Принцип работы: В данной схеме сила притяжения генерируется между электромагнитом и постоянным магнитом. Равновесное положение нестабильно, и поэтому используется система автоматического контроля и управления. Датчиком контроля служит магнитоуправляемый датчик положения на основе эффекта Холла MD1. Он расположен в центре торца катушки и закреплен. Катушка намотана лакированной проволокой 0,35-04 мм, и имеет около 550 витков. Светодиод НL1 показывает своим свечением, что схема работает. Диод D1 обеспечивает быстродействие работы катушки.
Схема работает следующим образом. При включении ток идет через катушку, которая создает магнитное поле и притягивает магнит. Для того чтобы магнит не перевернулся, его стабилизируют, прикрепив к нему что нибудь снизу. Магнит взлетает и притягивается к электромагниту, но когда магнит попадает в зону действия датчика положения (МD1) он своим магнитным полем отключает его. Датчик в свою очередь подает сигнал на транзистор, который отключает электромагнит. Магнит падает. Выйдя из зоны чувствительности датчика, электромагнит снова включается и магнит опять притягивается к электромагниту. Таким образом, система непрерывно колеблется около некоторой точки.
Схема:
Для сборки нам понадобится:
1) резисторы 270Ом и 1кОм (0.125Вт)
2) транзистор IRF 740
3) светодиод
4) диод 1N4007
5) датчик Холла AH443
6) макетная плата
7) лакированная проволока 0.35-0.4мм
+ корпус, паяльник и т.п.
Схема:
Собираем катушку. Каркас можно сделать используя тонкий лист стеклотекстолита и старый фломастер.
Вырезаем: (примерный размер катушки: высота — 22мм, диаметр — 27мм)
Склеиваем вместе:
Наматываем примерно 550витков: (лакированная проволока 0.35-0.4мм, в навал, но более-менее стараемся мотать равномерно)
Паяем плату управления: (в качестве разъема питания я использовал обычный 3.5 mm miniJack)
Цоколевка:
Для удобства сборки можно использовать штырьковые разъемы:
В корпусе вырезаем все необходимые отверстия:
Устанавливаем все на свое место:
Теперь необходимо сделать крепление для катушки:
Прикручиваем к корпусу и крепим катушку:
Именно так нужно выгнуть датчик Холла, припаиваем к нему провода:
Подключаем всё до кучи:
После того, как достанем магнит, нужно определить какой стороной его ориентировать к электромагниту. Для этого помещаем и временно закрепляем датчик Холла в самом низу катушки. Включаем левитрон (должен загореться светодиод) и подносим магнит. Если он притягивается к катушке — то магнит ориентирован правильно, но если же магнитное поле катушки выталкивает его, то магнит необходимо перевернуть. Снизу магнита необходимо прикрепить что-то легкое. В моем случае это светодиод.
Перемещая датчик Холла добиваемся стабильного зависания на максимальном расстоянии от катушки. Закрепляем его:
Принцип действия игрушки левитрон, которая наглядно демонстрирует состояние невесомости, основывается на действии магнитного поля, удерживающего предметы незначительного размера в воздухе.
Такие игрушки, к сожалению, пока не производится отечественной промышленностью, так что спрос на них не может быть удовлетворен. Есть, конечно, возможность заказать левитрон из-за рубежа, но стоимость игрушки (и так довольно высокая – 35 долларов) существенно увеличивается за счет цены доставки.
Но зато ничто не может помешать сделать левитрон собственноручно одним из двух известных способов: на электромагните или на постоянных магнитах.
Второй из указанных способов значительно проще первого, к тому же не потребуются специфические знания в области физики, да и электрическое питание этому устройству также не нужно.
Материалы для изготовления Левитрона
Итак, нам понадобится для изготовления игрушки три магнита в форме колец, обладающие достаточной мощностью. Вполне подойдут для нашей цели магниты из низкочастотных динамиков, срок службы которых давно истек.
