Магнитная левитация, стабилизированная вращением

Краткая демонстрация и небольшое объяснение с использованием левитирующего волчка марки Levitron , работа которого основана на явлении стабилизированной вращением магнитной левитации.

Магнитная левитация, стабилизированная вращением, — это явление магнитной левитации , при котором вращающийся магнит или массив магнитов (обычно в виде волчка ) левитирует с помощью магнитных сил над другим магнитом или массивом магнитов и стабилизируется гироскопическим эффектом за счет скорости вращения, которая не является ни слишком быстрой, ни слишком медленной для необходимой прецессии .

Первоначально это явление было обнаружено в 1970-х годах благодаря изобретению изобретателя из Вермонта Роя М. Харригана. 3 мая 1983 года Харриган получил патент США на свое оригинальное устройство для левитации, основанное на этом открытом им явлении. [1] [2] Независимо от Харригана, изобретатель из Пенсильвании по имени Джозеф Чифо сделал то же самое открытие в 1984 году, используя плоский базовый магнит, геометрия которого оказалась существенным изменением по сравнению с запатентованной конструкцией его предшественника, которая опиралась на тарельчатое крепление магнитов для основания. Конструкция Чифо, опубликованная в издании 1991 года периодического издания «Магниты в вашем будущем», [3] дополнительно отличалась от конструкции Харригана включением неутяжеленной вершины. [4] [5] Технология Харригана, как сама по себе, так и в сочетании с опубликованной версией Чифо с плоским основанием, легла в основу разработки массовых левитирующих игрушечных волчков, продаваемых под торговой маркой « Левитрон ».

В 2012 [6] и 2014 [7] Макс Михаэлис сообщил о работе магнитных волчков марки Levitron при углах наклона 45° и 90° (т.е. с горизонтальной осью вращения) после использования новых конфигураций для поддерживающих магнитных полей .

Физика

Теорема Ирншоу не допускает, чтобы статическая конфигурация постоянных магнитов стабильно левитировала другой постоянный магнит или материалы, которые являются парамагнитными или ферромагнитными против силы тяжести. Однако эта теорема не применима к устройствам, состоящим из правильно сконфигурированного аксиально намагниченного магнитного основания и соответствующего аксиально намагниченного магнитного волчка, поскольку нестатическая природа вращающегося магнитного волчка в пределах порога нижних и верхних скоростей вращения RPM действует как сбалансированный прецессирующий гироскоп, предотвращая полное выравнивание полюсов его магнитного поля в том же направлении, что и полюса первичного поддерживающего тороидального поля магнитного основания (т. е. посредством переворачивания волчка). В вертикально ориентированной конфигурации оси вращения это гироскопическое свойство с его необходимой прецессией позволяет ему сохранять свое поле в противоположной ориентации, динамически реагируя на направление поля градиента центрального магнитного поля тороидальной формы поля его базового магнита(ов), при этом градиент основания уменьшается радиально к центральной внутренней части базового поля, и, таким образом, оставаться самоцентрированным восстановительным образом, левитируя вокруг возвышенной центральной точки внутри базового магнитного поля, где силы, действующие на вершину ( гравитационные , магнитные и гироскопические), находятся в устойчивом равновесии , что позволяет вершине оставаться парящей, находясь в состоянии покоя в яме с минимальной энергией . [8] (см.: магнитная левитация )

В лаборатории экспериментальные установки способны левитировать волчки в течение неопределенного периода времени, измеряя скорость вращения и поддерживая ее с помощью приводной катушки . Однако колебания температуры могут повлиять на стабильность, и без контроля температуры окружающей среды волчок в конечном итоге упадет через несколько часов или дней из-за температурного коэффициента магнитов. [8]

Физика магнитной устойчивости похожа на магнитные градиентные ловушки . [8]

Наклонная или горизонтальная левитация оси вращения достигается путем наложения «макроловушки» на прецессионную «микроловушку», впервые описанную сэром Майклом Берри [9] и Саймоном, Хефлингером и Риджуэем. [8] Макроловушка создается комбинацией двух магнитных «V», а также магнита-тягача, расположенного прямо над левитроном. Тягач действует как струна маятника.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Патент США 4,382,245
  2. ^ «Магниты в вашем будущем».
  3. ↑ Род Драйвер (22 сентября 1999 г.). «Удивительное изобретение и патентная неудача (часть 1 из 2)». The Providence Journal .Альтернативный URL-адрес
  4. ↑ Род Драйвер (23 сентября 1999 г.). «Патент, который провалил свое изобретение (часть 2 из 2)». The Providence Journal.Альтернативный URL-адрес
  5. ^ Михаэлис, Макс М. (2012). «Эксперименты с наклонным левитроном». Американский журнал физики . 80 (11). Американская ассоциация учителей физики (AAPT): 949–954 . Bibcode : 2012AmJPh..80..949M. doi : 10.1119/1.4742756. ISSN  0002-9505.
  6. ^ Михаэлис, Макс М. (18 декабря 2013 г.). «Горизонтальная ось Левитрона — демонстрация физики». Physics Education . 49 (1). IOP Publishing: 67– 74. doi : 10.1088/0031-9120/49/1/67. ISSN  0031-9120. S2CID  121645252.
  7. ^ abcd Simon, Martin D.; Heflinger, Lee O.; Ridgway, SL (1997). "Spin Stabilized magnetic levitation". American Journal of Physics . 65 (4). Американская ассоциация учителей физики (AAPT): 286– 292. Bibcode : 1997AmJPh..65..286S. doi : 10.1119/1.18488. ISSN  0002-9505 . Получено 6 декабря 2006 г.
  8. ↑ Берри, Майкл Виктор (31 декабря 1996 г.). «Левитрон: адиабатическая ловушка для спинов». Труды Лондонского королевского общества. Серия A: Математические, физические и инженерные науки . 452 (1948). Королевское общество: 1207–1220 . Bibcode : 1996RSPSA.452.1207B. doi : 10.1098/rspa.1996.0062. ISSN  1364-5021. S2CID  125190530.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Спин-стабилизированная_магнитная_левитация&oldid=1271203515"