磁悬浮在飞轮储能、陀螺仪制造中有重要的应用。不过贴近生活一点的磁悬浮还是磁悬浮列车。很多朋友想,磁悬浮不就是利用两块磁铁同性相斥的原理呗,咱们自己也能做出磁悬浮装置。其实,悲伤的事实是,磁悬浮没有那么简单!
让我们想想,为什么我们能把一个杯子平稳地放在桌子上呢
桌子上的杯子
?因为桌子是平的。从力学的角度来说,是因为桌子平面可以提供弹性力,而弹力的特点是与桌子表面的微小变形有关,当变形量大了,力就大,变形量小了,力就小。所以,当杯子有微小扰动,就会改变桌子的变形量,所以桌子提供的弹力系随之改变,与杯子的重力重新平衡。
所以,如果我们把磁悬浮设想成一个杯子(上方磁铁)放在桌子(底部磁铁)上是行不通的。首先,完全不存在外界扰动的场景不存在,其次,至少还有两个更重要的因素不能使它们平衡:
1. 磁力不是弹力,不能随时与上方磁铁的重力平衡
2. 下方磁铁提供的力不像桌子一样是一个平整的面(说得不是很严谨,各位朋友理解再说吧)
于是,我们不能把磁悬浮装置简单的理解成一块磁铁放在另一块磁铁上。怎么办呢?
对于第一条问题,既然磁力不能自动调整,我们就设计控制电路去控制它。在工程上,利用霍尔元件等电子元件就可以检测磁场的变化。被悬浮起来的磁铁也会产生磁场,如果人们能设计一个电路,随时检测被悬浮磁铁的位置和状态,就能据此设计相应的控制电路控制外磁场,当被悬浮磁铁出现扰动等情况时及时改变控制磁场,实现动态平衡。
事实上,现代磁悬浮装置都有检测电路和控制电路,都是动态的平衡。所以,不需要外界提供能量的磁悬浮装置也做不存在,因为控制和检测都需要消耗能量。
对于第二个问题,如果我们单纯放一个磁铁在下面,就好像希望用一根筷子撑起一个杯子一样,是不能做到的。对此人们想到了两种解决方法:上悬浮和下悬浮!
对于上悬浮,就好像用一根线从上面系住杯子,这样比用一根筷子简单得多(这是我们的生活检验,严谨的说就是控制自由度多少的问题)。所以,人们设计了上悬浮装置,就是用一个磁头从上面把被悬浮磁铁拉起来。
上悬浮装置
其实我们的磁悬浮列车大多也是采用的这个原理。
磁悬浮列车的铁轨
所以,磁悬浮列车不是被“顶”了起来,而是被“拉”了起来。
我的小伙伴说,这样很没有意思有木有,一点都不科幻。别急!有一群富有创造性的工程师们开发了下悬浮装置。下悬浮装置是真真正正把被悬浮磁铁顶起来的。
要把东西顶起来,就必须给它一个“桌面”放稳它。磁铁产生的“桌面”就是磁感线的空间分布,那么,能不能找到一种特殊的磁感线分布,来解决东西放不稳的问题呢?
近些年,人们的眼光聚集在了环形磁铁上。
环形磁铁
这种磁铁的磁极在上下两个面上,特殊的形状使它产生的磁感线形状也很特殊。
环形磁铁的磁感线(不完全)
其特点是:
1. 在环形磁铁的上面空间,一部分磁感线穿入环中,形成一个漏斗的形状
2. 磁感线的方向(相对于向上和向下)在磁铁的同一侧会改变
3. 另一部分的磁感线在轴线无限远处无限趋向轴线,形成一个倒漏斗形状
这样,被悬浮磁铁就可以被锁在两个漏斗的中间,好像用一个网套网住一颗橄榄。值得一提的是,由于磁感线方向改变,在环形磁铁北极上方某处,会显出南极的性质(南极亦是如此)。这个特殊的位置就是两个漏斗的中间,就是我们要找的地方!所以,对于下悬浮装置,异性相吸、同性相斥也是不对的。下悬浮装置其实是用了特殊的“异性相斥”现象。(Ps:异性相吸、同性相斥只是经验说法,受力方向的判断要看磁感线作用方向)
下悬浮装置
综上所述,特殊的磁场形状,加上特殊的控制电路,才能制造出一个磁悬浮装置。所以,想自制磁悬浮装置,必须熟知磁力学、电磁动力学、电学和控制学的一些原理,这可不是一般人能做得出来的啊。
一些资料:
现在,磁悬浮技术并不十分成熟,发展空间还很大,大家有兴趣可以去看看磁力学的书:http://product.dangdang.com/product.aspx?product_id=21074219
如(英)戴维森的《磁动力学导论》。
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