Magnetická levitace - Magnetic levitation

Magnetická levitace ( maglev ) nebo magnetická suspenze je metoda, kterou je předmět zavěšen bez jiné podpory než magnetických polí . Magnetická síla se používá k potlačení účinků gravitační síly a jiných sil.

Dvěma hlavními problémy magnetické levitace jsou zvedací síly : zajištění síly vzhůru, která působí proti gravitaci, a stabilita : zajištění toho, aby se systém samovolně neposunul ani nepřevrátil do konfigurace, kde je výtah neutralizován.

Magnetická levitace se používá pro vlaky maglev , bezkontaktní tavení , magnetická ložiska a pro účely zobrazení produktů.

Výtah

Magnetické materiály a systémy se mohou přitahovat nebo tlačit navzájem od sebe nebo dohromady silou závislou na magnetickém poli a oblasti magnetů. Například nejjednodušším příkladem zdvihu by byl jednoduchý dipólový magnet umístěný v magnetických polích jiného dipólového magnetu, orientovaný podobnými póly proti sobě, takže síla mezi magnety odpuzuje dva magnety.

K generování zdvihu pro magnetickou levitaci byly použity v podstatě všechny typy magnetů; permanentní magnety, elektromagnety, feromagnetismus, diamagnetismus, supravodivé magnety a magnetismus způsobený indukovanými proudy ve vodičích.

Pro výpočet výše zdvihu lze definovat magnetický tlak .

Například magnetický tlak magnetického pole na supravodič lze vypočítat podle:

${\ displaystyle P _ {\ text {mag}} = {\ frac {B^{2}} {2 \ mu _ {0}}}}$

kde je síla na jednotku plochy v pascalech , je magnetické pole těsně nad supravodičem v teslase , a = 4π × 10 ⁻⁷  N · A ⁻² je propustnost vakua. ${\ displaystyle P _ {\ text {mag}}}$${\ displaystyle B}$${\ displaystyle \ mu _ {0}}$

Stabilita

Earnshawova věta dokazuje, že s použitím pouze paramagnetických materiálů (jako je feromagnetické železo) není možné, aby statický systém stabilně levitoval proti gravitaci.

Například nejjednodušší příklad zdvihu se dvěma odpuzujícími dipólovými magnety je vysoce nestabilní, protože horní magnet může klouzat do strany nebo se překlápět a ukazuje se, že žádná konfigurace magnetů nemůže zajistit stabilitu.

Nicméně, servomechanismy , použití diamagnetic materiálů, superconduction nebo systémy zahrnují vířivé proudy , aby stabilita má být dosaženo.

V některých případech je zvedací síla zajištěna magnetickou levitací, ale stabilitu zajišťuje mechanická podpěra nesoucí malé zatížení. Toto se nazývá pseudo-levitace .

Statická stabilita

Statická stabilita znamená, že jakýkoli malý posun od stabilní rovnováhy způsobí, že ji čistá síla vytlačí zpět do rovnovážného bodu.

Earnshawova věta přesvědčivě prokázala, že není možné stabilně levitovat pouze pomocí statických, makroskopických, paramagnetických polí. Síly působící na jakýkoli paramagnetický předmět v jakékoli kombinaci gravitačních , elektrostatických a magnetostatických polí způsobí, že poloha objektu bude přinejlepším nestabilní podél alespoň jedné osy a může být v nestabilní rovnováze podél všech os. Existuje však několik možností, jak učinit levitaci životaschopnou, například použití elektronické stabilizace nebo diamagnetických materiálů (protože relativní magnetická propustnost je menší než jedna); je možné ukázat, že diamagnetické materiály jsou stabilní podél alespoň jedné osy a mohou být stabilní podél všech os. Vodiče mohou mít relativní propustnost pro střídavá magnetická pole pod jednu, takže některé konfigurace využívající jednoduché elektromagnety poháněné střídavým proudem jsou samostabilní.

