Weird Science

Lewitacja magnetyczna - stabilizacja fotoelektryczna

Nie­możl­iwe?

Pol­skie słowo "lewi­ta­cja" pocho­dzi od łacińs­kiego ter­minu "levi­tas" ozna­cza­jącego lek­kość. Lewi­ta­cja to swo­bodne uno­sze­nie się jakie­goś przed­miotu bez kon­taktu z pod­ło­żem.

Lewi­ta­cją zwano dom­nie­mane zja­wi­sko parap­sy­cho­lo­giczne lub efekt ilu­zjo­ni­styczny pole­ga­jący na uno­sze­niu się w powie­trzu ludzi lub przed­mio­tów. Dziś ist­nieje jed­nak wiele tech­nicz­nych metod prak­tycz­nego zre­a­li­zo­wa­nia lewi­ta­cji nawet dużych przed­mio­tów. Aktywna lewi­ta­cja magne­tyczna jest jedną z prost­szych, mało kło­po­tli­wych spo­so­bów i dla­tego jest przed­mio­tem tego opra­co­wa­nia.

Pod­stawy dzia­ła­nia.

Na obiekt w sta­nie lewi­ta­cji wywie­rana jest siła utrzy­mu­jąca go w sta­nie zawie­sze­nia, przy tym nie ma bez­po­śred­niego kon­taktu z przed­mio­tem. W przy­padku lewi­ta­cji magne­tycz­nej siła ta pocho­dzi od odzia­ły­wa­nia magne­tycz­nego. Lewi­ta­cja jest sta­nem, w którym obiekt lewi­tu­jący nie spada. Siły dzia­ła­jące na obiekt obra­zuje rysu­nek:

Ilustracja

Gdzie Fg to siła przy­ciąga­nia ziem­skiego, zaś Fm to prze­ciw­dzia­ła­jąca jej siła przy­ciąga­nia pocho­dząca od elek­tro­ma­gnesu. W myśl I zasady dyna­miki New­tona ciało nie poru­sza się, gdy nie dzia­łają na nie żadne siły, lub gdy siły te się rów­no­ważą. W tym wypadku zacho­dzi druga ewen­tu­al­ność: by obiekt lewi­to­wał musi zajść rów­ność Fg=Fm.

Istot­nym prak­tycz­nym pro­ble­mem jest tu jed­nak fakt, że nie ist­nieje sta­tyczny sta­bilny układ sił magne­tycz­nych czy elek­tro­sta­tycz­nych umożl­i­wia­jący lewi­ta­cję! Twier­dze­nie Earn­shawa mówi, że siły odw­rot­nie zależne od kwa­dratu odle­gło­ści nie­stety two­rzą układy nie­sta­bilne.

Mimo wszystko ist­nieją metody uzy­ska­nia sta­bil­nej lewi­ta­cji. Jedną z nich jest metoda aktyw­nej sta­bi­li­za­cji. Polega ona na tym, że siła przy­ciąga­nia jest związana ujem­nym sprzęże­niem zwrot­nym z poło­że­niem obiektu. Odle­głość obiektu od elek­tro­ma­gnesu jest na bie­żąco mie­rzona (w tym przy­padku na dro­dze foto­e­lek­trycz­nej) i siła przy­ciąga­nia jest odpo­wied­nio kory­go­wana. W ten spo­sób obiekt lewi­ta­cja jest sta­bilna. Zasadę dzia­ła­nia pre­zen­tuje poniższy uprosz­czony sche­mat.

Ilustracja

Występują tutaj dwa foto­e­le­menty: jeden z nich mie­rzy poło­że­nie obiektu, zaś drugi poziom oświe­tle­nia tła. Dzięki temu oświe­tle­nie pocho­dzące z innego źródła niż laser zostaje wye­li­mi­no­wane. Pocho­dzący z nich sygnał jest prze­twa­rzany przez układ auto­ma­tyki: wzmac­niany i różn­icz­ko­wany. Na wyj­ściu układu znaj­duje się tran­zy­stor, który ste­ruje elek­tro­ma­gne­sem.