Для того чтобы сделать волчок, будет нужен неодимный магнит. Взять его можно из динамика, на котором имеется надпись"Neodium transducer". Применяются подобные динамики в сотовых. Самый сильный постоянный магнит сегодня – это неодимный, созданный из сплава, в который входят неодим, бор и железо. Высокая температура негативно повлияет на него, поэтому этот магнит следует беречь от нагревания. Итак, магнит из сотового телефона может оказаться двух видов – в виде круглой пластинки или же в виде кольца. Кольцевой магнит одевается на сам волчок строго по центру, а магнит в форме таблетки приклеивается на ось волчка снизу.Материалом для самого волчка должен служить легкий материал, такой как композит или пластмасса.
Настройка левитрона
К настройке следует подойти с особой скрупулезностью, ведь эта часть работы имеет решающее значение и является наиболее трудоемкой. Кольцевые магниты должны быть соединены между собой разнополярными сторонами. Сверху на них следует установить пластину (не из металла) толщиной до 1 см. Волчок аккуратно будет установлен в основание левитрона – центр магнита. Если Вы заметили, что волчок отклоняется в сторону, значит, магнит нужно заменить на другой, с большим диаметром.
Чтобы запустить волчок, понадобятся еще несколько элементов, с помощью которых можно будет регулировать толщину платформы, чтобы достичь нормального вращения волчка. Нам понадобится пластика из оргстекла с бумажными листами. Если волчок крутится нормально, начинаем плавно приподнимать платформу, пока он не взлетит вверх.
Если наш волчок подлетает с излишней стремительностью, следует увеличить его вес. Если же он отклоняется в одну сторону, то исправить ситуацию можно, подложив бумажные листы под противоположную. Эти действия позволяют настроить основу нашей игрушки, так чтобы она находилась четко на уровне моря.
0.Предисловие
Начитался тут всяких интернетов и решил сваять свой собственный левитрон, без всяких цифровых глупостей. Сказано – сделано. Выкладываю муки творчества на всеобщее обозрение.1.Краткое описание
Левитрон – это устройство, удерживающее объект в равновесии с силами гравитации с помощью магнитного поля. Давно известно, что невозможно левитировать объект, используя статичные магнитные поля. В школьной физике это называлось состоянием неустойчивого равновесия, насколько я помню. Однако, затратив немного желания, знаний, усилий, денег и времени, возможно левитировать объект динамически путем использования электроники в качестве обратной связи.Получилось вот что:
2.Фунциональная схема
Электро-магнитные датчики, расположенные на торцах катушки, выдают напряжение, пропорциональное уровню магнитной индукции. В случае отсутствия внешнего магнитного поля эти напряжения будут одинаковы вне зависимости от величины тока катушки.
При наличии постоянного магнита вблизи нижнего датчика блок управления будет формировать сигнал, пропорциональный полю магнита, усиливать его до нужного уровня и передавать на ШИМ для управления током через катушку. Таким образом, возникает обратная связь и катушка будет генерировать такое магнитное поле, которое будет удерживать магнит в равновесии с силами гравитации.
Что-то заумно все получилось, попробую по другому:
- Нет никакого магнита - индукция на торцах катушки одинакова - сигнал с датчиков одинаков - блок управления выдает минимальный сигнал - катушка работает на всю мощь;
- Близко поднесли магнит - индукция сильно разная - сигналы от датчиков сильно разные - блок управления выдает максимальный сигнал - катушка отключается совсем - магнит никто не держит и он начинает падать;
- Манит падает - отдаляется от катушки - разница сигналов с датчиков уменьшается - блок управления уменьшает выходной сигнал - ток через катушку увеличивается - увеличивается индукция катушки - магнит начинает притягиваться;
- Манит притягивается - приближается к катушке - разница сигналов с датчиков увеличивается - блок управления увеличивает выходной сигнал - ток через катушку уменьшается - уменьшается индукция катушки - магнит начинает падать;
- Чудо - магнит не падает и не притягивается - вернее, и падает и притягивается несколько тысяч раз в секунду - то есть возникает динамическое равновесие - магнит просто висит в воздухе.
3.Конструкция
Главным элементом конструкции является электро-магнитная катушка (соленоид), которая и удерживает своим полем постоянный магнит.На пластиковый каркас D36x48 плотно намотано 78 метров медного эмалированного провода диаметром 0.6 мм, получилось где-то 600 витков. По расчетам, при сопротивлении 4.8Ом и питании 12В, ток будет 2.5А, мощность 30Вт. Это необходимо для подбора внешнего блока питания. (По факту получилось 6.0Ом, вряд ли нарезали больше провода, скорее сэкономили на диаметре.)