Dynamická stabilita

Dynamická stabilita nastává, když je levitační systém schopen tlumit jakýkoli pohyb podobný vibracím, ke kterému může dojít.

Magnetická pole jsou konzervativní síly, a proto v zásadě nemají vestavěné tlumení a v praxi je mnoho levitačních schémat podtlumeno a v některých případech negativně tlumeno. To může umožnit existenci vibračních režimů, které mohou způsobit, že položka opustí stabilní oblast.

Tlumení pohybu se provádí několika způsoby:

• externí mechanické tlumení (v podpěře), jako jsou palubní desky , přetahování vzduchu atd.
• tlumení vířivými proudy (vodivý kov ovlivněný polem)
• vyladěné tlumiče hmoty v levitovaném objektu
• elektromagnety ovládané elektronikou

Metody

Pro úspěšnou levitaci a ovládání všech 6 os (stupně volnosti; 3 translační a 3 rotační) lze použít kombinaci permanentních magnetů a elektromagnetů nebo diamagnetů nebo supravodičů a také atraktivní a odpudivá pole. Z Earnshawovy věty musí být přítomna alespoň jedna stabilní osa, aby se systém úspěšně vznášel, ale ostatní osy lze stabilizovat pomocí feromagnetismu.

Primární používané ve vlacích maglev jsou servo-stabilizované elektromagnetické odpružení (EMS), elektrodynamické odpružení (EDS).

Mechanické omezení (pseudo-levitace)

S malým množstvím mechanického omezení stability je dosažení pseudolevitace relativně přímočarý proces.

Pokud jsou například dva magnety mechanicky omezeny podél jedné osy a uspořádány tak, aby se navzájem silně odpuzovaly, bude to působit tak, aby levitoval jeden z magnetů nad druhým.

Další geometrie je místo, kde jsou magnety přitahovány, ale brání jim v dotyku tahovým členem, jako je provázek nebo kabel.

Dalším příkladem je odstředivka typu Zippe, kde je válec zavěšen pod přitažlivým magnetem a zespodu stabilizován jehlovým ložiskem.

Další konfigurace se skládá z řady permanentních magnetů instalovaných ve feromagnetickém profilu ve tvaru U a spojených s feromagnetickou kolejnicí. Magnetický tok protíná kolejnici ve směru příčném k první ose a vytváří uzavřenou smyčku na profilu ve tvaru písmene U. Tato konfigurace vytváří stabilní rovnováhu podél první osy, která udržuje kolejnici vystředěnou v bodě křížení toku (minimální magnetická reluktance) a umožňuje magneticky nést zátěž. Na druhé ose je systém omezen a vystředěn mechanickými prostředky, jako jsou kola.

Servomechanismy

Přitažlivost magnetu s pevnou pevností klesá se zvětšující se vzdáleností a zvyšuje se s bližšími vzdálenostmi. To je nestabilní. U stabilního systému je nutný opak, variace ze stabilní polohy by jej měly tlačit zpět do cílové polohy.

Stabilní magnetické levitace lze dosáhnout měřením polohy a rychlosti předmětu, který je levitován, a použitím zpětnovazební smyčky, která plynule upravuje jeden nebo více elektromagnetů, aby korigoval pohyb objektu, čímž se vytvoří servomechanismus .

Mnoho systémů používá magnetickou přitažlivost táhnoucí se nahoru proti gravitaci u těchto typů systémů, protože to poskytuje určitou inherentní boční stabilitu, ale některé používají kombinaci magnetické přitažlivosti a magnetického odpuzování k tlačení nahoru.

Oba systémy představují příklady elektromagnetické suspenze (EMS). Pro velmi jednoduchý příklad některé ukázky levitace na stole používají tento princip a k měření polohy objektu se používá objekt, který prořízne paprsek světla nebo metoda senzoru s Hallovým efektem. Elektromagnet je nad předmětem, který je levitován; elektromagnet se vypne vždy, když se předmět dostane příliš blízko, a znovu se zapne, když spadne dále. Tak jednoduchý systém není příliš robustní; existují mnohem efektivnější řídicí systémy, ale to ilustruje základní myšlenku.

