Левитирующая подставка своими руками. Магнитная левитация своими руками по простой схеме

Начитался тут всяких интернетов и решил сваять свой собственный левитрон, без всяких цифровых глупостей. Сказано – сделано. Выкладываю муки творчества на всеобщее обозрение.

1.Краткое описание

Левитрон – это устройство, удерживающее объект в равновесии с силами гравитации с помощью магнитного поля. Давно известно, что невозможно левитировать объект, используя статичные магнитные поля. В школьной физике это называлось состоянием неустойчивого равновесия, насколько я помню. Однако, затратив немного желания, знаний, усилий, денег и времени, возможно левитировать объект динамически путем использования электроники в качестве обратной связи.

Получилось вот что:

2.Фунциональная схема

Электро-магнитные датчики, расположенные на торцах катушки, выдают напряжение, пропорциональное уровню магнитной индукции. В случае отсутствия внешнего магнитного поля эти напряжения будут одинаковы вне зависимости от величины тока катушки.

При наличии постоянного магнита вблизи нижнего датчика блок управления будет формировать сигнал, пропорциональный полю магнита, усиливать его до нужного уровня и передавать на ШИМ для управления током через катушку. Таким образом, возникает обратная связь и катушка будет генерировать такое магнитное поле, которое будет удерживать магнит в равновесии с силами гравитации.

Что-то заумно все получилось, попробую по другому:
- Нет никакого магнита - индукция на торцах катушки одинакова - сигнал с датчиков одинаков - блок управления выдает минимальный сигнал - катушка работает на всю мощь;
- Близко поднесли магнит - индукция сильно разная - сигналы от датчиков сильно разные - блок управления выдает максимальный сигнал - катушка отключается совсем - магнит никто не держит и он начинает падать;
- Манит падает - отдаляется от катушки - разница сигналов с датчиков уменьшается - блок управления уменьшает выходной сигнал - ток через катушку увеличивается - увеличивается индукция катушки - магнит начинает притягиваться;
- Манит притягивается - приближается к катушке - разница сигналов с датчиков увеличивается - блок управления увеличивает выходной сигнал - ток через катушку уменьшается - уменьшается индукция катушки - магнит начинает падать;
- Чудо - магнит не падает и не притягивается - вернее, и падает и притягивается несколько тысяч раз в секунду - то есть возникает динамическое равновесие - магнит просто висит в воздухе.

3.Конструкция

Главным элементом конструкции является электро-магнитная катушка (соленоид), которая и удерживает своим полем постоянный магнит.

На пластиковый каркас D36x48 плотно намотано 78 метров медного эмалированного провода диаметром 0.6 мм, получилось где-то 600 витков. По расчетам, при сопротивлении 4.8Ом и питании 12В, ток будет 2.5А, мощность 30Вт. Это необходимо для подбора внешнего блока питания. (По факту получилось 6.0Ом, вряд ли нарезали больше провода, скорее сэкономили на диаметре.)

Внутрь катушки вставлен стальной сердечник от дверной петли диаметром 20мм. На его торцах с помощью термоклея закреплены датчики, которые обязательно должны быть ориентированы в одинаковом направлении.

Катушка с датчиками закреплена на кронштейне из алюминиевой полосы, который, в свою очередь, крепится к корпусу, внутри которого находится плата управления.

На корпусе расположен светодиод, выключатель и гнездо питания.

Внешний блок питания (GA-1040U) взят с запасом по мощности и обеспечивает ток до 3.2А при 12В.

В качестве левтитрующего объекта используется N35H магнит D15x5 с приклеенной банкой из под кока-колы. Сразу скажу, что полная банка не годится, поэтому тонким сверлом делаем отверстия по торцам, сливаем ценный напиток (можно выпить если не боитесь стружки) и к верхнему колечку клеим магнит.

4.Принципиальная схема

Сигналы с датчиков U1 и U2 подаются на операционный усилитель OP1/4, включенный по дифференциальной схеме. Верхний датчик U1 подключен к инвертирующему входу, нижний U2 – к неинвертирующему, то есть сигналы вычитаются, и на выходе OP1/4 получаем напряжение, пропорциональное только уровню магнитной индукции, создаваемому постоянным магнитом вблизи нижнего датчика U2.