Внутрь катушки вставлен стальной сердечник от дверной петли диаметром 20мм. На его торцах с помощью термоклея закреплены датчики, которые обязательно должны быть ориентированы в одинаковом направлении.
Катушка с датчиками закреплена на кронштейне из алюминиевой полосы, который, в свою очередь, крепится к корпусу, внутри которого находится плата управления.
На корпусе расположен светодиод, выключатель и гнездо питания.
Внешний блок питания (GA-1040U) взят с запасом по мощности и обеспечивает ток до 3.2А при 12В.
В качестве левтитрующего объекта используется N35H магнит D15x5 с приклеенной банкой из под кока-колы. Сразу скажу, что полная банка не годится, поэтому тонким сверлом делаем отверстия по торцам, сливаем ценный напиток (можно выпить если не боитесь стружки) и к верхнему колечку клеим магнит.
4.Принципиальная схема
Сигналы с датчиков U1 и U2 подаются на операционный усилитель OP1/4, включенный по дифференциальной схеме. Верхний датчик U1 подключен к инвертирующему входу, нижний U2 – к неинвертирующему, то есть сигналы вычитаются, и на выходе OP1/4 получаем напряжение, пропорциональное только уровню магнитной индукции, создаваемому постоянным магнитом вблизи нижнего датчика U2.
Комбинация элементов C1,R6 и R7 является изюминкой данной схемы и позволяет достичь эффекта полной стабильности, магнит будет висеть как вкопанный. Как это работает? Постоянная составляющая сигнала проходит через делитель R6R7 и ослабляется в 11 раз. Переменная составляющая проходит через фильтр C1R7 без ослабления. Откуда вообще берется переменная составляющая? Постоянная часть зависит от положения магнита вблизи нижнего датчика, переменная часть возникает из-за колебаний магнита вокруг точки равновесия, т.е. от изменения положения во времени, т.е. от скорости. Нам интересно, чтобы магнит был неподвижен, т.е. его скорость была равна 0. Таким образом, в управляющем сигнале мы имеем две составляющих – постоянная отвечает за положение, а переменная – за стабильность этого положения.
Далее, подготовленный сигнал усиливается на OP1/3. С помощью переменного резистора P2 устанавливается необходимый коэффициент усиления на этапе настройки для достижения равновесия в зависимости от конкретных параметров магнита и катушки.
На OP1/1 собран простой компаратор, который отключает ШИМ и, соответственно, катушку, когда рядом нет магнита. Очень удобная вещь, не надо вынимать блок питания из розетки если убрали магнит. Уровень срабатывания задается переменным резистором P1.
Далее, управляющий сигнал подается на широтно-импульсный модулятор U3. Размах выходного напряжения 12В, частота выходных импульсов задается номиналами C2,R10 и P3, а скважность зависит от уровня входного сигнала на входе DTC.
ШИМ управляет переключением силового транзистора T1, а тот, в свою очередь, током через катушку.
Светодиод LED1 можно и не ставить, а вот диод SD1 нужен обязятельно, для слива лишнего тока и избежания перенапряжения в моменты выключения катушки из-за явления самоиндукции.
NL1 – это наша самодельная катушка, коей посвящен отдельный раздел.
В результате, в режиме равновесия, картина будет примерно такая: U1_OUT=2.9V, U2_OUT=3.6V, OP1/4_OUT=0.7V, U3_IN=1.8V, T1_OPEN=25%, NL1_CURR=0.5A.
Для наглядности прикладываю графики передаточной характеристики, АЧХ и ФЧХ, и осциллогаммы на выходе ШИМ и катушки.