Magnetické levitační vlaky EMS jsou založeny na tomto druhu levitace: Vlak se obtáčí kolem koleje a je tažen zespodu nahoru. Tyto servo ovládá ji udrželi bezpečně v konstantní vzdálenosti od trati.

Indukované proudy

Tato schémata fungují kvůli odpuzování kvůli Lenzovu zákonu . Když je vodič vybaven časově proměnným magnetickým polem, vytvoří se ve vodiči elektrické proudy, které vytvoří magnetické pole, které způsobí odpudivý účinek.

Tyto druhy systémů obvykle vykazují inherentní stabilitu, i když někdy je vyžadováno zvláštní tlumení.

Relativní pohyb mezi vodiči a magnety

Pokud pohybujete základnou z velmi dobrého elektrického vodiče, jako je měď , hliník nebo stříbro, blízko magnetu, bude ve vodiči indukován ( vířivý ) proud, který bude proti změnám v poli a vytvoří opačné pole, které odrazit magnet ( Lenzův zákon ). Při dostatečně vysoké rychlosti pohybu bude zavěšený magnet levitovat na kovu, nebo naopak se zavěšeným kovem. Litzový drát vyrobený z drátu tenčího, než je hloubka kůže, pro frekvence viděné kovem funguje mnohem efektivněji než pevné vodiče. Cívky podle obrázku 8 lze použít k udržení něčeho zarovnaného.

Zvláště technologicky zajímavý případ nastává, když se místo jednopólového permanentního magnetu použije Halbachovo pole , protože to téměř zdvojnásobí sílu pole, což zase téměř zdvojnásobí sílu vířivých proudů. Čistým účinkem je více než trojnásobek síly zdvihu. Použití dvou protilehlých Halbachových polí pole ještě zvětší.

Pole Halbach jsou také vhodná pro magnetickou levitaci a stabilizaci gyroskopů a vřeten elektromotorů a generátorů .

Oscilační elektromagnetická pole

Vodič může být vznášel nad elektromagnet (nebo naopak) se střídavým proudem teče přes to. To způsobí, že se jakýkoli běžný vodič chová jako diamagnet v důsledku vířivých proudů generovaných ve vodiči. Protože vířivé proudy vytvářejí vlastní pole, která jsou proti magnetickému poli, vodivý předmět je odpuzován z elektromagnetu a většina siločar magnetického pole již nepronikne do vodivého předmětu.

Tento efekt vyžaduje neferomagnetické, ale vysoce vodivé materiály, jako je hliník nebo měď, protože feromagnetické jsou také silně přitahovány k elektromagnetu (i když při vysokých frekvencích může být pole stále vyloučeno) a mají tendenci mít vyšší odpor poskytující nižší vířivé proudy. Nejlepší výsledky opět poskytuje litzový drát.

Efekt lze použít pro kaskadérské kousky, jako je levitace telefonního seznamu skrytím hliníkové desky v něm.

Při vysokých frekvencích (několik desítek kilohertzů nebo tak nějak) a kilowattových výkonech lze levitovat a roztavit malá množství kovů pomocí levitačního tavení bez rizika kontaminace kovu kelímkem.

Jedním zdrojem oscilačního magnetického pole, který se používá, je lineární indukční motor . Toho lze využít k levitaci i k pohonu.

Diamagneticky stabilizovaná levitace

Earnshawova věta neplatí pro diamagnety . Tyto chová opačným způsobem normálních magnetů vzhledem k jejich relativní propustnosti o u Stabilizátory _r <1 (tj záporné magnetické susceptibility ). Diamagnetická levitace může být ve své podstatě stabilní.

