磁悬浮的故事（上） – 静态磁悬浮

由 动力老男孩 发表于 2010/11/26 23:55:18

先说说这几天都干了什么吧。总结来说，就是又做了一个不成功的实验。在上次的视频里，被眼尖的童鞋们敏锐的指出，这个陀螺转速是越来越慢的。事实上，这个陀螺慢到一定程度之后，会保持稳定的速度旋转，不会停下来。这周的主要想法就是做一个高频旋转的磁场，试试看能不能带动陀螺高速旋转。

使用的方案是：方波+74LS161计数器+74LS138译码器+L298N直流电路驱动器。电路总算是调通了，但是作用力不足以影响陀螺的转速，实在是太肉了。发个截图留念吧，明天就把它拆了。

旋转磁场的发生装置

旋转磁场的发生装置

下面言归正传，把我之前收集的一些磁悬浮相关的知识分享给大家。

自然界的物质有抗磁性，顺磁性和铁磁性三种特性，来自潘多拉星球的阿凡提同学可能对此存有疑惑，不过在咱们地球目前只有这么三种。其中：
【抗磁性】几乎是所有物质都有的，它的来源是楞次定律。这个抗磁性非常微弱，大部分情况下可以忽略不记，常温下抗磁性最强的物质是金属铋；
【顺磁性】这种物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。但在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子做无规则的热振动，宏观看来，没有磁性；在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性，金银铝铂之类的金属貌似都是顺磁性；
【铁磁性】这个大家最熟悉，一根铁钉在磁铁上蹭几下，它就变成一个小磁铁。具有铁磁性的元素有五种：铁，钴，镍，钆，镝。这些元素的化合物也可能具有铁磁性，咱们最常见的黑磁铁主要成分就是四氧化三铁，还有巨牛无比的钕铁硼（友情提示，那个字念“女”）

说起磁铁，相信是很多小盆友儿时的宝贝，也许大家也曾想过用巧妙的设计让磁铁悬浮起来。例如我构思过这么一个方案，把很多磁铁N极向上贴在一个碗的内侧，然后把另外一些磁铁N向外贴在一个球的外侧，这样是否能悬浮呢？

儿时幻想的磁悬浮

儿时幻想的磁悬浮

下面就是一个著名的恩绍大定理(Earnshaw’s theorem)

这个可恶的家伙早在1842年就用数学证明了：若单靠宏观的静态古典电磁力，稳定的磁悬浮是不可能实现的。这是因为在物件上所承受的各种合力，包括了引力、静电场及静磁场会使物件变得很不稳定。

你可以想象在光滑的坡顶放一个小球，虽然有某个平衡点存在，但事实上是无法稳定的，任意小的扰动都会让它失去平衡。所以大家不要费劲去设计了，像下面这样的磁悬浮列车设计没有外界能源时是无法平衡的：

无法实现的稳定磁悬浮

无法实现的稳定磁悬浮

但是恩绍大定理有个例外，就是前面提到的抗磁性。超导现象就是抗磁性的一个极端情况，因为超导体内部的感应电流可以非常大。实验也非常简单，弄一个超导体的盘子，直接扔一块磁铁进去，它就能稳定的悬浮着。

超导磁悬浮

超导磁悬浮

事实上如果磁场足够大的话，生物体内水分的抗磁性都足以让它悬浮起来。2000年，科学家安德烈·海姆和迈克尔·贝瑞使用磁性让一只青蛙悬浮在半空中，他们因此获得了当年的搞笑挪被窝儿奖（不过他们今年真的拿奖了，因为石墨烯，不得不赞一个，感觉这两个科学家的研究工作都是在玩啊）

用超导体的强大磁场，可以把青蛙悬浮起来

用超导体的强大磁场，可以把青蛙悬浮起来

 我们在常温下有没有可能实现静态稳定磁悬浮呢？答案是肯定的！以我们刚才说的最强的抗磁性金属铋（这个东西居然淘宝有卖的，而且比奶粉便宜）为例。因为它的抗磁性非常弱，所以有网友设计了一种巧妙的方法，先用一组磁铁让悬浮物处于“基本平衡”的状态，这时候微弱的抗磁力就可以让悬浮物稳定的平衡了。看下面的图：

用铋实现的常温下 稳定磁悬浮

用铋实现的常温下 稳定磁悬浮

另外一个例子是石墨烯，这个东西轻飘飘的，也可以在常温下悬浮。下面这个图里，四块磁铁是N对S这样分别吸住的，据说国外有人用铅笔芯削成薄片也可以实现这样的效果。我试了下貌似不行，于是又有人解释说国内的铅笔芯含粘土，不是纯石墨。。。具体怎么样有兴趣的兄弟自己试试吧:)

常温下悬浮的石墨片

常温下悬浮的石墨片

今天晚了，改天再介绍动态磁悬浮。最后发一个展望未来的图，嘿嘿：

想一想都觉得爽啊

想一想都觉得爽啊



对 “磁悬浮的故事（上） – 静态磁悬浮” 的 54 条 评论

  1. 于童光 说：
    2010/11/27 于 11:51

    沙发

    回复
  2. 于童光 说：
    2010/11/27 于 11:53

    石墨稀是超导体吗？临界温度是多少？

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  3. QQ餐厅装修 说：
    2010/11/28 于 00:03

    呵呵 爽哦什么时候能普及一下

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  4. yayu 说：
    2010/11/28 于 12:12

    这东西辐射大吗?

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    • 动力老男孩 说：
      2010/11/28 于 19:59

      程序的PMW频率是16kHz
      采样频率是500Hz
      低频电磁波应该没啥辐射
      线圈功率大概是2W
      不过大部分应该转换成热量了

      回复
      • SSS_SXS 说：
        2010/12/27 于 17:04

        动力老男孩 说：
        2010/11/28 于 19:59
        程序的PMW频率是16kHz
        采样频率是500Hz
        低频电磁波应该没啥辐射
        线圈功率大概是2W
        不过大部分应该转换成热量了

        随意遐想了一下，是不是大功率的磁浮床都可以即产生斥力让床漂浮，还可以产生热能供热

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        • 动力老男孩 说：
          2010/12/27 于 22:14

          这位同学真有生活品味，磁浮床还带加热功能
          我只听过水床，不过磁浮床要小心啊，目前磁悬浮的东西还不太稳定，
          振动较大时可能会飞出去 :D

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  5. darko 说：
    2010/11/29 于 09:20

    太好玩了，持续关注中！！

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  6. mrxx 说：
    2010/11/29 于 09:30

    WOW，功课相当强大
    有一天，真的可以坐着飞毯出行了
    我问了一个同学，说他们实验磁悬浮的时候用的液态氮来维持低温超导的

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  7. m 说：
    2010/12/05 于 23:14

    好是好玩，你有没有想过过强磁场对人有伤害呢。你应该测试一下你仪器周围的强度，应该是天文数字。

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    • 动力老男孩 说：
      2010/12/06 于 21:45

      那个霍尔传感器本身就是个磁场测量器
      其实陀螺达到平衡的时候，磁场并不强
      总的来说，跟一小块钕铁硼差不多，没事的

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  8. cc 说：
    2010/12/06 于 15:04

    动力老男孩真牛啊。

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  9. z 说：
    2010/12/07 于 18:51

    问个问题，一定要两圈的线圈来做吗？或者里面的用来悬浮，外面的用来旋转？我手上有个东西，直径35mm，一圈24个三角形的线圈，每一个都通电产生磁力，应该能做悬浮吧，旋转的话是不是还要外面再加？

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    • 动力老男孩 说：
      2010/12/07 于 22:26

      计划中是内圈用来悬浮（控制平衡）外圈产生旋转磁场
      不过目前看来外圈几乎没有作用
      我的目的是产生一个旋转的磁场，所以你说的那个24个线圈也许可行

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      • z 说：
        2010/12/08 于 12:54

        主要担心磁力不够，你用的线圈绕了几圈，稳定的时候电流多大？

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        • 动力老男孩 说：
          2010/12/08 于 13:24

          我是0.27直径的铜丝，每个绕大概800匝，电阻是50欧左右
          稳定的时候电流不大，平均在50mA以内

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        • 动力老男孩 说：
          2010/12/08 于 13:24

          忘了说了，我的电源是20V

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          • z 说：
            2010/12/08 于 20:54

