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 on bezpośredniego kontaktu z otoczeniem. 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:
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 lewitacja jest stabilna. Zasadę działania prezentuje poniższy uproszczony schemat.
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:
- C1- 2200uF, 32V
- C2, C3, C4 - 100nF
- R1 - dobrać odpowiedni, tak by laser świecił z odpowiednią intensywnością
- R2, R3 - 3,3K
- R4 - 4,7K
- R5 - 10K
- R6 - 150K
- R7 - 10K
- R8 - 1K
- R9 - 47K
- R10 - 1K
- LED1 - laser półprzewodnikowy
- D1 - szybka dioda prostownicza
- T1, T2 - fototranzystory
- T3 - BUZ11
- U1 - 7805
- U2 - LM358
- L - elektromagnes według opisu
Laser półprzewodnikowy to najzwyczajniejszy wskaźnik laserowy. Należy go rozmontować i przylutować przewody. Dobrze jest go zabezpieczyć odcinkiem rurki termokurczliwej.
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.
Wszystkie elementy należy zestawić według schematu:
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) i 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:
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.
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:
- Earnshaw S., On the nature of the molecular forces which regulate the constitution of the luminferous ether, Transactions of the Cambridge Philosophical Society, 1984, 7, str. 97-112
- Jayawant B.V., Electromagnetic suspension and levitation, Reports on Progress in Physics, 1981, vol. 44, str. 412–477
- Valle R., Neves F., de Andrade Jr R., Stephan R.M., Electromagnetic Levitation of a Disc, IEEE Transactions on Education, 2012, vol. 55, iss. 2, str. 248–254
- Williams D., Electromagnetic Levitator, Electronics Now, 1996, vol. 43, iss. 3, str. 336–342
Marek Ples