Permanentní magnet lze stabilně zavěsit pomocí různých konfigurací silných permanentních magnetů a silných diamagnetů. Při použití supravodivých magnetů lze levitaci permanentního magnetu dokonce stabilizovat malým diamagnetismem vody v lidských prstech.

Diamagnetická levitace

Diamagnetismus je vlastnost předmětu, který způsobuje, že vytváří magnetické pole v protikladu k externě aplikovanému magnetickému poli, což způsobuje odpuzování materiálu magnetickými poli. Diamagnetické materiály způsobují křivky magnetického toku od materiálu. Vnější magnetické pole konkrétně mění oběžnou rychlost elektronů kolem jejich jader, čímž mění magnetický dipólový moment.

Podle Lenzova zákona to odporuje vnějšímu poli. Diamagnety jsou materiály s magnetickou propustností menší než μ ₀ (relativní propustnost menší než 1). V důsledku toho je diamagnetismus formou magnetismu, který je projevován pouze látkou v přítomnosti externě aplikovaného magnetického pole. Je to obecně docela slabý efekt ve většině materiálů, ačkoli supravodiče vykazují silný účinek.

Přímá diamagnetická levitace

Látka, která je diamagnetická, odpuzuje magnetické pole. Všechny materiály mají diamagnetické vlastnosti, ale účinek je velmi slabý a obvykle je překonán paramagnetickými nebo feromagnetickými vlastnostmi objektu, které působí opačným způsobem. Jakýkoli materiál, ve kterém je diamagnetická složka silnější, bude odpuzován magnetem.

Diamagnetickou levitaci lze použít k levitaci velmi lehkých kousků pyrolytického grafitu nebo vizmutu nad středně silným permanentním magnetem. Protože voda je převážně diamagnetická, byla tato technika použita k levitaci vodních kapek a dokonce i živých zvířat, jako je kobylka, žába a myš. K tomu je však požadovaná magnetická pole velmi vysoká, obvykle v rozmezí 16 teslas , a proto způsobují značné problémy, pokud jsou poblíž feromagnetické materiály. Provoz tohoto elektromagnetu použitého v experimentu levitace žab vyžadoval výkon 4 MW (4000000 wattů).

Minimálním kritériem pro diamagnetickou levitaci je , kde: ${\ Displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}$

• ${\ displaystyle \ chi}$je magnetická citlivost
• ${\ Displaystyle \ rho}$je hustota materiálu
• ${\ displaystyle g}$je místní gravitační zrychlení (−9,8 m / s ² na Zemi)
• ${\ displaystyle \ mu _ {0}}$je propustnost volného prostoru
• ${\ displaystyle B}$je magnetické pole
• ${\ displaystyle {\ frac {dB} {dz}}}$ je rychlost změny magnetického pole podél svislé osy.

Za předpokladu ideálních podmínek podél z -směru magnetického magnetu:

• Voda levituje v${\ Displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} \ cca 1400 \ \ mathrm {T^{2}/m}}$
• Grafit levituje při${\ Displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} \ cca 375 \ \ mathrm {T^{2}/m}.}$

Supravodiče

Supravodiče mohou být považovány za dokonalé diamagnety a zcela vylučují magnetická pole v důsledku Meissnerova jevu, když se supravodivost zpočátku tvoří; supravodivou levitaci lze tedy považovat za konkrétní případ diamagnetické levitace. V supravodiči typu II je levitace magnetu dále stabilizována kvůli připnutí toku v supravodiči; to má tendenci zastavit pohyb supravodiče vzhledem k magnetickému poli, i když je levitovaný systém obrácen.

Tyto principy využívá EDS (elektrodynamická suspenze), supravodivá ložiska , setrvačníky atd.

K levitaci vlaku je potřeba velmi silné magnetické pole. Na JR-Maglev vlaky supravodivých magnetických cívek, ale JR-Maglev levitace není kvůli efektu Meissner.