Комбинация элементов C1,R6 и R7 является изюминкой данной схемы и позволяет достичь эффекта полной стабильности, магнит будет висеть как вкопанный. Как это работает? Постоянная составляющая сигнала проходит через делитель R6R7 и ослабляется в 11 раз. Переменная составляющая проходит через фильтр C1R7 без ослабления. Откуда вообще берется переменная составляющая? Постоянная часть зависит от положения магнита вблизи нижнего датчика, переменная часть возникает из-за колебаний магнита вокруг точки равновесия, т.е. от изменения положения во времени, т.е. от скорости. Нам интересно, чтобы магнит был неподвижен, т.е. его скорость была равна 0. Таким образом, в управляющем сигнале мы имеем две составляющих – постоянная отвечает за положение, а переменная – за стабильность этого положения.
Далее, подготовленный сигнал усиливается на OP1/3. С помощью переменного резистора P2 устанавливается необходимый коэффициент усиления на этапе настройки для достижения равновесия в зависимости от конкретных параметров магнита и катушки.

На OP1/1 собран простой компаратор, который отключает ШИМ и, соответственно, катушку, когда рядом нет магнита. Очень удобная вещь, не надо вынимать блок питания из розетки если убрали магнит. Уровень срабатывания задается переменным резистором P1.

Далее, управляющий сигнал подается на широтно-импульсный модулятор U3. Размах выходного напряжения 12В, частота выходных импульсов задается номиналами C2,R10 и P3, а скважность зависит от уровня входного сигнала на входе DTC.
ШИМ управляет переключением силового транзистора T1, а тот, в свою очередь, током через катушку.

Светодиод LED1 можно и не ставить, а вот диод SD1 нужен обязятельно, для слива лишнего тока и избежания перенапряжения в моменты выключения катушки из-за явления самоиндукции.

NL1 – это наша самодельная катушка, коей посвящен отдельный раздел.

В результате, в режиме равновесия, картина будет примерно такая: U1_OUT=2.9V, U2_OUT=3.6V, OP1/4_OUT=0.7V, U3_IN=1.8V, T1_OPEN=25%, NL1_CURR=0.5A.

Для наглядности прикладываю графики передаточной характеристики, АЧХ и ФЧХ, и осциллогаммы на выходе ШИМ и катушки.

5.Выбор компонентов

Устройство собрано из недорогих и доступных компонентов. Самой дорогой оказалась медная проволока WIK06N, за 78 метров WIK06N заплатил 1200 руб, все остальное, вместе взятое, обошлось значительно дешевле. Тут вообще широкое поле для экспериментов, можно обойтись без сердечника, можно взять проволоку потоньше. Главное не забывать, что индукция по оси катушки зависит от количества витков, тока по ним и геометрии катушки.

В качестве датчиков магнитного поля U1 и U2 используются аналоговые датчики Холла SS496A с линейной характеристикой вплоть до 840Гс, это самое то для нашего случая. При использовании аналогов с другой чувствительностью потребуется корректировка коэффициента усиления на OP1/3, а также проверка на уровень максимальной индукции на торцах вашей катушки (в нашем случае с сердечником она достигает 500Гс), чтобы датчики не входили в насыщение при пиковой нагрузке.

OP1 -это счетверенный операционный усилитель LM324N. При выключенной катушке выдает 20мВ вместо нуля на 14 выходе, но это вполне приемлемо. Главное не забыть выбрать из кучки 100К резисторов наиболее близкие по фактическому номиналу для установки в качестве R1,R2,R3,R4.

Номиналы C1,R6 и R7 выбраны путем проб и ошибок как самый оптимальный вариант для стабилизации магнитов разных калибров (тестировались N35H магниты D27x8, D15x5 и D12x3). Соотношение R6/R7 можно оставить как есть, а номинал C1 увеличивать до 2-5мкФ, в случае возникновения проблем.

При использовании очень маленьких магнитов, вам возможно будет не хватать коэффициента усиления, в этом случае урежьте номинал R8 до 500Ом.

D1 и D2 это обычные выпрямительные диоды 1N4001, тут подойдут любые.

