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石墨静态磁悬浮的探索 – 虽然没成功

之前介绍过有人用钕铁硼+铅笔芯可以实现静态的磁悬浮,因为石墨具有抗磁性。当时简单试了下没有成功,后来就没有再深究了,内心深处对这个实验一直持怀疑态度。直到前几天有一位叫做老薛的小朋友动手实验成功,有兴趣的同学可以去翻翻他的博客

这下老男孩坐不住了,老薛同学说了几点可能的原因:
1,把圆片形状的磁铁换为方块的,没有间隙可能漏磁较少;
2,磁铁不一定要大,小块的磁铁可能梯度更大
3,铅笔芯石墨含量越高越好

于是迅速淘了一小堆正方体小磁铁,兴致勃勃的准备见证奇迹,结果再次被打击了:
没有成功的静态磁悬浮

事实上,那根该死的铅笔芯不但没有浮起来,貌似还吸在了磁铁上。我把磁铁片翻过来,它居然还得意洋洋的挂在下面!

相比之下,老薛同学的实验照片如下:
老薛同学的结果

伤心之余,我查了下资料,在阿莫的论坛上找到了疑似答案。主要是国内的铅笔芯都是采用的石墨+粘土配方,而大部分粘土里都是含铁的。需要说明的是抗磁性一般都比磁性弱很多,所以不但不能悬浮,还会被吸住。
没办法,咱也不能因为这个就投诉国货,毕竟铅笔芯不是设计来玩悬浮的。

为啥老薛同学的笔芯可以呢?哈哈,因为他是在英国啊。说到这里,不得不对他们的实验室表示一下由衷的羡慕妒忌恨。他的导师居然和他一起玩磁悬浮,之前还在实验室里玩遥控飞机。唉,国内的导师们,已经被各种论文和指标压的喘不过气,你要是在实验室玩这个,非得被扔到楼下去不可 :D

下面是网上找来的图,可以看出磁铁大小和形状并不是关键原因,主要还是笔芯的问题:

最后,转一个国外某蛋疼到极致,同样也是敬业到极致的某同学的总结,试验了各个国家不同粗细和标号的铅笔芯的悬浮情况:
第一栏是笔芯粗细,国内一般只有0.5和0.7两种;第二栏是HB标号,B越大的越软,石墨含量越高(这次我还试了6B的铅笔芯,用小刀刮成片状,依然不成功);yes和no不解释;第四栏是产地。

其中来自德国的施德楼(Staedtler)铅笔标记了Very Good,这个牌子我一直很喜欢,可惜家里的都是圆珠笔。

Pentel Super Polymer,
0.35  HB YES Japan
0.35 B&2B YES Japan
0.5 B&2B YES Japan
0.5 HB YES Japan
0.5     F YES Japan
0.7  HB (1 box YES, 3 boxes NO) Japan
0.7 B YES Japan
0.9  2B YES 15/$1 at McGuckin, 2524 Arapahoe Ave., Boulder, CO
0.9 HB NO Japan
0.9 B NO Japan
Faber-Castell (1.4 B labeled Brazil)
http//www.faber-castell.de/
0.35   ? Germany
0.5 Super Polymer ? Germany
0.7  2B YES Germany
0.7   ? Germany
0.9   ? Germany
1.4  B,Super Polymer leads for their “E Motion Pencils” YES (very good) 6/$2.88 at Meninger 499 Broadway, Den, CO
2.0 B & 2B NO Germany
Staedtler (Marsmicro Polycarbon) Germany
http://www.staedtler.com
0.5   ? Germany
0.7   ? Germany
0.9 B & 2B YES (very good) No longer made.
0.9 HB YES (less than 2B & B) No longer made.
2.0 B & 2B NO Germany
Derwent
7.0 8B NO  
Stanford
0.5 HB YES Japan
0.9 HB (Sphere TM) NO Korea
Pilot (NEO-X)
0.7 HB YES Japan
MonAmi
0.7 HB NO Korea
School Time      
0.5 HB NO China
       

 

 

磁悬浮的故事(上) – 静态磁悬浮

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