磁悬浮的故事（下） – 动态磁悬浮
由 动力老男孩 发表于 2010/12/01 22:54:47今天接着上次的内容，继续分享动态磁悬浮。
话说恩绍大定理问世以后，在很长的一段时间内，如果某个物理学家宣布要制造磁悬浮，一定会受到同行们的羞辱，因为这个跟永动机一样是不可能的。可惜的是，有无数的民间“科学家”不认得恩绍，更不知道什么大定理小定理，他们日复一日的做各种尝试。奇迹往往就这样产生了，1993年美国的一位叫罗来.哈里根（Roy Harrigan）的民间发明家申请了一项磁悬浮的专利。玩过陀螺的人一定都注意到一个现象：静止的陀螺是不可能直立的，但是只要旋转起来，就能保持平衡。哈里根同学的方法就是这样，虽然静止的磁铁不能保持稳定，但是可以做成一个陀螺，让它旋转起来就可以保持悬浮状态。
后来有两位无耻的物理学家（美国拉斯维莫斯国家实验室，所以大家也别相信美国的所谓社会公德），作为学院派的人物，他们抱着找茬的态度联系了发明家。在亲眼目睹了这个神奇的发明之后，他们骗走了一套陀螺回去研究。之后的事情大家应该能猜到了，他们稍作修改，申请了新的专利，并制作了一种叫Levitron的玩具大赚特赚。这次为了研究磁悬浮，我也特地从淘宝买了一套，只需要15元：
不用电的磁悬浮，但是需要很高的技巧
说到这里必须多提两句。据专家分析，这种陀螺在磁体上几十毫米的空中浮动，但稳定区域只有４毫米左右，陀螺必须呆在这一看不见摸不着的狭小区域中才能稳定。不仅如此，陀螺的重量必须精确到１％左右，轻则飞出，重则落地。加之陀螺的稳定还随环境温度变化，必须随时调整。使用者还要学会在磁体强烈的斥力下把陀螺转到一定的转速，快了慢了都不能稳定。作为一个成熟产品，我大概玩了一个小时才能掌握让它浮起来的技巧，真不知道这些发明家们经历了多少失败才发明出来的！在此向这些伟大的DIY玩家致敬！
这个不用电的陀螺虽然能悬浮，但是只能保持几分钟（空气阻力）。然后21世纪到了！集成电路，霍尔传感器，钕铁硼强磁….科技的进步让我这样的业余玩家也可以在家做磁悬浮，这就是所谓的站在巨人肩膀上。这次我做了两种磁悬浮：上拉式和下推式。其中用到的一个关键器件是线性霍尔传感器，这种传感器简而言之就是能够感知磁场的大小：
线性霍尔传感器
这种传感器的安装要非常小心，因为它测量的是通过那个小小的平面的磁通量，如果磁场和表面平行，那么再强的磁场也测不出来。另外这里必须用线性霍尔，而不是开关型霍尔，我选用的型号是UGN3503。
有了传感器，其他的事情就好办了。例如上拉式磁悬浮，如果检测到磁铁向下运动，就加大电流把它吸上来；反之如果向上运动，就减小电流让它下落。当然这里面也需要一些编程上的技巧，我后面会介绍PID算法原理。
上拉式磁悬浮原理图
下推式悬浮原理很类似（其实两种悬浮我用的是同一块电路板），但是需要横竖两个方向共同合作。以一个方向上的截面为例：
下推式磁悬浮原理图
它的原理是：霍尔传感器在浮子的正下方，当检测到浮子向左运动时，两边的线圈一个吸一个拉，把它推向右；反之如果浮子想右运动，那么两个线圈的电流都反向，把它推向左。用前后左右共四个线圈，两个霍尔传感器配合，就可以把浮子稳定的悬浮住。
至于让浮子旋转，我参考的是鼠笼式电动机的原理，基本上是依据楞次定律，制造一个旋转磁场，以此让浮子无接触的转动。这个实验没有成功，我觉得主要是因为线圈的电磁场随距离衰减过快，无法驱动陀螺。不过这次实验倒是让我学习了一些数字电路的知识，改天也会总结一下发上来。
鼠笼式电动机原理
有了磁悬浮的基础，可以有一些很酷的应用。你可以想象一个悬浮的无线供电灯泡，或者一个悬浮的广告灯箱。有一家叫Crealev的荷兰公司专门做磁悬浮产品，效果非常酷，看下面的产品图：
悬浮台灯
悬浮的儿童不宜
昨天跟一群同事一起去吃烤肉，那些肉特别容易粘在篦子上，贪吃的你一定知道的。同事们开玩笑说，你发明个东西，让肉飘在空中吧，无接触式翻烤。呼呼，这还真是个有意思的创意！
好了，磁悬浮的背景故事说完了。还有几句题外话：
上面说起了永动机，不得不再提一下民间发明家们。即使是现在，依然有很多人在孜孜不倦的发明永动机，大部分人当然是浪费时间，但是依然有一些非常有创意的小发明问世，姑且称之为“准永动机”。比如我们常见的自动手表，就是通过人体运动驱动摆锤自动上发条。还有一种神奇的喝水鸟，只要一天的温差超过几度，它就可以不停的点头喝水，很好玩 
靠温差运动的神奇“喝水鸟”