В качестве широтно-импульсного модулятора U3 используется распространенная микросхема TL494CN. Частота работы задается элементами C2, R10 и P3 (по схеме 20кГц). Оптимальный диапазон 20-30кГц, при меньшей частоте появляется свист катушки. Вместо R10 и P3 можно просто поставить резистор 5.6K.

T1 это полевой транзистор IRFZ44N, подойдет и любой другой из этой же серии. При выборе других транзисторов может потребоваться установка радиатора, ориентируйтесь на минимальные значения сопротивления канала и заряда затвора.
SD1 это диод шоттки VS-25CTQ045, тут я хватанул с большим запасом, подойдет и обычный быстродействующий диод, но, возможно, будет сильно греться.

LED1 желтый светодиод L-63YT, здесь, как говорится, на вкус и цвет, можно их и побольше наставить, чтобы все светилось разноцветными огнями.

U4 это стабилизатор напряжения 5В L78L05ACZ для питания датчиков и операционного усилителя. При использовании внешнего блока питания с дополнительным выходом 5В, можно обойись и без него, но конденсаторы лучше оставить.

6.Заключение

Все получилось как задумано. Устройство стабильно работает круглые сутки, потребляет всего 6Вт. Ни диод, ни катушка, ни транзистор не греются. Прикладываю еще пару фоток и финальное видео:

7. Дисклаймер

Я не электронщик и не писатель, просто решил поделиться опытом. Может что-то покажется вам слишком очевидным, а что-то слишком сложным, а о чем-то забыл упомянуть вообще. Не стесняйтесь вносить конструктивные предложения и по тексту и по улучшению схемы, чтобы люди могли запросто это повторить, если будет такое желание.

.
В этой статье Константин, мастерская How-todo, покажет нам как сделать левитрон.

Итак, левитрон. Принцип работы данной приблуды прост, как саморез. Электромагнитом поднимаем в воздух кусочек некоего магнитного материала. Для создания эффекта парения, электромагнит включаем и выключаем с большой частотой.

То-есть, как-бы поднимаем и бросаем магнитный образец.

Схема такого устройства на удивление проста, и повторить его не составляет сложностей. Вот, собственно, схема.

Нужные нам материалы и компоненты.

Светодиод любого цвета, он не обязателен.
Транзистор IRFZ44N, подойдет практически любой похожий по параметрам полевик.
Диод, здесь автор использует HER207, с тем же успехом будет работать какой-нибудь 1N4007.
Резисторы на 1 кОм и 330Ом (последний не обязателен).

Датчик холла, у меня это A3144 его тоже можно заменить на похожий.
Медный намоточный эмалированный провод диаметром 0,3 0,4 мм, метров 20. У автора провод 0,36 мм.

Неодимовый магнитик типа таблетки, размером 5 на 1 мм, тоже не особо принципиально, в пределах разумного.

В качестве источника питания подойдет ненужный пятивольтовый зарядник от телефона.

Клей, бумага, паяльник припой... стандартный набор паяльщика.

Давайте перейдем к сборке. Для начала необходимо сделать картонную катушку для корпуса будущего электромагнита.
Параметры катушки следующие:
6 мм диаметр внутренней втулки, ширина слоя намотки приблизительно 23 мм и диаметр щечек, с запасом, около 25 мм.

Как видите, Константин соорудил корпус для катушки из картонки и обрезка тетрадного листа, хорошенько смазав их суперклеем.
Закрепим начало провода в каркасе, наберемся терпения и начинаем накручивать примерно 550 витков.

Направление намотки не имеет значения. Можно даже намотать в навал, но это не наш метод.

Наматываем 12 слоев, виток к витку, изолируя каждый слой изолентой.

Потратив часа полтора, закрепляем конец провода и откладываем катушку.

Приступаем к пайке, все согласно схемы, без каких-либо отличий.

Выводы Датчика Холла удлинняем проводками и изолируем термоусадкой, ведь его необходимо расположить внутри катушки.

Собственно все, остается только настроить, для этого устанавливаем датчик Холла внутри катушки и фиксируем подручными средствами.

Подвешиваем катушку, подаём питание.