Budowa

By zbu­do­wać urządze­nie do magne­tycz­nej lewi­ta­cji musimy udać się do naj­bliższego sklepu z arty­ku­łami elek­tro­nicz­nymi i nabyć ele­menty z poniższej listy:

Laser półp­rze­wod­ni­kowy to naj­zwy­czaj­niej­szy wskaźnik lase­rowy. Należy go roz­mon­to­wać i przy­lu­to­wać prze­wody. Dobrze jest go zabez­pie­czyć odcin­kiem rurki ter­mo­kurcz­li­wej.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Musimy jesz­cze wyko­nać elek­tro­ma­gnes. Ja swój nawi­nąłem dru­tem trans­for­ma­to­ro­wym o śred­nicy 0,3mm na kar­ka­sie skle­jo­nym z kar­tonu. Rdzeń jest wyko­nany z bla­chy trans­for­ma­to­ro­wej, ale można zasto­so­wać też zwy­kłą śrubę.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Wszyst­kie ele­menty należy zesta­wić według sche­matu:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

T1 to czuj­nik pozy­cji, zaś T2 mie­rzy tło oświe­tle­nia. U2A jest wzmac­nia­czem różn­i­co­wym o wzmoc­nie­niu rów­nym około 2 (sto­su­nek R5/R4). Sygnał z niego jest prze­ka­zy­wany na układ różn­icz­ku­jący zło­żony z C4 i R7. Różn­iczka lub ina­czej pochodna to funk­cja mate­ma­tyczna, której wynik mówi o szyb­ko­ści zmian funk­cji pier­wot­nej. Zróżn­icz­ko­wany sygnał zostaje podany na drugi wzmac­niacz. Ma on wzmoc­nie­nie około 47x (sto­su­nek R9/R8), który wzmac­nia sygnał do poziomu wystar­cza­jącego do wyste­ro­wa­nia mos­feta mocy BUZ11, który z kolei ste­ruje cewką elek­tro­ma­gnesu. Dioda D1 gasi napięcie samo­in­duk­cji poja­wia­jące się w momen­cie zmian natęże­nia prądu pły­nącego przez elek­tro­ma­gnes. Sta­bi­li­za­tor napięcia U1 dostar­cza napięcia sta­łego dla wzmac­nia­czy ope­ra­cyj­nych i foto­tran­zy­sto­rów. Kon­den­sa­tor C1 wygła­dza napięcie zasi­la­jące. Rezy­stor R1 należy dobrać tak by laser świe­cił z odpo­wied­nią siłą. W razie pro­ble­mów można też sko­ry­go­wać war­to­ści opor­ni­ków R2,R3.

Wszystko należy zmon­to­wać solid­nie na płytce z wyjąt­kiem lasera, elek­tro­ma­gnesu i foto­tran­zy­sto­rów. Należy je umiej­sco­wić według powyższego sche­matu. Powinno to wyglądać mniej więcej tak:

Ilustracja

Następ­nie Możemy spróbo­wać umie­ścić deli­kat­nie na lini świa­tła lasera jakiś przed­miot wyko­nany z mate­riału fer­ro­ma­gne­tycz­nego lub magnes. Zależnie od wagi przed­miotu może to wyma­gać regu­la­cji odle­gło­ści od elek­tro­ma­gnesu. Na poniższym fil­miku może­cie zau­wa­żyć, że lewi­tu­jące przed­mioty są naprawdę sta­bilne (nie spa­dają nawet po roz­ch­wia­niu ich lub wpra­wie­niu w ruch obro­towy. Przed­mioty te mogą być dosyć ciężkie, jak na przy­kład widoczna połowa rdze­nia fery­to­wego od gene­ra­tora ramki z tele­wi­zora czarno-bia­łego.

Trzeba zazna­czyć, że podobny sys­tem auto­ma­tyki i sprzęże­nia zwrot­nego jest wyko­rzy­sty­wany w lewi­tu­jących ponad torem pociągach sys­temu MAGLEV. Dzia­ła­jący w ten spo­sób MLX01 (na zdjęciu poni­żej) osiąga pręd­ko­ści powy­żej 500 km/h.

Ilustracja

źródło: http://dai­ly­ge­ek­show.com/wp-con­tent/uplo­ads/2014/11/maglev-shin­kan­sen-sur-rails.jpg, dostęp: 25.11.2014

Ist­nieją też inne prak­tyczne spo­soby sta­bi­li­zo­wa­nia lewi­ta­cji, w tym także takie, które nie wyma­gają dodat­ko­wych nakła­dów ener­gii. O jed­nym z nich piszę tutaj.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa