石墨静态磁悬浮的探索 – 这次成功了

由 动力老男孩 发表于 2011/04/27 23:21:14

昨天在网上淘的日本派通铅笔芯终于到了，因为担心买的型号不合适，所以买了0.5的2B和0.7的B和2B共三种。收到快递的时候简直是“欲火焚身”，迅速拿出一根做实验，果然悬浮成功了！

悬浮的铅笔芯

悬浮的铅笔芯

虽然这幅图看上去悬浮很平稳，事实上可能因为桌子不够水平，这个铅芯在磁铁面会非常快速的溜来溜去，有过徒手抓鱼经验的同学会有些体会。 :) 到了一定的位置，就会像荡秋千一样晃晃悠悠几下，然后停在那里。我猜想它应该是有类似碗装的磁场结构，让笔芯悬浮在碗底。只是这个碗沿比较低，哈口气都会让它溜出去（汗，圈妈：直接说盘状不就好了嘛）

看来之前没有成功果然是铅笔芯的问题，后来把三种都实验了一下，发现都可以悬浮。只是0.7的可能比较重，悬浮的高度更低。

虽然已经有很多照片证明石墨是可悬浮的，但是当真正亲手实验成功时，还是为自然的力量感到震撼！
这是另外一张照片：

常温下的静态磁悬浮
常温下的静态磁悬浮

事实上，在快递没有到之前，我没耐住寂寞，先跑到路边的文具店买了两盒。因为我知道国内假货多，所以去了两家文具店，买了不同牌子的两盒笔芯。好吧，事实证明小店买的，不仅不会悬浮，还能倒挂金钩。

下面这个是淘宝店对派通铅芯的描述：
【功能描述】：原装日本PENTEL派通铅芯适用于 所有0.7mm自动铅笔新型工艺配方，传统铅芯为粘土与石墨烧制而成，书写阻力大，不顺滑。且易折断。而派通铅芯为树脂与石墨压制而成，使铅芯的浓度与硬度达到了完美的结合比例，书写起来顺滑，无阻力感，字迹清楚。

这样说来，也许那两盒并不是假货，只是工艺不同吧，反正实验结果如下：

前三种都是日本派通铅笔芯

前三种都是日本派通铅笔芯

铅笔芯在磁铁表面悬浮的稳定性的讨论

关于不同长度铅笔芯在磁铁表面的稳定和位置，老薛写了两篇很精彩的解释，有兴趣的同学请过去围观：
铅笔芯在磁铁表面悬浮的稳定性的讨论（上）
铅笔芯在磁铁表面悬浮的稳定性的讨论（下）

悬浮稳定性的探索

悬浮稳定性的探索

抗磁性的原理

很多人在看到这个实验的时候，都觉得不相信：磁悬浮真的这么简单吗？进一步的问题就是：这是为什么呢？

事实上，任何物质都有抗磁性。它的本质是电磁感应定律的反映。外加磁场使电子轨道动量矩发生变化，从而产生了一个附加磁矩，磁矩的方向与外磁场方向相反。

这个解释貌似太专业了，看不懂没关系，回忆一下高中时候学的楞次定律也行：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

啥？还是不好理解？那么请记住儿童不宜版定律：闭合回路的线圈，对变化磁性的反应是“插的时候不让插，拔的时候不让拔”

非常形象的楞次定律

非常形象的楞次定律

而原子中的电子们，对外加磁场表现出的就是这种抗磁性。从互动百科摘抄一段：

任何物体在磁场作用下，都会产生抗磁性效应。但因抗磁性很弱，若物体具有顺磁性或序磁性(见铁磁性)时,抗磁性就被掩盖了。因此，从原子结构来看,呈现抗磁性的物体是由具有满电子壳层结构的原子、离子或分子组成的，如惰性气体、食盐、水以及绝大多数有机化合物等。由于迈斯纳效应，超导体是理想的抗磁体（见超导电性）。实际上，自然界中绝大多数物体都是抗磁性的。抗磁磁化率与磁场和温度无关。但也有例外，如石墨、铋等。
指南针为什么不会向南极飞？

看到这个问题，我相信很多人跟我一样，第一反应就是“因为磁力不够大呀”。这个问题在老薛的博客里详细介绍了，很有意思。一个简单的论据就是，把磁铁放在泡沫上浮在水面，它马上就会旋转方向变成南北指向，但是却不会向南或者北移动。所以说，均匀的磁场只会对场中的磁铁产生扭矩，而不会产生水平的拉力。看到结论以后反过来看这个题目，好像变得很直观了。指南针实际上也是指北针，南极受力向北，北极受力向南，自然不会飞向任何一边。其实地球磁场也不是均匀的，南北半球的磁铁还是会受到微弱的牵引力，只是可以忽略而已。

为了验证这幅插图，我特地回顾了一下左手法则（又称安培定律）：左手平展，大拇指与其余4指垂直，若磁力线垂直进入手心，4指指向电流方向，则大拇指所指方向为载流导线在外磁场中受力的方向。

顺便回顾一下右手法则，确定导体切割磁感线运动时在导体中产生的动生电流方向：伸开右手，使大拇指跟其余四个手指垂直并且都跟手掌在一个平面内，把右手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，大拇指指向导体运动方向，则其余四指指向动生电流的方向。

好了，可以心满意足的睡觉去了 :D



对 “石墨静态磁悬浮的探索 – 这次成功了” 的 73 条 评论

  1. 天人 说：
    2011/04/27 于 23:48

    博主有没有试过用电池的石墨棒来试一下？不知道电池的那根石墨棒的纯度如何呢？

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    • 动力老男孩 说：
      2011/04/27 于 23:54

      我本来想试的，毕竟电池比日本进口铅笔芯便宜多了。
      不过考虑到电池里很有很多重金属元素，对人体和环境都有害，所以还是不考虑了。
      这位朋友如果离中关村比较近的话可以来找我，送你几根实验 :D

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      • 天人 说：
        2011/04/28 于 12:29

        我离首都远得很呢，呵呵。以前专拆电池取锌皮，尝试过提纯残余物，不过那黏糊太麻烦了。记得那罐黑乎乎的东西还没倒，得好好处理下才行。

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  2. 老薛 说：
    2011/04/28 于 02:03

    一早就赶过来看动力哥的更新，果然没有失望！好文章！动力哥如果当老师肯定很受学生喜欢。

    抗磁性的确非常微弱。由于抗磁性，石墨内部的磁场会比外部的磁场稍弱。假如外部磁场是B，内部磁场是b，那么(B-b)/B大概是10的负五次方。这还算是比较强的抗磁性了。

    诚如动力哥和动力嫂所言，铅笔芯感受到的力可以理解为一个非常浅的盘子。总的来说，在两块磁铁的交界处磁场比较弱，而四块磁铁的交界处应该更弱，这就相当于一个盘子的底了。

    动力哥提到要买激光笔，500 mW 的是不是太强了？激光安全手册上说要小于5 mW 。 我用的那个就小于5 mW。500 mW 的激光射入人眼基本上是瞬时就会致盲。1000 mW 的是不是可以当火柴用了？家里有小朋友，所以总要处处小心的。

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    • 动力老男孩 说：
      2011/04/28 于 09:40

      不错，你的解释都会带数据支持，很专业 :)
      我很好奇你在学校的学科方向是什么，哈哈

      500mW 的激光确实危险，这也是我纠结了好久还没买的原因
      从网上的视频参考，500mW 可以几米外点火柴，1000mW的可以切断塑料吸管
      那个小车是robotBase送的，我最初的计划是用它做一个激光坦克，等天热了拿来打蚊子
      前几天买了天顶镜和低倍的望远镜，准备用手机遥控，wifi视频瞄准
      最大的问题就是这个大功率激光太危险

      你说的对，家里还是不能有危险的东西，我折腾点别的事情好了 :D

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      • 老薛 说：
        2011/04/28 于 11:31

        哈哈，动力哥果然童心未泯！有个人说:”The only difference between a man and a boy is the price of their toy.”

        那么强的激光还是太危险。简直可以当凶器使了。为了不浪费已经买的设备，动力哥可以把激光换成玩具枪，然后继续原来的project。。。

        我是念物理的。以前觉得只需要理解原理，知道那些x,y,z写成的方程式就行了，具体数值什么的不重要。后来真正做实际的研究才知道数值是最重要的。大小强弱都只有相对的意义。不从事实际工作，纸上谈兵的人一般就不会认识到这一点了。

        动力哥原来的那个NXT两轮平衡小车还在做吗？那个很有意思啊！我想等我把上推式磁悬浮尝试了以后就开始做这个。我在考虑用RobotBase的那个加速度传感器试一下。毕竟那个加速度传感器比乐高的陀螺仪传感器便宜好多。

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        • 动力老男孩 说：
          2011/04/28 于 14:17

          那个有一段时间没碰了，最近回家都晚，乐高电机的声音还是有点大，会吵到孩子
          而且我那个陀螺仪传感器好像有点问题，还不确定原因
          这几天工作更忙了，估计等五一之后有时间看看

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      • 天人 说：
        2011/04/28 于 12:37

        网上有视频拿光驱的激光二极管就可以加聚焦镜点火柴，也就200mW，这玩意确实太危险了！不如研究下电磁轨道炮吧，用小弹珠也可以把蚊子砸死吧，有DIY玩家用大钢珠把可乐罐（未开）砸烂了，威力挺牛的。呵呵，充电的电容的数量可是挺吓人的

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        • 动力老男孩 说：
          2011/04/28 于 14:15

          钢珠也不安全，呵呵
          之所以想用激光炮，是想到瞄准的问题，不用考虑弹道
          用45°反射的天顶镜+摄像头瞄准，然后镜面中心钻一个小孔发射激光
          校准之后就可以“所见即所得”
          瞄准蚊子的时候一按按钮，“噗”的灰飞烟灭
          哈哈，想想就觉得过瘾

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          • 天人 说：
            2011/04/28 于 18:48

            我也觉得这很过瘾，呵呵，就算蚊子不焦也瞎了。用来打苍蝇更爽，苍蝇那眼睛……笑而不语

  3. seven 说：
    2011/04/28 于 10:06

    弱弱的问一句。。。下面的是磁铁？可以这样排列起来吗？

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    • 动力老男孩 说：
      2011/04/28 于 14:20

      对，都是磁铁。
      排列方式是NS间隔排列，类似于国际象棋盘那种黑白相间的格局
      摆磁铁的时候还需要注意一下，对于正方体的磁铁块，在没有辅助磁铁或者测量工具的条件下，仅用这些磁铁自身来判断磁极方向
      你可以自己玩玩看 :)

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  4. looping 说：
    2011/04/28 于 18:13

    武爷，这越整越高端啊，都成科研人员了

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    • 动力老男孩 说：
      2011/04/29 于 09:51

      我这属于民科，留言的有几个是真科研人员 :)
      有空咱们聚聚，私下联系

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      • 小天 说：
        2011/06/13 于 12:17

        重复你的悬浮试验，只能说有一半成功了。发现了新的问题，不明白，想请教，请留QQ联系方式。我的试验中，笔芯可以浮起来，但是需要外力帮助平衡，而且位置不在磁铁中心，在有缝的那条线上。我的QQ:534708365

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        • 动力老男孩 说：
          2011/06/14 于 09:51

          你的磁铁排布方式对吗？要像象棋盘那样，黑白相间的铺开才可以。
          另外，桌子最好平整一点，毕竟是悬浮阻力很小，一点点的坡度就滑下去了

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  5. 张培贵 说：
    2011/04/29 于 20:07

    我喜欢你的爱好,静态磁悬.你做得不错.

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  6. keeds 说：
    2011/04/30 于 08:15

    常温静态悬浮，仅仅用磁铁和石墨达成，对我们这些外行还是很有冲击力的

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  7. ccen3020 说：
    2011/05/01 于 00:43

    其实LZ可以去了……

    http://www.douban.com/online/10635765/

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  8. zxzxy 说：
    2011/05/05 于 15:49

    这儿是越来越火啊，哈哈，强势围观…等考完试，一定得自己动手做做，一年多没做东西了，手都痒痒了，哈哈

    回复
  9. Jameszou 说：
    2011/05/08 于 17:11

    好久没来看老男孩了，这不一来就有动力了，看着不想走，当初也不知道怎么找到你这的，不过真的感觉很幸运，虽然我很菜，但是看到你们的讨论我就很着迷，有些看不懂的就到处查资料，所以通过你这我学习了很多以前想都不敢想的知识。

    回复
  10. 老薛 说：
    2011/05/16 于 21:18

    动力哥，我回到了祖国母亲的怀抱。

    想问一下你的这些磁铁是从哪个淘宝网站买的，我想买一些给我家乡的高中生做些演示实验。多谢！

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  11. 老薛 说：
    2011/05/18 于 19:41

    多谢！！

    回复
  12. 小张 说：
    2011/05/31 于 11:48

    我想知道那个铅笔芯是长时间悬浮吗，还是逐渐的下降呢

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  13. 小张 说：
    2011/05/31 于 11:57

    583571012是我QQ，我很感兴趣，那笔芯在哪个网站买的呢，磁铁尺寸多大

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    • 动力老男孩 说：
      2011/06/01 于 13:39

      磁铁是5mm的立方体，笔芯在淘宝上买的

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      • 小张 说：
        2011/06/01 于 16:35

        谢谢大哥，我成功了啊，真的，好神奇啊，以前没永动机，后来有了永动鸟，以前没有高温超导体，现在铅笔芯都磁悬浮了，以前角度无法三等分，现在咋分都可以，科学的力量啊

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        • 动力老男孩 说：
          2011/06/02 于 21:51

          好端端的同学，怎么要走上邪路了啊 :D
          1，笔芯悬浮是抗磁性，不是超导
          2，永动鸟是类永动机，没有使用价值，你可以想象一个在沙漠的中风车，从某种角度来说，它也是永动的，这是两个概念
          3，角度三等分已经证明是不能用规尺作图的，你说的咋分都可以，完全没有依据吧
          4，改变磁场轨迹也不能搞出永动机，简而言之，任何企图制作永动机的想法都是无用功

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          • 小张 说：
            2011/06/04 于 09:04

            很精辟！

          • 小张 说：
            2011/06/04 于 09:06

            那个角的三等分，我用cad软件实现的呵呵

          • 动力老男孩 说：
            2011/06/04 于 10:12

            :) 好吧
            那个三等分角的难题，是以规尺作图为前提的
            就是说只用圆规和没有刻度的尺子
            后来有人证明，如果把条件放宽，让尺子可以有刻度，就可以三等分角
            CAD软件分起来就方便啦

  14. 小张 说：
    2011/06/01 于 17:51

    研究发现石墨可以屏蔽磁场，改变磁场轨迹，就像透镜可以改变光线一样，好好利用就发达了，永动机都可以搞出来了

    回复
    • 动力老男孩 说：
      2011/06/02 于 21:55

      这个….
      没戏，哈哈

      回复
      • 小张 说：
        2011/06/04 于 08:59

        我研究分析了一下，有假设如下

        石墨笔芯不是超导体，我用万用表测了下，几百欧1cm，即使放在磁铁上方还不变

        我猜想石墨悬浮不是因为石墨靠近磁铁产生电流再产生抗磁实现悬浮，因为超导体经过几天后会下降的，肉眼可以看出来，在实验室也就几分钟就看出来下降了，
        如果超导体不下降，就不会产生电流了，极微小的下降要很久才会看见下降了

        几天下来那个笔芯还在那个高度，是不是石墨的颗粒度阻挡了磁场粒子，只有少数磁场粒子通过，就像喷泉使小球悬浮一样

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  15. 小张 说：
    2011/06/04 于 16:50

    不知道这石墨磁悬浮申请专利了没，铺在铁轨上抵消部分重力，貌似很小的浮力

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  16. 神马 说：
    2011/06/18 于 15:34

    http://hiphotos.baidu.com/yzuzm/pic/item/47b50a17b7fc651521a4e9ea.jpg
    另外一个图

    回复
  17. 外星人 说：
    2011/06/19 于 10:15

    把磁铁摆出个盘子的形状，有边沿的那种，我试了一下，反正撞不到边，也掉不下来，像碰碰车

    回复
  18. 王超 说：
    2012/02/28 于 00:25

    哥哥的磁铁哪里买的啊？

    回复
  19. lechie 说：
    2012/05/24 于 21:15

    牛人啊！！！

    回复
  20. simatic_net 说：
    2012/05/25 于 00:06

    看到5款铅锌排列的照片，勾起了我的回忆。我小时候爸爸有个朋友，从国外回来，送了我一只自动铅笔、一盒铅芯，就是中间那盒。我惊讶的发现它可以秒杀周边所有同学的自动铅笔。后来铅芯用完了，再后来自动铅笔丢了。

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  21. darkorigin 说：
    2012/05/25 于 10:49

    太牛X了， 磁悬浮列车用这个该多省电啊。只需要1个电风扇的推力就可以推动列车了。。。。。
    巨大的磁铁+铋或者石墨 可以保持列车悬浮 微弱的牵引力或者推力都能维持匀速运转。 向下的斥力都不需要用电来维持了。

    回复
  22. 老虎 说：
    2013/08/13 于 19:07

    我用纯石墨板为何没有做成功，我在做一个貌似不可能完成的任务，很想与你交个朋友，qq961587567飞翔的老虎

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    • 动力老男孩 说：
      2013/08/17 于 09:50

      你的纯石墨板是怎么弄到的，如果里面有粘土成分的话就不会成功。老薛的石墨板是从核设备里面取的，那是真正的纯石墨

      回复
  23. morrowind 说：
    2013/08/26 于 13:21

    您好，我按照你的方法，淘了10mm的立方体强磁，加上进口派通铅笔芯，但是不管是0.3mm的还是0.5mm的都无法完全悬浮。0.7mm的根本没反应。只有0.3mm的，可以一边有支撑的情况下，另一边悬空。
    不知道是我的磁铁不够强（N35）还是铅笔芯有问题？我买的磁铁1.5￥/块，笔芯大概7、8块钱/盒左右。
    能给一下您当初购买的链接地址吗？
    我现在又去买了更强的方块磁铁，店主说N52，我对比了下参数觉得应该是N38的，不过至少比原来的N35强一些，2.5￥/块。
    希望明天到货后能实现梦想中的悬浮！

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    • 动力老男孩 说：
      2013/08/26 于 14:06

      这样说来我当时买的是N52的，好像店名叫“磁阿宝”

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      • morrowind 说：
        2013/08/26 于 14:38

        好的。找到了一家“磁阿宝”天猫店，里面货色果然比较多。很奇怪为什么我直接搜索就没见到这家店。
        明天我买的要是还不行，就在这家店再买来试试看。

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      • morrowind 说：
        2013/08/27 于 12:36

        很失望，今天到货的果然还是不行，连半悬浮都不行，说是N52，估计吹牛不上税的。
        我把上次买的标称N35的，一起拿去给同事掰，结果都说那个标称N35的吸力更强。
        淘宝上良莠不齐，看来还是只有到“磁阿宝”买买看了。
        对了，动力哥买的磁铁是5x5x5的吗？我怀疑是不是我买的10x10x10太大了？

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      • morrowind 说：
        2013/08/27 于 14:39

        用PS测量了一下，第一张图片磁铁高度是铅笔芯的大约7倍，第二张中大约10倍。联系到你说买的笔芯是0.5mm和0.7mm两种。这样看来，你买的磁铁确实应该是5mm立方的。
        原来越小的磁铁效果越好，这一点我是想错了。

        回复
  24. morrowind 说：
    2013/08/28 于 15:12

    今天收货5mm立方的磁铁块，终于亲眼见识到了常温无源静态磁悬浮！
    我淘宝买了0.3mm、0.5mm和0.7mm三种铅笔芯，其中0.3mm的效果非常显著，可以演示在铅笔芯和磁铁之间抽插一张纸。
    刚才仔细把上面评论都看了一遍，这才发现原来早就有提到是5mm见方的磁铁，唉，都怪自己没耐心看完就急着试验，结果反而走了弯路。准备再入手3.5mm的磁铁块，应该效果会更好。
    我想，石墨铅笔芯能成为悬浮的良好演示物，主要在于它密度比较小，又有较强的抗磁性。而铜等某些金属虽然也有一定的抗磁性，但密度太大导致无法完全抵消自身重力。另外，SiO2密度也还好，或许可以成功被悬浮起来，淘宝上有0.x毫米的薄玻璃片，准备入手测试测试看。另外晚上回家再试试用喷雾剂喷洒细微水滴，看能不能悬浮。

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  25. 马哥 说：
    2016/05/07 于 15:39

    磁阿宝买的磁铁，16块，拼个4X4的，用女儿自动铅芯，不行，而且显相吸。 打开工具箱看到块电机碳刷，切下一块，慢慢磨成薄片。当厚度磨到0.5mm左右，悬浮现象就非常明显了，悬浮高度大约也0.5mm左右。当然目测可能不太精确。拍了照片，非常清晰的悬浮现象。以前从未想过逆磁性的物体竟然能强到自己飘起来。人类今后的任务就是要像研究高温超导体一样找到某种强逆磁性的物质。这将是人类科技极大的进步

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