Поднеся магнит чувствуем, что он притягивается или отталкивается, в зависимости от полярности.
На некотором расстоянии магнит пытается зависнуть, но на длительное время не зависает.

Изучаем документацию на датчик, где специально в картинках показано, с какой стороны у него чувствительная зона.

Вынимаем его и сгибаем таким образом, чтобы плоская сторона с надписями оказалась в итоге параллельно земле.

Запихиваем обратно, на этот раз все значительно лучше.

Но до сих пор не парит.

Проблема заключается в форме магнита, а именно - плоская форма "таблетки".
Не самая удачная, которую можно придумать для левитации. Достаточно всего лишь сместить центр тяжести вниз. Организуем это при помощи куска толстой бумажки.

Кстати, перед приклеиванием противовеса, не забудьте сначала посмотреть с какой стороны магнит притягивается к катушке.

Собственного теперь все более-менее работает, остается только отцентровать и закрепить датчик.

Какие еще были особенности. Попытка питать устройство от 12В адаптера приводит к сильному нагреву электромагнита.
Пришлось перейти на 5В, при этом какого-то ухудшения работы замечено не было, а нагрев практически полностью был устранен.
Еще светодиод и его ограничительный резистор почти сразу был исключен из схемы, ибо смысла от них нет.
Финальный штрих, синий бумажный скотч показался недостаточно эстетичным.

На просьбу подарить вам на Новый год антигравитацию Дед Мороз не должен отвечать «Миссия невыполнима». Услышите такой ответ, знайте — Дед поддельный. Потому что научные игрушки с элементами антигравитации существуют и не первый год продаются по $30-60.

Есть в Сиэтле компания под предобрым названием «Очаровательные игрушки и подарки» (Fascinations Toys and Gifts). Очарование её продукции в том, что поначалу она кажется нереальной. Правда, в отличие от фокусников, создатели необычных сувениров охотно раскрывают свои секреты.

Прежде всего, хочется сказать о «Левитроне» (Levitron) . Перед нами нечто вроде пепельницы (будем называть её основой) над которой висит в воздухе и крутится волчок. Антигравитационный такой приборчик. Развлекает «Левитрон» следующим образом:

Вы берёте в руку идущую в комплекте пластину и держите её над основой. Ставите на пластину сверху волчок и сильно раскручиваете его указательным и большим пальцами.

Затем пластину медленно поднимают, потом опускают и убирают прочь — гироскоп остаётся висеть в воздухе, вращаясь и немного покачиваясь.

Штука хорошая, но в хозяйстве практически бесполезная (фото hobbytron.net).

Никакого электричества игрушка не требует. Здесь использованы постоянные магниты, размещённые как в основе, так и в гироскопе.

С точки зрения классической физики невозможно добиться устойчивости двух отталкивающихся магнитов, один из которых плавает над другим.

Специалисты же из Fascinations объясняют, что им удалось найти исключение из правил.

Точнее, его нашёл изобретатель Рой Хэрриген (Roy M. Harrigan) и запатентовал в мае 1983 года.

Как вы догадались, вращение удерживает верхний магнит от опрокидывания. Но что мешает ему скользить боком и слететь с магнитной подушки?

Нижний магнит, и его поле соответственно, имеет сложную форму. И при отклонении волчка от центра возникает сила, подталкивающая его обратно в точку равновесия.

Так выглядит «Левитрон», сделанный своими руками (фото hcrs.at).

Сила эта очень мала и потому запуск «Левитрона» потребует тренировки.

Равновесие в этой системе настолько тонкое, что на него влияют температура в комнате или даже небольшие колебания в земном магнетизме.

В комплект игрушки входит набор из 5 грузиков — весом от 3 до 0,1 грамма. Их комбинацией достигается равновесие.

Регулируемые ножки основы позволяют установить её точно горизонтально, да, к тому же, необходимо соблюдать определённую ориентацию на стороны света.

Наконец сам процесс подъёма и удаления пластины с вращающимся гироскопом требует чрезвычайной осторожности. И, чем быстрее вы сможете закрутить волчок, тем дольше он будет парить.

