Магнитная левитация роторов была важным объектом исследований в последние десятилетия. В дополнение к разработкам классических активных магнитных подшипников, недавние исследования по более энергоэффективным системам, связанные с разработками высокопрочных материалов с постоянными магнитами, заставили научное сообщество сосредоточить внимание на альтернативных бесконтактных системах подвески. Обычно это достигается за счет объединения усилий пассивных подшипников с постоянными магнитами и активно управляемых электромагнитов. Примерами систем, использующих эту концепцию, являются устройства с гибридными магнитными подшипниками ) и самонесущими двигателями . Среди этих систем единственная, позволяющая получить пассивную левитацию, - это постоянные магниты. Однако, поскольку силы возникают в результате взаимодействия между магнитостатическими полями, эти подшипники вносят дестабилизирующий вклад в жесткость по крайней мере в одной степени свободы. Интересной альтернативой пассивной генерации стабилизирующих сил, которая может быть использована в области магнитных подшипников, являются электродинамические подшипники.
Магнитное удержание объекта в состоянии устойчивого равновесия можно реализовать несколькими способами. Каждый из способов имеет свои особенности, и к каждому можно предъявить претензии, вроде «это не настоящая левитация!», и так оно на самом деле и будет. Настоящая левитация в чистом виде недостижима.
Рассмотрим один из самых интересных способов.
Левитация магнита над сверхпроводником (эффект Мейснера)
Пластина из оксида иттрия-бария-меди охлаждается до температуры жидкого азота. В этих условиях пластина становится сверхпроводником. Если теперь положить неодимовый магнит на подставку над пластиной, а затем подставку из под магнита вытащить, то магнит зависнет в воздухе — будет левитировать.
Даже небольшой магнитной индукции порядка 1 мТл достаточно чтобы магнит, будучи положен на пластину, приподнялся над охлажденным высокотемпературным сверхпроводником на несколько миллиметров. Чем выше индукция магнита — тем выше он поднимется.
Дело здесь в том, что одно из свойств сверхпроводника — выталкивание магнитного поля из сверхпроводящей фазы, и магнит, отталкиваясь от этого магнитного поля противоположного направления как-бы всплывает и продолжает парить над охлажденным сверхпроводником до тех пор, пока он не выйдет из сверхпроводящего состояния.
Левитация в условиях вихревых токов
Вихревые токи (токи Фуко), наводимые переменными магнитными полями в массивных проводниках также способны удерживать предметы в левитирующем состоянии. Например катушка с переменным током может левитировать над замкнутым кольцом из алюминия, а алюминиевый диск будет парить над катушкой с переменным током.
Объяснение здесь такое: по закону Ленца, индуцируемый в диске или в кольце ток будет создавать такое магнитное поле, что его направление станет препятствовать причине его вызывающей, то есть в каждый период колебаний переменного тока в индукторе, в массивном проводнике будет индуцироваться магнитное поле противоположного направления. Так, массивный проводник или катушка подходящий формы смогут левитировать все время пока включен переменный ток.
Аналогичный механизм удержания проявляется, когда неодимовый магнит роняют внутри медной трубы — магнитное поле индуцированных вихревых токов направлено противоположно магнитному полю магнита.
***
Фотографии взяты из открытых источников, с сервиса Яндекс.Картинки
Подписывайся на канал. Впереди много интересной информации.
