, стабилизированная вращением, представляет собой явление магнитной левитации , при котором вращающийся магнит или массив магнитов (обычно в виде волчка ) поднимается под действием магнитных сил над другим магнитом или массивом магнитов и стабилизируется за счет гироскопического эффекта из-за скорости вращения, которая ни слишком быстро, ни слишком медленно, чтобы обеспечить необходимую прецессию .
Это явление было первоначально обнаружено изобретателем из Вермонта Роем М. Харриганом в 1970-х годах. 3 мая 1983 года Харриган получил патент США на свое оригинальное левитационное устройство, основанное на открытом им явлении. [1] [2] Независимо от Харригана, изобретатель из Пенсильвании по имени Джозеф Чиффо сделал то же открытие в 1984 году, применив магнит с плоским основанием, геометрия которого существенно отличалась от запатентованной конструкции его предшественника, которая основывалась на тарельчатом креплении магнитов на основании. Дизайн Чиффо, опубликованный в журнале «Магниты в вашем будущем» за 1991 год. [3] Кроме того, он отличался от Харригана наличием неутяжеленного верха. [4] [5] Технология Харригана, либо отдельно, либо в сочетании с опубликованным Чиффо вариантом с плоским основанием, послужила основой для разработки массовых левитирующих игрушечных волчков, продаваемых под торговой маркой « Левитрон ».
В 2012 году [6] и 2014 г. [7] Макс Михаэлис сообщил, что магнитные волчки марки Левитрон работают под углами наклона 45° и 90° (т.е. с горизонтальной осью вращения) после использования новых конфигураций поддерживающих магнитных полей .
Физика
[ редактировать ]Теорема Эрншоу не позволяет статической конфигурации постоянных магнитов стабильно левитировать другой постоянный магнит или материалы, которые являются парамагнитными или ферромагнитными против силы тяжести . Однако эта теорема не применима к устройствам, состоящим из правильно сконфигурированного магнитного основания и соответствующего магнитного волчка, поскольку нестатическая природа вращающегося магнитного волчка в пределах порога нижних и верхних скоростей вращения действует как сбалансированный прецессирующий гироскоп , предотвращающий полюса его магнитного поля не могут полностью выровняться в том же направлении, что и полюса первичного поддерживающего тороидального поля магнитного основания (т. е.: посредством переворота сверху). В вертикально ориентированной конфигурации оси вращения это гироскопическое свойство с его необходимой прецессией позволяет ему сохранять свое поле в оппозиционной ориентации, динамически реагируя на направление поля центрального магнитного градиента тороидального поля его базового магнита(ов) и тем самым оставаться эгоцентричным восстанавливающим образом, левитируя вокруг возвышенной центральной точки внутри основного магнитного поля, где силы, действующие на верхнюю часть ( гравитационное , магнитное и гироскопическое) находятся в устойчивом равновесии , что позволяет волчку продолжать парить, находясь в яме с минимумом энергии . [8] (см.: магнитная левитация )
В лаборатории экспериментальные установки способны поднимать волчки в течение неопределенного периода времени, измеряя скорость вращения и поддерживая ее с помощью приводной катушки . Однако колебания температуры могут повлиять на стабильность, и без контроля температуры окружающей среды верхняя часть в конечном итоге упадет через несколько часов или дней из-за температурного коэффициента магнитов. [8]
Физика магнитной устойчивости аналогична магнитно-градиентным ловушкам . [8]
Левитация наклонной или горизонтальной оси вращения достигается путем наложения «макроловушки» на прецессионную «микроловушку», впервые описанную сэром Майклом Берри. [9] и Саймон, Хефлингер и Риджуэй. [8] Макроловушка создается комбинацией двух магнитных букв «V», а также притягивающего магнита, расположенного непосредственно над левитроном. Съемник действует как струна маятника.
См. также
[ редактировать ]- Электромагнитная подвеска
- Электродинамическое колесо
- Магнитный подшипник
- Электродинамический подшипник
- Левитрон
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Патент США 4 382 245.
- ^ Теодор Грей (2 февраля 2004 г.). «Неведение = Маглев = Блаженство» . Как2.0 . Популярная наука . Проверено 28 февраля 2015 г.
Этот волчок, парящий над магнитным основанием, был запатентован в 1983 году жителем Вермонта по имени Рой Харриган.
- ^ «Магниты в вашем будущем» .
- ^ Род Драйвер (22 сентября 1999 г.). «Удивительное изобретение и провальный патент (Часть 1 из 2)» . Журнал Провидения . Альтернативный URL
- ^ Род Драйвер (23 сентября 1999 г.). «Патент, проваливший свое изобретение (Часть 2 из 2)» . Журнал Провидения. Альтернативный URL
- ^ Михаэлис, Макс М. (2012). «Опыты с наклонным левитроном». Американский журнал физики . 80 (11). Американская ассоциация учителей физики (AAPT): 949–954. Бибкод : 2012AmJPh..80..949M . дои : 10.1119/1.4742756 . ISSN 0002-9505 .
- ^ Михаэлис, Макс М (18 декабря 2013 г.). «Левитрон по горизонтальной оси - демонстрация физики». Физическое образование . 49 (1). Издательство ИОП: 67–74. дои : 10.1088/0031-9120/49/1/67 . ISSN 0031-9120 . S2CID 121645252 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Саймон, Мартин Д.; Хефлингер, Ли О.; Риджуэй, СЛ (1997). «Спин-стабилизированная магнитная левитация» . Американский журнал физики . 65 (4). Американская ассоциация учителей физики (AAPT): 286–292. Бибкод : 1997AmJPh..65..286S . дои : 10.1119/1.18488 . ISSN 0002-9505 . Проверено 6 декабря 2006 г.
- ^ Берри, Майкл Виктор (31 декабря 1996 г.). «Левитрон: адиабатическая ловушка для спинов». Труды Лондонского королевского общества. Серия А: Математические, физические и технические науки . 452 (1948). Королевское общество: 1207–1220 гг. Бибкод : 1996RSPSA.452.1207B . дои : 10.1098/rspa.1996.0062 . ISSN 1364-5021 . S2CID 125190530 .