Если левитирующий волчок вас в должной степени очаровал, новаторы из Сиэтла готовы предложить вам дополнительные аксессуары к «Левитрону».

Например, «Перпетуатор» (Perpetuator), на этот раз уже подключаемый к розетке. В отличие от обычной основы, здесь добавлены электромагнитные поля, которые поддерживают вращение волчка, так что он может висеть над вашим столом неделями.

Другая антигравитационная игрушка называется Art Bank . Эта коробка, внутри которой левитируют теннисный шарик, модель самолёта, монетка или фантик.

Кроме того, имеется «летающий глобус» — Amazing Anti-Gravity Globes .

Антигравитационный глобус — действительно вещь (фото fascinations.com).

Ещё одно «физическое» творение Fascinations — легкие и прозрачные водопады (Gosammer Falls). Это целая коллекция водопадиков, так сказать, для дома и офиса.

Упоминания они заслуживают потому, что в отличие от множества аналогов, демонстрируют интересный эффект.

Вода в них льётся широкой и тонкой плёнкой, которая ни разу не разрывается, ни в одном месте. Как это возможно?

Вода, выливаясь даже из тонкой протяжённой щели, стремится собраться в более-менее компактную струю, а если это невозможно — разрывается на отдельные потоки, дробится на капли.

Магнитная левитация всегда выглядит впечатляюще и завораживающе. Такое устройство сегодня можно не только купить, но и сделать самому. И для того, чтобы создать такое устройство магнитной левитации не обязательно тратить на это много денег и времени.

В данном материале будет представлена схема и инструкция по сборке магнитного левитатора из недорогих компонентов. На саму сборку уйдет не более двух часов.

Идея данного устройства под названием левитрон очень проста. Электромагнитная сила поднимает в воздух кусок магнитного материала, а для того, чтобы создать парящий эффект, происходит поднятие и опускание объекта в очень малом диапазоне высот, но с очень большой частотой.

Чтобы собрать левитрон понадобятся всего лишь семь компонентов, включая катушку. Схема устройства магнитной левитации представлена ниже.

Итак, как мы видим по схеме, помимо катушки нам понадобятся полевой транзистор, например, IRFZ44N или другой подобный MOSFET, диод HER207 или что-то вроде 1n4007, резисторы 1 КОм и 330 Ом, датчик Холла A3144, а также опционально индикаторный светодиод. Катушку можно сделать самостоятельно, для этого потребуется 20 метров провода диаметром 0.3-0.4 мм. Для питания схемы можно взять зарядное устройство 5 В.

Чтобы сделать катушку, нужно взять основу с размерами, показанными на следующем рисунке. Для нашей катушки будет достаточно намотать 550 витков. Закончив намотку, катушку желательно заизолировать какой-нибудь изолентой.

Теперь запаяйте почти все компоненты кроме датчика Холла и катушки на небольшой плате. Датчик Холла поместите в отверстие катушки.

Зафиксируйте катушку так, чтобы она была над поверхностью на некотором расстоянии. После этого на данное устройство магнитной левитации можно подать питание. Возьмите небольшой кусочек неодимового магнита и поднесите его к низу катушки. Если все сделано правильно, то электромагнитная сила подхватит его и будет удерживать в воздухе.

Если у вас это устройство не работает должным образом, то проверьте датчик. Его чувствительная часть, то есть плоская сторона с надписями должна быть параллельно земле. Также для левитации форма таблетки, которая присуща большинству продаваемых неодимовых магнитов, не является самой удачной. Чтобы центр тяжести не «гулял», нужно перенести его на дно магнита, прикрепив к нему что-нибудь не слишком тяжелое, но и не слишком легкое. Например, можно добавить кусок картона или плотной бумаги, как на первом изображении.

В некоторых продвинутых магазинах можно увидеть стенды с рекламой, на которых показываются интереснейшие эффекты, когда какая-то вещь с витрины или предмет с изображением бренда левитирует. Иногда добавляется вращение. Но такую установку вполне по силам сделать даже человеку без особого опыта в самоделках. Для этого нужен неодимовый магнит, который можно найти в запчастях от компьютерной техники.