5.Выбор компонентов
Устройство собрано из недорогих и доступных компонентов. Самой дорогой оказалась медная проволока WIK06N, за 78 метров WIK06N заплатил 1200 руб, все остальное, вместе взятое, обошлось значительно дешевле. Тут вообще широкое поле для экспериментов, можно обойтись без сердечника, можно взять проволоку потоньше. Главное не забывать, что индукция по оси катушки зависит от количества витков, тока по ним и геометрии катушки.В качестве датчиков магнитного поля U1 и U2 используются аналоговые датчики Холла SS496A с линейной характеристикой вплоть до 840Гс, это самое то для нашего случая. При использовании аналогов с другой чувствительностью потребуется корректировка коэффициента усиления на OP1/3, а также проверка на уровень максимальной индукции на торцах вашей катушки (в нашем случае с сердечником она достигает 500Гс), чтобы датчики не входили в насыщение при пиковой нагрузке.
OP1 -это счетверенный операционный усилитель LM324N. При выключенной катушке выдает 20мВ вместо нуля на 14 выходе, но это вполне приемлемо. Главное не забыть выбрать из кучки 100К резисторов наиболее близкие по фактическому номиналу для установки в качестве R1,R2,R3,R4.
Номиналы C1,R6 и R7 выбраны путем проб и ошибок как самый оптимальный вариант для стабилизации магнитов разных калибров (тестировались N35H магниты D27x8, D15x5 и D12x3). Соотношение R6/R7 можно оставить как есть, а номинал C1 увеличивать до 2-5мкФ, в случае возникновения проблем.
При использовании очень маленьких магнитов, вам возможно будет не хватать коэффициента усиления, в этом случае урежьте номинал R8 до 500Ом.
D1 и D2 это обычные выпрямительные диоды 1N4001, тут подойдут любые.
В качестве широтно-импульсного модулятора U3 используется распространенная микросхема TL494CN. Частота работы задается элементами C2, R10 и P3 (по схеме 20кГц). Оптимальный диапазон 20-30кГц, при меньшей частоте появляется свист катушки. Вместо R10 и P3 можно просто поставить резистор 5.6K.
T1 это полевой транзистор IRFZ44N, подойдет и любой другой из этой же серии. При выборе других транзисторов может потребоваться установка радиатора, ориентируйтесь на минимальные значения сопротивления канала и заряда затвора.
SD1 это диод шоттки VS-25CTQ045, тут я хватанул с большим запасом, подойдет и обычный быстродействующий диод, но, возможно, будет сильно греться.
LED1 желтый светодиод L-63YT, здесь, как говорится, на вкус и цвет, можно их и побольше наставить, чтобы все светилось разноцветными огнями.
U4 это стабилизатор напряжения 5В L78L05ACZ для питания датчиков и операционного усилителя. При использовании внешнего блока питания с дополнительным выходом 5В, можно обойись и без него, но конденсаторы лучше оставить.
6.Заключение
Все получилось как задумано. Устройство стабильно работает круглые сутки, потребляет всего 6Вт. Ни диод, ни катушка, ни транзистор не греются. Прикладываю еще пару фоток и финальное видео:
7. Дисклаймер
Я не электронщик и не писатель, просто решил поделиться опытом. Может что-то покажется вам слишком очевидным, а что-то слишком сложным, а о чем-то забыл упомянуть вообще. Не стесняйтесь вносить конструктивные предложения и по тексту и по улучшению схемы, чтобы люди могли запросто это повторить, если будет такое желание.Как работает Левитрон?
Теперь, когда вы заинтересовались левитацией, создав или купив свой первый Левитрон, вам осталось только освоить искусство запуска, мы поможем вам в этом, рассмотрев принцип действия. И научим вас искусству запуска Левитрона, расскав о секретах и тонкостях этой технологии.
Овладеть искусством запуска волчка и помещения его в позицию стабильной левитации, вы и окружающие, гарантированно ощутите полное изумление. Сегодня левитация волнует многих людей. Мы получаем многочисленные запросы от клиентов, с вопросами по левитации и объяснения того, как работает левитрон.
Многие экспресс озадаченность, что он работает на всех, часто ссылаясь на теорему, принадлежащую Эрншоу (1,2), как доказательство того, что он не должен работать. Интерес к левитрон имеет всегда кипят среди ученых. в последнее время аналогий левитрон ловушкам для микроскопических частиц (например, электронов, нейтронов) были признаны учеными, работающими в увлекательной области исследований, где материя манипулируют и исследуют, одну такую микроскопическую частицу в то время, . Первый признать аналогию, был доктор Майкл В. Берри из университета Бристоля. Д-р Берри, вдохновленный этим признанием, опубликовал подробное изложение физики функционирования левитрон (в 3). бумага доктора Берри является одним из лучших существующих объяснение того, как работает Левитрон и он любезно приготовил для нас краткую инкапсуляцию основных тем, которые мы представляем ниже. Те, кто желает, чтобы прочитать полную экспозицию следует запросить копию бумаги от доктора Берри.
