磁懸浮之電磁技術(shù)

磁懸浮就是用磁力克服重力讓物體懸空，但真正做起來(lái)并不容易，主要原因是沒(méi)有穩定的平衡點(diǎn)。要達到懸浮，必須是穩定的懸浮。也就是說(shuō)，用一個(gè)力(或位移)在任何方向上(上下左右前后等)來(lái)(小)擾動(dòng)被懸浮物,都會(huì )有一個(gè)恢復力，使得外力撤消后重新恢復平衡。

磁懸浮可以分成有源的和無(wú)源的兩大類(lèi),前者比如反饋式的，用光電、磁電等手段檢測到被懸浮物體偏離正常懸浮點(diǎn)后，通過(guò)調節電磁鐵的電流來(lái)使得物體保持在懸浮點(diǎn)附近，因此需要用電。這樣的懸浮從道理上看，與開(kāi)直升飛機懸停沒(méi)什么區別。

無(wú)源懸浮又分為超導懸浮和普通磁懸浮兩類(lèi)，前者是靠超導體的完全抗磁性來(lái)達到的，超導體和磁體之間就像安裝了彈簧一樣。簡(jiǎn)單說(shuō)就是任何磁鐵在超導體附近的移動(dòng)都會(huì )在超導體表面產(chǎn)生電流，而這個(gè)感生電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)阻礙磁鐵的運動(dòng)，因此磁鐵就與超導體相對靜止。

普通磁懸浮又可分成兩類(lèi)，排斥懸浮和吸引懸浮。排斥懸浮有成品可買(mǎi)到,就是所謂的陀螺懸浮。其原理是用五塊大磁鐵(比如四角四塊N極向上、中間一塊S極向上)在懸浮空間上方產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)谷(對N極向下的懸浮磁鐵周?chē)懦饬姷虚g弱)，那么只要被懸浮磁鐵的極性得到保持，就可以成功懸浮。但處于自由狀態(tài)的磁鐵會(huì )上下反轉，把排斥力變成吸引力,結果懸浮就失敗。解決這一問(wèn)題的辦法就是把懸浮磁鐵做成陀螺，保證在運轉期間極性不反轉，這樣才能懸浮起來(lái)。懸浮需要技巧，陀螺的重量要通過(guò)墊片調整到誤差在0.1g之內才能懸浮，而且要求底座很平。

以上懸浮要么需要能量，要么需要不會(huì )持久保持的條件(超導的低溫、陀螺的旋轉)，因此都不是永久懸浮方案。

最后一種，就是吸引懸浮。但吸引懸浮中,兩塊磁鐵的吸引力基本上是與距離的平方成反比的，盡管吸力與重力有一個(gè)平衡點(diǎn)，但為非穩定平衡。為了解決這一問(wèn)題，需要用反磁性物質(zhì)制造一個(gè)局部的穩定空間。

我們做一個(gè)測試實(shí)例：

1、測試時(shí)道具可采用鉍粒，純度較低也可以。

2、用不銹鋼勺子在煤氣灶上熔化鉍(鉍的熔點(diǎn)不算高,500多度C),用易拉罐的底做模具，做了兩塊鉍錠。

3、相對鉆上6個(gè)小孔，用三根適當長(cháng)度的銅絲把兩塊鉍錠架起來(lái)，中間留有空隙。把稀土磁鐵放到中間。

4、在上面適當位置放上大磁鐵,結果小磁鐵懸浮了起來(lái)。這個(gè)懸浮自然是穩定的，前后左右偏離達10mm，仍然可以復原。上下位置，由于有金屬的限位自然跑不掉，但會(huì )自動(dòng)居中。

工作原理

所謂(正)磁性，就是類(lèi)似鐵這樣的物質(zhì),會(huì )被磁鐵的N極或S極所吸引，而且基本上力的大小與距離的平方成反比。

所謂反磁性/逆磁性，會(huì )被磁鐵排斥,或者說(shuō)無(wú)論磁鐵的N極或S極接近反磁性物質(zhì),都會(huì )產(chǎn)生排斥力,而且力的大小也基本上與距離的平方成反比。

鉍是具備最強的反磁性的金屬。當然，這個(gè)反磁性的大小還是比較弱的，甚至正常情況下很難觀(guān)察到。我剛才用電子分析天平測量了一下,某稀土小磁鐵在距離鉍塊0.5mm的位置上,排斥力只有0.05克力。而司樣的磁鐵距離鐵塊0.5mm的場(chǎng)合下有500g的吸引力，因此鉍的反磁性的大小只有鐵的正磁性的萬(wàn)分之因此這個(gè)裝置也需要精心的設計和調整才能達到懸浮。首先，磁鐵的重力是靠上面的一塊上下極性相反的大磁鐵來(lái)平衡的。其次，由于這個(gè)磁鐵選的比較大，因此可以在距離比較遠的情況下,其吸引力就可以與小磁鐵的重力相等(平衡點(diǎn))。而由于距離比較遠，因此可以在小磁鐵周?chē)粋€(gè)小范圍內建立比較均勻的磁場(chǎng)，也就是說(shuō)，當小磁鐵上下少量移動(dòng)時(shí)，吸引力的變化不至于過(guò)大。第三，由于兩塊鉍板的引入，使得小磁鐵在靠近鉍的時(shí)候排斥力很快增大，無(wú)論是向上靠近還是向下靠近(因為排斥力也基本上與距離的平方成反比),而這種排斥力隨距離的變化大于上下磁鐵之間吸引力的變化。因此，中間就成為一個(gè)穩定的平衡點(diǎn)。也可以這樣來(lái)理解:由于鉍的反磁性,如果在失重狀態(tài)下把磁鐵裝到用鉍做的空心盒里，那么磁鐵將保持在中心。最后，當小磁鐵在水平方向上偏離中心位置后,由于上邊磁鐵吸引力的“懸掛”效應(類(lèi)似單擺),會(huì )產(chǎn)生一個(gè)水平的向心分力，使得小磁體復原。這也是吸引懸浮的優(yōu)勢所在。

磁懸浮地球儀利用電流磁效應使地球儀漂浮在半空中。地球儀頂端有一個(gè)磁鐵,圓環(huán)形塑膠框內部頂端有一個(gè)金屬線(xiàn)圈，金屬線(xiàn)圈通過(guò)電流就會(huì )成為電磁鐵。電磁鐵與地球儀頂端磁鐵間的吸引力可抵消地球儀所受重力，因此地球儀可漂浮在半空中。用手輕輕觸碰地球儀使其偏離平衡位置，手移開(kāi)后地球儀仍可回到平衡位置不至掉落，這是利用負反饋機制。