Свойства магнита удивительны. Одно из таких свойств отталкиваться одинаковыми полюсами используется в предметах, которые используются как поезда на магнитной подушке, забавные игрушки или основа для эффектных дизайн-объектов и др. Как сделать левитирующий объект на основе магнитов?

Магнитная левитация на видео

Левитация волчка над пятью точечными неодимовыми магнитами. Magnetic Levitation, magnétismo, magnetic experiment, truco magnética, moto perpetuo, amazing game. Занимательная физика.

Обсуждение

hawk
При вращении магнита присутствует левитация а если обороты магнита уменьшаются падает с орбиты… обоснуй этот эффект. Взаимодействие магнитных полей между магнитами это ясно но какая роль вращения. Можно переменным магнитным полем от катушек удерживать магнит в воздухе также.

pukla777
Просьба проработать тему – маховик генератор. Думаю она будет иметь полезное практичное применение. К тому же, оно у вас было очень давно снято в ролике, но очень мало и без информации.

RussiaPrezident
А что если:
Запустить этот волчок и каком нибудь кубе и создать там Вакуум, по идеи не будет сопротивления воздуха и он будет крутиться практически бесконечно! А если не него ещё и медь правильно накрутить и снимать энергию?

Евгений Петров
Читаю комментарии, удивлен, какая нитка!? Там все как есть магнитный волчок, ему задали мех. энергию и есть постоянное магнитное поле волчка при вращении которого вращается и магнитное поле, но главное как! В магнитах домены упакованы не равно распределено это технически не возможно поэтому сам магнит пассивный не может удержаться на магнитной подушке он уйдет на более сильную сторону где разница вообще мизерная, поэтому вращение поля не дает это сделать.

Вячеслав Субботин
Ещё идея, а что если светить лазером постоянно с одной стороны? Изменится ли время вращения волчка из-за давления света? Если взять сильный лазер, то может быть получится сделать, чтобы волчок вообще не останавливался.

Никто Неизвестный
Старая игрушка… я помню данный волчок и пластину под ним на ферритовых магнитах, на неодиме это уже скучно, причем нижний магнит основания представлял собой одну сплошную плиту, а не пять отдельных магнитов, только он был намагничен хитрым образом…

Алигарх Леопольд
Игорь Белецкий, можно сделать колпак на который будет приземляться волчёк, чтоб его не ловить. Можно ли к нему добавить вращающееся магнитное поле чтоб поддерживать вращение? к примеру если его магнитный стол вращать..

Тимур Аминев
А расскажите пожалуйста как магнитное поле Земли тормозит волчок? В смысле какие моменты сил направленные против вращения возникают и почему.

Александр Васильевич
Если сверху над магнитом (или снизу было бы вообще шикарно!) приделать катушку и подкручивать ею волчок, то получится некое подобие двигателя на магнитном подвесе. Вещь абсолютно бестолковая, но красивая. Крутиться будет пока источник питания не убрать))

Иван Петров
Ну это мы уже видели. Сделай так чтобы магнит левитировал без вращения! (и без опор и жидкого азота конечно).

Высокий эльф
Развод для двоечников, это можно было назвать левитацией, если магнит не надо было раскручивать. Сам магнит, что сверху, будет соскальзывать если ему не придать вращение.

Андрей Соломенников
А что если приделать на платформу огонь, а к гироскопу (Юле) пропеллеры, что бы вращалась пока горит огонь внизу. Не помню как называется двигатель, но суть его – вращение, так сказать, ротора при помощи тепла.

волжанин
Игорь,есть такая идея… У тебя на столе не равномерное магнитное поле,а если и волчок сделать из нескольких магнитиков, а стол раскрутить…Может и волчок не будет обороты терять… Как думаешь?..

Антон Симовских
Игорь Белецкий, разобрались в физике процесса? Почему левитация возможна лишь в динамике? Влияют ли на стабилизацию волчка токи фуко, в нем возникающие?

Простейшая установка с левитирующим объектом на магните

Для этого понадобятся: бокс от СД-дисков, один или два диска, много кольцевых магнитов и супер-клей. Приобрести любой магнит можно в китайском интернет-магазине.

Когда к вам придут ваши друзья в гости, они удивятся эффектной конструкции, которую вы создали сами.