            按你说的电阻和电流，单个线圈两端的电压在2.5v。

            你用arduino的板子吗，20v没问题？

            这个东西也是铜丝，不过极细，和头发差不多吧，每个约160匝，单个电阻约25欧。另外围成的圈内径有15mm。

          • 动力老男孩 说：
            2010/12/08 于 21:05

            我用的是Arduino，支持的最大电压应该是12V，我用了一块lm7809给它供电
            输入可以是11V~24V，输出是9V

          • z 说：
            2010/12/08 于 21:23

            我和你用的同一型号的板子，官方数据是推荐7－12，极限6－20，我还以为你直接加了20v

  10. 老顽童 说：
    2011/02/19 于 19:43

    魏乐汉的那个磁悬浮,我本来也不看好.
    因为我也试过多次的各种静态悬浮,都找不到悬浮平衡点.

    但是那么多的报道都在为他叫屈,并还有结论说“原理可行”的.
    还有实际试用行驶的.

    这些究竟怎样看待呢?
    ········
    是不是可以认为这个车厢一旦动起来以后,
    外加了另外的动能之后, 就有可能合理了呢?

    比如永磁陀螺.要转起来后才合理.消耗的不是电能,却是动能.

    回复
    • 动力老男孩 说：
      2011/02/20 于 01:07

      果然是老前辈，居然一眼就看出是魏乐汉的设计
      这个设计争议很大，所以我没写上名字，因为只是我的个人观点

      我觉得静态磁悬浮就像把鸡蛋立在桌面上
      理论上当然有平衡点正好可以立住，
      实际上是不可行的，任何微小的扰动都会导致系统错误放大，最终失去平衡
      这就是为什么很多人都有“接近成功”的感觉，却都会最终失败

      而旋转的鸡蛋可以短时间立住，这是由于陀螺力矩的原因，也是磁悬浮陀螺玩具的原理，但是目前看来还没有实用价值

      回复
      • 老顽童 说：
        2011/02/20 于 22:33

        永磁悬浮陀螺有用的!
        首先原理可以肯定,随后,细节可以完善,性能可以优化.应用可以开发.

        可以用在小型的,不适合用电磁混调的悬浮场合.

        比如,小型电机的磁悬浮. 风机,泵等等,一切有电源的场合.
        甚至也可以包括小型飞轮电池……只要耗能不太多.

        回复
  11. 老顽童 说：
    2011/02/19 于 20:43

    仔细看了一下这魏乐汉的图,
    这图上确实不靠谱.
    这都能悬浮了,还用得着忙电调了吗?

    回复
  12. 老顽童 说：
    2011/02/23 于 11:45

    前述的魏教授的车厢悬浮原理,实际上是不可能达到左右平衡的.原理不通!

    今天我又偶尔发现了一幅改进后的新图,应该是属于第三代第四代的原理了.
    车厢的左右平衡己经改成了实体轮子的侧向支撑. 也就克服了前述的致命缺陷.
    也可能就是所谓的“导向”了.

    郁闷,在这儿,我居然无法贴图.图怎么办?

    现在再要鉴定说“原理可行”,就不会有太大的问题了.

    但是,这还能是磁悬浮吗?
    这顶多是磁力卸载重力的设计.
    而且,导向轮会受到动态的不合理的轮侧力矩.
    这个设计可能高速吗?

    回复
  13. 老顽童 说：
    2011/02/23 于 11:55

    新图发在阿莫“悬浮”版第二页的魏乐汉篇了.
    那个坛子的帖子怎么是回复后不会上升的.

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  14. 小张 说：
    2011/06/01 于 16:25

    我也成功了哈哈

    回复
  15. js200300953 说：
    2011/08/18 于 22:21

    为什么最后一张图片地面有一坨东西？
    把它埋在地板下不行么？

    回复
  16. 求知欲 说：
    2012/01/15 于 16:06

    你说的那个碗的真的不可能实现？恩绍大定理描述的是平面上悬浮不可能吧？如果碗都不行那结果会如何？球落碗里还是飞出碗外？
    再进一步，如果碗壁延长变成中空球体包围磁球，它还怎么失败？贴在碗壁的一处？即使磁性相同而互斥状态？

