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失传技术研究所小讲堂 篇七十:磁悬浮玩具大赏

ACFUN_AK 09-08 11:56 + 关注

创作立场声明:要是反响还行以后抽空多讲点咱以前玩的东西倒是也行

张大妈的各位,喜欢DIY的各位,你们好。在DIY的过程中,我们有时会遇到各种各样的情况,其中最常见的就是受到重力影响,某些重要元件掉落引发事故

比如美国最严重的核危机,不是古巴导弹危机,而是一名导弹维护操作工的套筒掉落引发的核弹火箭燃料泄露,还好最后没有引起核爆,否则就是红警2开局CG。实际上很多事故究其原因就是因为重力

因此打算以电磁所的身份更一期反重力的设备大赏聊以慰藉,其实也就是磁悬浮玩具了

所谓的反重力,目前为数不多的可行方案就是利用电磁力实现

本篇在解释原理的时候会尽可能通俗些

电磁力作为四大基本力之一,强于万有引力,因此工程上可以用来实现反重力

真空中点电荷适用的公式:


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静电力常量k=9.0×109N·m2/C2

万有引力:


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万有引力常量G=6.67×10-11N·m2/kg2

因此易得知电磁力在数量级上远远大于万有引力,之前不是有过一个讲解说过嘛,把磁铁粘冰箱上,磁铁和冰箱之间相互作用的钢板只有差不多磁铁的面积乘以板厚,但是产生的电磁力已经足以抵抗磁铁和地球之间的万有引力也就是重力了

《疯狂科学》对磁悬浮有所介绍


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《疯狂科学》真的是本居家旅行老少皆宜的电子DIY修炼好书,里面对各种科学实验的记载非常详细

然而,疯狂科学2还好说,疯狂科学3就换作者了,写出来的质量非常水,不建议购买。新手就看疯狂科学1就行了,PDF全网到处都是,实在找不到又买不起纸质版咱们所还能提供一个


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其实最早的磁悬浮玩具咱入手的就是这样的东西,磁浮陀螺,有种尤里复仇里面的镭射幽浮的感觉,它的原理嘛书上也介绍了,十分简单,利用陀螺自身的旋转来稳定底座磁场提供的排斥力,让陀螺保持在一个相对稳定的状态


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这种东西现在二十多块钱包邮就有卖的,但是玩起来要求的条件非常苛刻。

因为要求二力合一,不能有分立推离陀螺,因此底座必须保持水平,而且陀螺的重量也要进行配重


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后来还提到了抗磁性磁悬浮

超导磁悬浮:


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超导态的另一个基本性质是抗磁性,又称迈斯纳效应(Meissner effect)。即在磁场中一个超导体只要处于超导态,则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消,从而内部的磁感应强度为零。也就是说,磁感线完全被排斥在超导体外面。简单来说,外界的磁场会引起穿过超导体的磁感应强度发生变化,而超导体没有电阻因此电磁感应产生的感应电流可以无限大产生与外界磁场方向完全相反的感生磁场,抵抗自身磁通量的变化(楞次定律)。在这张图上面超导体在下永磁体在上,感生磁场起到一个支持力的作用就能够把永磁体悬浮在其上数毫米的位置。

虽然咱现在还不能给各位演示超导磁悬浮,但是和其原理相同的普通抗磁磁悬浮却能很便宜的演示:

热解石墨和铋都有很强的抗磁性,能够有效的实现抗磁性磁悬浮

抗磁性强度排名:

超导>热解石墨>铋>水银>银>金刚石>铅>石墨>铜>水

超导(-10^5)

热解石墨(-40.9)

铋(-16.6)

水银(-2.9)

银(-2.6)

金刚石(-2.1)

铅(-1.8)

石墨(-1.6)

铜(-1.0)

水(-0.91)

热解石墨的抗磁性如此之强以至于它能在常温下在永磁底座上形成稳定磁悬浮,我们过去玩的是这种方案:


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抗磁性磁悬浮,需要物体的抗磁性非常强 这么一小块热解石墨也要三五十块钱了


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它在磁铁上悬浮的高度说实在的不高,不如超导磁悬浮效果好

为了直观的演示抗磁性在磁悬浮中的应用,我们更换思路,不再进行静止的磁悬浮,而采用动态的方式进行演示


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磁悬浮说到底不就是用电磁力抵抗重力嘛,因此最简单的方法就是利用电磁感应的电磁阻尼来演示在电磁阻尼下重力被抵消的情况不就行了

