Магнітна левітація

Завдання роботи:

виготовити і випробувати прототип установки для здійснення магнітної левітації.

Обладнання:

– мідний емальований дріт діаметром 0,4…0,5 мм;

– польовий N-канальний транзистор IRFZ44N, IRF540N, IRF3205, IRLZ44N IRL540N або IRLZ34N;

– датчик Холла A3144, SS441A або TLE4905L;

– резистор опором 1 кОм;

– мідний ізольований монолітний дріт діаметром 0,5…0,6 мм;

– джерело живлення напругою 5…6 В;

– циліндричні неодимові магніти діаметром 10…15 мм;

– паяльник, припій, паяльний флюс або каніфоль;

– витратні матеріали: картон, пінопласт, пластикові стаканчики і т. п.;

– клей ПВА.

Основні терміни та поняття

Електромагніт – Електромагнітні явища Котушка зі струмом. Правило правої руки – Електромагнітні явища МАГНІТНА ІНДУКЦІЯ СОЛЕНОЇДА – МАГНІТНЕ ПОЛЕ СТРУМУ Постійні магніти – Електромагнітні явища Автоколивальна система Вимушені коливання. Резонанс. Автоколивальні системи.

Теоретична частина

Рис. 1. Прототип установки для здійснення магнітної левітації

Левітацією називається положення стійкої рівноваги об’єкта у гравітаційному полі без безпосереднього контакту з іншими об’єктами. Для левітації необхідна вертикальна сила, яка компенсує силу тяжіння. Компенсувати силу тяжіння магнітного об’єкта можна магнітною силою постійного або електричного магніту. Але в постійному магнітному полі, яке компенсує гравітаційне поле, левітація неможлива. Магнітний об’єкт, поміщений у постійне магнітне поле з достатніми силовими характеристиками для компенсації сили тяжіння, буде або притягуватися безпосередньо до магніту, або падати на Землю. Для того, щоб забезпечити  положення стійкої рівноваги магнітного об’єкта у магнітному полі, магнітне поле треба вмикати і вимикати з високою частотою. У такому випадку об’єкт то починає падати, то підтягується магнітом із високою частотою. За рахунок високої частоти увімкнень магнітного поля візуально можна спостерігати, що об’єкт висить у повітрі. Насправді об’єкт при цьому вібрує з частотою увімкнень магнітного поля. Але амплітуда цих вібрацій і їхня частота такі, що не сприймаються людським оком.

Вмикати і вимикати магнітне поле треба своєчасно і так, щоб об’єкт не встигав впасти і не встигав притягнутися безпосередньо до магніту. Щоб забезпечити можливість увімкнення та вимкнення магнітного поля, можна застосувати електромагніт. Але вмикати і вимикати його з необхідною частотою із забезпеченням необхідних інтервалів часу в увімкненому та вимкнутому стані вручну неможливо. Якщо взяти джерело імпульсної напруги для живлення електромагніту з можливістю регулювання частоти і тривалості імпульсів, налаштувати його так, щоб об’єкт більш-менш тривалий час перебував у положенні стійкої рівноваги, буде дуже складно або практично неможливо. За найменшого протягу об’єкт буде падати. У процесі роботи електромагніту його обмотка нагріватиметься, через що її опір зростатиме, а струм і магнітна сила відповідно будуть зменшуватися. Це призведе до необхідності постійного налаштування параметрів імпульсів живлення.

Щоб забезпечити тривале положення стійкої рівноваги магнітного об’єкта в магнітному полі електромагніту, для керування живленням електромагніту треба застосувати пристрій зворотного зв’язку.

Зворотним зв’язком називається процес, який призводить до того, що результат функціонування будь-якої системи впливає на параметри, від яких залежить функціонування системи. На вхід системи подається сигнал, який є функцією вихідного сигналу.

Загальна схема установки для здійснення магнітної левітації представлена на рисунку 2.

Рис. 2. Загальна схема установки для здійснення магнітної левітації

Магнітне тіло 1 притягується електромагнітом 2, який живиться від джерела 3. Вмикання і вимикання живлення здійснюється за допомогою ключа 4, яким керує датчик відстані 5. Датчик відстані при наближенні до нього тіла на певну відстань розмикає ключ, а при віддаленні тіла на відстань, більшу на величину Δ, – замикає. Тобто він може формувати лише два види сигналу – на замикання та на розмикання ключа.

Коли тіло притягується до електромагніту до певного положення, спрацьовує датчик відстані, розмикаючи ключ. Тіло починає падати під дією сили тяжіння. При віддаленні тіла датчик відстані замикає ключ, у результаті чого вмикається електромагніт і тіло знову притягується електромагнітом. Сигнал, який формує датчик відстані для замикання і розмикання ключа, називається сигналом зворотного зв’язку.

Якщо застосувати швидкодійний датчик із малою величиною Δ і швидкодійний ключ, то візуально буде спостерігатися левітація магнітного тіла.

У цій практичній роботі пропонується виготовити прототип установки для здійснення магнітної левітації, застосувавши як магнітне тіло постійний магніт, а як датчик відстані – мікросхему з датчиком Холла (інтегральний датчик Холла), яка реагує на магнітну індукцію, що, своєю чергою, змінюється залежно від відстані між магнітом і датчиком. Як швидкодійний ключ доцільно застосувати потужний польовий транзистор з ізольованим затвором. На рисунку 3 наведена спрощена структурна схема мікросхеми з датчиком Холла.