Что его держит?
"Антигравитация", - это сила, которая отталкивает вершины от основания магнетизм. И верх и тяжелая горбыль внутри базовой коробки намагничиваются, но противоположно. Подумайте основного магнита с его северным полюсом направлен вверх, а сверху, как магнит с его северный полюс направлен вниз (рис.1). Принцип заключается в том, что два одинаковых полюса (например, два Norths) отталкиваются и что два противоположных полюса притягиваются, с силами, которые сильнее, когда полюса ближе. Есть четыре магнитных сил на вершине: на ее северном полюсе, отталкивание с севера в базу и притяжения с юга базу, а также на его южном полюсе, притяжение с севера для базы и отталкивания с юга базы. Из-за способа силы зависят от расстояния, к северо-северо отталкивание доминирует, а верхняя магнитно отталкиваются. Он висит где это вверх отталкивание уравновешивает вниз сила тяжести, то есть в точке равновесия, где суммарная сила равна нулю.
Почему Левитрону нужно вращаться?
Чтобы предотвратить опрокидывание вершины. Помимо обеспечения силы на вершине в целом, магнитное поле базы дает крутящий момент, стремящийся повернуть его ось вращения. Если верхняя не спиннинг, этот магнитный вращающий момент будет перевернуть его. Затем ее южный полюс будет направлена вниз, и сила от основания будет привлекательным, - то есть, в том же направлении, что и силы тяжести - и вершина будет падать. Когда верхний вращается, крутящий момент действует гироскопически и ось не опрокинуть, но вращается вокруг (почти вертикально) направление магнитного поля. Это вращение называется прецессией (рис.2). С Левитроном, ось почти вертикально и прецессии видно, как дрожь, которая получает более произносит как топ замедляется. Эффективность спина в стабилизации магнитно поддерживается вершины, такие как Левитрон был обнаружен Рой М. Harrigan (4).
Почему Левитрон не скользит боком?
Для верхней она остается подвешенной, в одиночку равновесия недостаточно. Равновесие также должна быть стабильной, так что небольшое горизонтальное или вертикальное перемещение производит силой, толкающей вверх назад к точке равновесия. Для Левитрона, стабильности трудно достичь. Это зависит от того факта, что, как вершина перемещается в сторону, в сторону от оси основного магнита, магнитное поле базы, о которой ось волчка прецессировала, слегка отклоняется от вертикали (рис. 2). Если верхний прецессировала о точной вертикали, физика магнитных полей сделало бы равновесие неустойчиво. Поскольку поле настолько близко к вертикали, равновесие устойчиво только в небольшом диапазоне высот - от примерно 1,25 дюйма до 1,75 дюйма выше центра основания. (от 2,5 до 3,0 дюйма для увлечениях "нового Супер Левитрон). Теорема Эрншоу не нарушается поведение Левитрон. Эта теорема утверждает, что никакие статические расположения магнитных (или электрических) зарядов не может быть стабильным, в одиночку или под действием силы тяжести. Это не относится к Левитрон, потому что магнит (в верхней части) крутится и так динамически реагирует на поле от основания.
Почему вес Левитрона важен (и почему он должен быть отрегулирован)?
Вес верхней и силы намагничивания базы и верхний определяют высоту равновесия, где магнетизм уравновешивает силу тяжести. Эта высота должна находиться в стабильном диапазоне. Небольшие изменения температуры изменяет намагниченность базы и сверху. (При повышении температуры, направления атомных магнитов рандомизации и поле ослабевает). Если вес не корректируется, чтобы компенсировать, равновесие будет выходить за пределы диапазона стабильной и вершина будет падать. Так как стабильный диапазон настолько мал, эта регулировка деликатная - самый легкий шайба составляет лишь около 0,3% от веса верхней части.
Почему в конце концов Левитрон падает?