电磁阻尼指的是当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力的方向总是阻碍导体的运动的这种现象。电磁阻尼现象源于电磁感应原理

演示这种现象我们需要重力,需要电磁力。因此最容易让这两种力在我们的实验装置中PK的办法其实就是在闭合导体的管子中放置一个永磁体,这样在重力作用下永磁体(钕铁硼磁铁)就会因为电磁感应而受到电磁力作为阻力而缓慢的在管中降落


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管子其实就是一根纯铝厚壁管子,这玩意普通的车床都能加工,应该也有标准件可以买

铜管理论效果更佳,因为铜电阻率更低,然而铝管也能有效演示


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这样就能观察磁铁在管内缓慢降落时的绝景了,有空我再拍个视频给各位看看就知道了,到时候还是发表在ACFUN,B站对科学实验UP打压太严重了,咱又没落魄到要去快手抖音就只能这么折中下了,其实这玩意要是好好拍弄不好视频可以转GIF,其实就是表示磁铁在铝/铜管内下落比普通环境下磁铁在重力加速度下落的速度慢得多

最后介绍这个最有意思的磁悬浮,用电的磁悬浮


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其实之前咱不是提到了磁浮陀螺必须通过自身旋转才能稳定磁场提供的推力来着吗,这套下推磁悬浮其实就是把自旋稳定换成了相对对环境不那么严苛的闭环控制系统提供电磁力修正改变原先的不平衡而已

磁场传感器(霍尔传感器)(变送器)——控制器(集成电路控制器)——执行机构(电磁铁)——被控对象(永磁浮子)


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这套电路最大的特点就是需要用电

不过用电倒是不是很多,相比以前那种通过闭环控制系统控制电磁铁硬拉铁杆的所谓上拉式磁悬浮,这种磁悬浮的效率很高,毕竟主要的电磁力还是永磁体提供,电磁铁只负责修正不需要消耗太多电能

衡量系统效率高低很多时候看线圈热不热就知道了,以前我们和贴吧那些拿电磁铁当电磁炮卖的奸商还在对峙阶段的时候,我们的电弹系统线圈用线量小,电流大,损耗低,可以轻易用一个线圈实现为电枢提供非常多的能量而且线圈基本上也不发热,而奸商的电磁铁系统臃肿、效率低下,线圈发热大,甚至连续使用还有可能熔化,是非常不稳定的系统。线圈发热后温度上升,电阻率自然也发生改变,整个系统基本没有精度可言,可以说为了坑钱无所不用其极。现在好了,喜欢口嗨的奸商已经被抓进去一个,其他人都老实了,而这次电赛充分证明了我们所的技术储备足以让任何人在简单学习后参赛获奖,这就够了


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也不亏我们以前潜心研究这么长时间,对抗奸商,坚持真理


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普通的QC3.0充电器/充电宝提供的12V 2A 1.5A输出都能带动,用12V锂电池组也完全没问题

是个基本上不挑电源的电路


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机绕线圈非常整齐,而且还有磁芯可以增强磁力(增大电感量,降低线圈反应速度)


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整个电路是用两块电路板拼接而成


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精密的控制器和晶体管

仔细看能看到IC标号


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这款当初我花了才100多就刚下来了,群友福利价


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良心在控制器IC上面的型号还在,很多做DIY的人比较坑爹在哪就是他们做东西把元件型号抹去,让用户处于后续如果IC损坏无法更换的恐惧中

那种屑卖家想靠这种拙劣的方法垄断利润,咱自然是要反对的。钱不是那么来的


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整个系统除了没有一个好外壳以外基本没有什么可挑剔的,价格合理,性能可靠,维修可行,电源便携,基本完美。

以上就先介绍这些,其实以前咱玩电子DIY玩过的好东西咱还真鼓捣过不少,有空慢慢讲


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全部评论 (11)
侃先生
4
09-08 12:34

大佬请发动图或者小视频吧[得意]

王德新
2
09-13 22:12

看了半天也没看懂说的是什么意思。但是觉得很厉害的样子啊。这就是传说中的“不明觉厉”的赶脚吧。。。

Star星辰
1
09-08 23:20

B站三年粉来冒个泡

lt666
1
09-08 22:15

是在讲课吗?讲着讲着最后是说啥?因为有前面的理论所以做了个物件?然后效果怎样没有,怎么拓展没有,然后大家就跪下了?[尴尬][尴尬][尴尬]

Tony9999
1
09-08 17:24

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