Рис. 3. Структурна схема інтегрального датчика Холла

Мікросхема, яку пропонується застосувати в роботі, містить датчик Холла (ДХ), схему формування сигналу з гістерезисом і вихідний біполярний транзистор. Коли магнітна індукція в напрямку датчика досягає певної величини B1, схема формування сигналу подає на базу вихідного транзистора струм, який відкриває його. Коли магнітна індукція знижується до величини В1 – ΔВ, схема формування сигналу обриває струм бази транзистора і він закривається.

Гістерезисом у цьому випадку є пряме спрацювання датчика за одного значення магнітної індукції, а зворотне – за значення магнітної індукції, меншого на величину ΔВ. Величина ΔВ є величиною гістерезису. Наявність гістерезису покращує стабільність роботи системи. Для забезпечення гістерезису в електронних схемах застосовується тригер Шмітта.

На рисунку 4 наведена принципова електрична схема установки для здійснення магнітної левітації.

Рис. 4. Схема електрична принципова установки

Інтегральний датчик Холла розташований всередині котушки електромагніту L1 (див. рис. 2). Коли поблизу котушки постійного магніту немає, вихідний транзистор датчика Холла перебуває в закритому стані (має дуже великий опір), за рахунок чого до затвору польового транзистора Q1 (рис. 4) прикладена напруга, що дорівнює напрузі батареї живлення G1. Польовий транзистор при цьому відкритий, і через котушку електромагніту проходить струм. При піднесенні до котушки постійного магніту він починає притягуватися до неї, поки магнітна індукція, що діє на датчик Холла, не досягне величини спрацювання. Коли інтегральний датчик Холла спрацьовує, його вихідний транзистор відкривається (його опір стає значно меншим за опір резистора R1) і напруга на затворі польового транзистора знижується практично до 0 В. Струм через котушку електромагніту припиняється, і магніт починає падати. Тільки-но він віддалиться від котушки на відстань, за якої магнітна індукція знизиться до величин зворотного спрацювання, на затворі польового транзистора знову з’явиться напруга, він відкриється, через котушку L1 потече струм і магніт підтягнеться магнітним полем. Усі процеси відбуваються з досить високою частотою, внаслідок чого спостерігається зависання магніту під котушкою (рис. 1).

На рисунку 5 представлене розміщення виводів інтегральних датчиків Холла, наведених у переліку обладнання.

Рис. 5. Розміщення виводів інтегральних датчиків Холла A3144, SS441A та TLE4905L

На рисунку 6 представлене розміщення виводів польових транзисторів, представлених у переліку обладнання.

Рис. 6. Розміщення виводів польових транзисторів: G (gate) – затвор; D (drain) – сток; S (source) – виток

Резистор R1 має опір 1 кОм. Котушка електромагніту намотується емальованим мідним дротом діаметром 0,5…0,6 мм на каркас, креслення якого представлене на рисунку 7. Котушка має містити 500…600 витків.

Рис. 7. Креслення каркасу котушки

У центрі каркасу має бути наскрізний отвір діаметром близько 15 мм для встановлення інтегрального датчика Холла і забезпечення можливості регулювання його положення.

Хід роботи

1. Складіть із картону за допомогою клею ПВА каркас котушки за кресленням, представленим на рисунку 7. Почекайте, поки клей висохне. Не забудьте про наскрізний отвір у центрі каркасу.
2. Намотайте на каркас 500…600 витків мідного емальованого дроту. Перед і після намотування залиште виводи довжиною 5…10 см. Після намотування зафіксуйте виводи на котушці за допомогою ізоляційної стрічки і зачистіть кінці виводів котушки від емалі.
3. Візьміть два відрізки багатожильного монтажного проводу довжиною 10…15 мм, зачистіть та підпаяйте до кінців котушки. Заізолюйте місця спаювання. Надійно зафіксуйте виводи обмоток на котушці за допомогою ізоляційної стрічки так, щоб з котушки виходили кінці багатожильних монтажних проводів.
4. Візьміть 3 відрізки ізольованого мідного дроту, очистіть кінці відрізків від ізоляції. Підпаяйте проводи до виводів інтегрального датчика Холла та заізолюйте за допомогою ізоляційної стрічки або термоусадки (рис. 8).
5. Складіть схему відповідно до рисунку 4. Після пайки ізолюйте всі оголені ділянки, щоб уникнути короткого замикання (рис. 9).
6. Установіть котушку на підставку, наприклад з двох пластикових стаканчиків (рис. 1). За необхідності приклейте котушку до підставки за допомогою ізоляційної стрічки або скотча.
7. Подайте до схеми живлення напругу 5…6 В. Можна використовувати зарядний пристрій із роз’ємом USB з вихідним струмом не менше 1,5 А.
8. Піднесіть до котушки магніт так, щоб він втягнувся в середину каркасу.

Рис. 8. Інтегральний датчик Холла з подовженими виводами

9. Повільно вводьте інтегральний датчик Холла через верхній отвір котушки, добираючи його положення так, щоб при введенні датчика магніт потроху опускався. За необхідності підігніть датчик відносно виводів у потрібний бік.
10. Доберіть таке положення датчика, за якого магніт висітиме на 1-2 см нижче котушки (рис. 1). Зафіксуйте датчик у цьому положенні.
11. Заберіть магніт і знову повільно піднесіть до котушки. Якщо положення датчика налаштовано правильно, магніт має повиснути трохи нижче котушки.
12. Спробуйте здійснити левітацію не одного, а двох або трьох магнітів.

Рис. 9. Приклад зібраної схеми

Аналіз даних

1. Дійдіть висновків про принцип дії створеної вами установки.
2. Не користуючись довідковими матеріалами, з’ясуйте, на поле якого магнітного полюса реагує ваш інтегральний датчик Холла.