Rotační stabilizace

Magnet nebo správně sestavené pole magnetů lze stabilně levitovat proti gravitaci, když je gyroskopicky stabilizováno otáčením v toroidním poli vytvořeném základním prstencem magnetu (magnetů). To však funguje pouze tehdy, když je rychlost precese mezi horními a dolními kritickými prahovými hodnotami - oblast stability je poměrně úzká jak prostorově, tak v požadované rychlosti precese.

Prvním objevem tohoto jevu byl Roy M. Harrigan , vynálezce Vermontu, který v roce 1983 patentoval levitační zařízení na jeho základě. Několik zařízení používající rotační stabilizace (jako je například populární Levitron byly vyvinuty značkové levitující horní hračka) odvoláním na tento patent. Pro univerzitní výzkumné laboratoře byla vytvořena nekomerční zařízení, která obvykle používají příliš silné magnety pro bezpečnou veřejnou interakci.

Silné zaostření

Earnshawova teorie striktně platí pouze pro statická pole. Střídavá magnetická pole, dokonce i čistě střídavá atraktivní pole, mohou navodit stabilitu a omezit trajektorii magnetickým polem, aby poskytly levitační efekt.

Toto se používá v urychlovačích částic k omezení a zvedání nabitých částic a bylo navrženo i pro vlaky maglev.

Využití

Známá použití magnetické levitace zahrnují maglevové vlaky, bezkontaktní tavení , magnetická ložiska a pro účely zobrazení produktů. V poslední době se navíc v oblasti mikrorobotiky přistupuje k magnetické levitaci .

Doprava Maglev

Maglev , neboli magnetická levitace , je dopravní systém, který pozastavuje, vede a pohání vozidla, převážně vlaky, pomocí magnetické levitace z velmi velkého počtu magnetů pro zvedání a pohon. Tato metoda má potenciál být rychlejší, tišší a plynulejší než kolové systémy hromadné dopravy . Tato technologie má potenciál překročit 6 400 km/h (4 000 mi/h), pokud je nasazena v evakuovaném tunelu. Pokud není nasazen v evakuované trubici, výkon potřebný k levitaci obvykle není nijak zvlášť velký procento a většina potřebné energie se použije k překonání odporu vzduchu , jako u jakéhokoli jiného vysokorychlostního vlaku. Některé prototypy vozidel maglev Hyperloop jsou vyvíjeny v rámci soutěže Hyperloop pod v letech 2015–2016 a očekává se, že počáteční zkušební jízdy ve vakuové trubici provedou později v roce 2016.

Nejvyšší zaznamenaná rychlost vlaku maglev je 603 kilometrů za hodinu (374,69 mph), dosažená v Japonsku 21. dubna 2015; O 28,2 km/h rychlejší než konvenční rychlostní rekord TGV . Vlaky Maglev existují a jsou plánovány po celém světě. Mezi pozoruhodné projekty v Asii patří supravodivý maglevový vlak Central Japan Railway Company a šanghajský vlak maglev , nejstarší komerční maglev, který je stále v provozu. Jinde byly zvažovány různé projekty v celé Evropě a severovýchod Maglev si klade za cíl přepracovat severoamerický severovýchodní koridor pomocí technologie SCMaglev společnosti JR Central .

Magnetická ložiska

• Magnetická ložiska
• Setrvačníky
• Odstředivky
• Točení magnetického kroužku

Tavení levitace

Elektromagnetická levitace (EML), patentovaná Muckem v roce 1923, je jednou z nejstarších levitačních technik používaných pro experimenty bez kontejnerů. Tato technika umožňuje levitaci předmětu pomocí elektromagnetů . Typická cívka EML má obrácené vinutí horní a dolní části napájené vysokofrekvenčním napájecím zdrojem.