    回复
    • 动力老男孩 说：
      2012/01/15 于 19:25

      恩绍大定理是对任何情况的，不仅仅是平面或曲面。
      对于图中的那个球体，它会像普通石头球一样直接落下，因为磁力线封闭了，它跟没有磁性一样

      回复
  17. 鸿-城主 说：
    2013/09/19 于 22:26

    为什么图上的石墨烯那么厚,不是一个碳原子的厚度么……

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  18. allenhung 说：
    2014/06/14 于 10:34

    磁铁悬浮铅笔芯是可以的，我做过，但一定要买日本的活动铅笔芯，国内杂质过多，浮不起来，另外铋金属更容易悬浮。

    回复
  19. 欸 说：
    2015/05/03 于 17:12

    可不可以在用磁铁悬浮的石墨烯上面加重物，并且也使他悬浮？

    回复
    • 动力老男孩 说：
      2015/05/03 于 21:24

      要看磁场多强，重物多重了，理论上是可行的
      例如用超导形成的巨大磁场，可以把青蛙悬浮起来，而我们生活中的小磁场，可能只能悬浮起薄薄的石墨烯片

      回复
  20. but0n 说：
    2015/05/25 于 13:35

    貌似悬浮滑板“Hendo”用的就是抗磁性，我分析了下它的工作原，每个悬浮装置用了4个线圈，2个为一组，来增加磁通量，根据楞次定理铜制的地面会产生斥力。当这组线圈电流达到最大时换另一组线圈，就能产生持久的斥力。您怎么看？

    回复
    • 动力老男孩 说：
      2015/05/25 于 17:32

      感觉应该是这个原理，但是这货的电流得有多大呀，太可怕了

      回复
      • but0n 说：
        2015/05/26 于 23:52

        在YouTube看到了演示hendo原理的视频，当时我就震惊了！
        它的工作原理比我想像的简单的多！！
        用无刷电机使一个均匀分布着钕铁硼的圆盘高速旋转，就可以使下方导体产生斥力，运行时的声音并不是风扇散热，好佩服老外的思维方式啊！
        这样的话应该是把采集到的离地高度通过PID算法控制四个无刷就像控制四轴飞行器那样保持平稳，这也解释了为什么人站上去电机声音会变大。

        回复
        • 动力老男孩 说：
          2015/05/29 于 13:11

          哇，巧妙！
          链接能发给我看一下吗？

          回复
          • but0n 说：
            2015/05/29 于 17:30

            https://m.youtube.com/watch?v=OklLJ-NpECo

          • 动力老男孩 说：
            2015/05/30 于 08:37

            多谢！可以考虑做一个，很有意思。
            至于平稳，应该不是超声波，超声波的精度在1cm以上，误差很大，用它平稳在滑板这个尺度会跳动的很厉害。
            现在一般是用6050来平稳，水平方向上通过光流传感器，至于高度上，我觉得它没有控制。产生的斥力很大，完全靠体重来压着

          • but0n 说：
            2015/05/30 于 00:44

            你要做吗？
            我打算高考完用有刷先做个模型，要悬浮的话一定很复杂就像四轴飞行器那样，关于PID我买了一本书，只是了解了原理但是C语言的算法还没有思路。
            你觉得它的平稳是通过MPU6050还是声波测距？

  21. 大雁子 说：
    2016/02/13 于 23:20

    抗磁性还是不理解。
    金属铋到底是抗磁性最强还是最弱？
    因为文中似乎有矛盾

    回复
  22. gloomcat 说：
    2016/04/17 于 06:44

    “儿时幻想的磁悬浮”里的这种小磁球可能存在吗？
    可以想象出若干个小磁体拼起来，但是有点奇怪，这样封闭曲面的磁通量还能是0？
    磁力线从表面出来，可是怎么回去？

    回复
  23. 柏语 说：
    2016/06/29 于 22:09

    能具体讲下下推式磁悬浮的原理吗？谢谢！

    回复
  24. jack 说：
    2019/11/01 于 15:29

    您好:
    漂浮磁鐵底座為什麼要用電磁鐵搭配電子控制程序才能使上方的磁鐵保持靜態懸浮，永磁磁鐵與電磁鐵都一樣具有磁性，為何底座改成永磁磁鐵無法達到一樣的效果?

    回复
  25. 何成伟 说：
    2024/04/23 于 10:47

    你好老男孩，请加我微信13510352850 合作开发磁悬浮

    回复

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