Верхний раскручивает стабилен в диапазоне приблизительно от 20 до 35 оборотов в секунду (RPS). Это совершенно неустойчив выше 35-40 RPS и ниже 18 оборотов в секунду. После того, как вершина прядут и левитировать, это замедляет из-за сопротивления воздуха. Через несколько минут она достигнет нижнего предела устойчивости (18 RPS) и падает. Спин время жизни Левитрон может быть расширен путем помещения его в вакууме. В течение нескольких вакуумных экспериментов, которые были сделаны верхней упала примерно через 30 минут. Почему он делает это не ясно; может быть, при изменении температуры, толкая равновесия из стабильного диапазона; может быть, есть некоторые крошечные остаточные долгосрочной нестабильности, потому что вершина не вращается достаточно быстро; или, возможно, вибрации вакуумного оборудования пробежку поле и постепенно привод оси прецессии от направления магнитного поля. Левитации может быть значительно продлен путем продувки воздуха с соответствующим воздушным зубчатый воротник, расположенных вокруг периферии волчка, с тем, чтобы поддерживать частоту спинов в стабильном диапазоне. В последнее время топ Левитрон хранилась вращающаяся в течение нескольких дней таким образом. Но наиболее успешным средством для продления левитации волчка является новым, электромагнитный импульсный прибор, который может держать верхнюю левитировать в течение многих дней или даже недель.
Как используется принцип Левитрона?
В последние десятилетия, микроскопические частицы изучались захвата их с магнитных и / или электрических полей. Есть несколько видов ловушек. Например, нейтроны могут быть проведены в магнитном поле, создаваемом системой катушек. Нейтроны вращающихся магнитных частиц, поэтому аналогия такой нейтронной ловушки с Левитрон близко.
Магнитная левитация всегда выглядит впечатляюще и завораживающе. Такое устройство сегодня можно не только купить, но и сделать самому. И для того, чтобы создать такое устройство магнитной левитации не обязательно тратить на это много денег и времени.
В данном материале будет представлена схема и инструкция по сборке магнитного левитатора из недорогих компонентов. На саму сборку уйдет не более двух часов.
Идея данного устройства под названием левитрон очень проста. Электромагнитная сила поднимает в воздух кусок магнитного материала, а для того, чтобы создать парящий эффект, происходит поднятие и опускание объекта в очень малом диапазоне высот, но с очень большой частотой.
Чтобы собрать левитрон понадобятся всего лишь семь компонентов, включая катушку. Схема устройства магнитной левитации представлена ниже.
Итак, как мы видим по схеме, помимо катушки нам понадобятся полевой транзистор, например, IRFZ44N или другой подобный MOSFET, диод HER207 или что-то вроде 1n4007, резисторы 1 КОм и 330 Ом, датчик Холла A3144, а также опционально индикаторный светодиод. Катушку можно сделать самостоятельно, для этого потребуется 20 метров провода диаметром 0.3-0.4 мм. Для питания схемы можно взять зарядное устройство 5 В.
Чтобы сделать катушку, нужно взять основу с размерами, показанными на следующем рисунке. Для нашей катушки будет достаточно намотать 550 витков. Закончив намотку, катушку желательно заизолировать какой-нибудь изолентой.
Теперь запаяйте почти все компоненты кроме датчика Холла и катушки на небольшой плате. Датчик Холла поместите в отверстие катушки.
Зафиксируйте катушку так, чтобы она была над поверхностью на некотором расстоянии. После этого на данное устройство магнитной левитации можно подать питание. Возьмите небольшой кусочек неодимового магнита и поднесите его к низу катушки. Если все сделано правильно, то электромагнитная сила подхватит его и будет удерживать в воздухе.
Если у вас это устройство не работает должным образом, то проверьте датчик. Его чувствительная часть, то есть плоская сторона с надписями должна быть параллельно земле. Также для левитации форма таблетки, которая присуща большинству продаваемых неодимовых магнитов, не является самой удачной. Чтобы центр тяжести не «гулял», нужно перенести его на дно магнита, прикрепив к нему что-нибудь не слишком тяжелое, но и не слишком легкое. Например, можно добавить кусок картона или плотной бумаги, как на первом изображении.