Mikrorobotika

V oblasti mikrorobotiky byly zkoumány strategie využívající magnetickou levitaci. Zejména bylo ukázáno, že prostřednictvím takové techniky lze dosáhnout kontroly více agentů velikosti mikroskopického měřítka v definovaném pracovním prostoru. Několik výzkumných studií uvádí realizaci různých vlastních nastavení pro správné získání požadované kontroly mikrorobotů. V laboratořích společnosti Philips v Hamburku byl k provádění magnetické levitace a 3D navigace jednoho magnetického objektu použit vlastní systém klinického měřítka, integrující permanentní magnety i elektromagnety . Další výzkumná skupina integrovala vyšší počet elektromagnetů, tedy více magnetických stupňů volnosti , aby dosáhla 3D nezávislého ovládání více objektů pomocí magnetické levitace.

Historické víry

Legendy o magnetické levitaci byly ve starověku a středověku běžné a jejich šíření z římského světa na Blízký východ a později do Indie dokumentoval klasický učenec Dunstan Lowe. Nejdříve známým zdrojem je Plinius starší (první století n. L.), Který popsal architektonické plány železné sochy, která měla být zavěšena lodestone z klenby chrámu v Alexandrii. Mnoho následných zpráv popisovalo levitující sochy, relikvie nebo jiné předměty symbolického významu a verze legendy se objevily v různých náboženských tradicích, včetně křesťanství, islámu, buddhismu a hinduismu. V některých případech byly interpretovány jako božské zázraky, zatímco v jiných byly popisovány jako přírodní jevy, které byly falešně považovány za zázračné; jeden příklad posledně jmenovaného pochází od svatého Augustina, který ve své knize The City of God (c. 410 n. l.) odkazuje na magneticky zavěšenou sochu . Dalším společným rysem těchto legend je podle Loweho vysvětlení zmizení objektu, často zahrnující jeho zničení nevěřícími v bezbožných činech. Ačkoli je tento fenomén nyní chápán jako fyzicky nemožný, jak poprvé rozpoznal Samuel Earnshaw v roce 1842, příběhy magnetické levitace přetrvávají i v moderní době, přičemž jedním z prominentních příkladů je legenda o zavěšeném monumentu v chrámu Konark Sun ve východní Indii. .

Dějiny

• 1839 Earnshawova věta ukázala, že elektrostatická levitace nemůže být stabilní; později byla věta ostatními rozšířena na magnetostatickou levitaci
• 1913 Emile Bachelet v březnu 1912 udělil patent na „levitující vysílací zařízení“ (patent č. 1 020 942) na elektromagnetický závěsný systém
• 1933 Superdiamagnetismus Walther Meissner a Robert Ochsenfeld ( Meissnerův efekt )
• 1934 Hermann Kemper „jednokolejné vozidlo bez připojených kol“. Říšský patent číslo 643316
• 1939 Braunbeckovo rozšíření ukázalo, že magnetická levitace je možná s diamagnetickými materiály
• 1939 Hliníková deska Bedford, Peer a Tonks umístěná na dvou soustředných válcových cívkách ukazuje stabilní 6osou levitaci.
• 1961 James R. Powell a kolega z BNL Gordon Danby elektrodynamická levitace pomocí supravodivých magnetů a cívek „Nulový tok“ na obrázku 8
• 1970 Spin stabilizovaná magnetická levitace Roy M. Harrigan
• 1974 Magnetická řeka Eric Laithwaite a další
• 1979 transrapidní vlak přepravoval cestující
• 1981 První veřejně vystavený magnetický levitační systém s jedním upínáním ( Tom Shannon , kompas lásky, sbírka Musee d'Art Moderne de la Ville de Paris)
• 1984 Nízkorychlostní raketoplán maglev v Birminghamu Eric Laithwaite a další
• 1997 Diamagneticky levitovaná živá žába Andre Geim
• 1999 Elektrodynamická levitace s permanentním magnetem Inductrack (General Atomics)
• 2000 V Číně bylo úspěšně vyvinuto první testovací vozidlo Hlev maglev "Century" na světě.
• 2005 homopolární elektrodynamické ložisko

Viz také

Reference

externí odkazy