对磁悬浮的一些浅识与感悟

作者: 之玖 | 来源:发表于2017-11-01 00:00 被阅读0次

因为某些原因，我不得不接触磁学领域，从零开始刨起。开始只觉得稀松平常，越接触却越发感到神秘神奇，再深入只觉自己见识浅薄，自然鬼斧神功。

对磁悬浮一开始的认知，可能有些幼稚肤浅，单纯认为斥力就可以悬浮。在查资料和初步尝试实验后才发现，磁场，磁力，并没有想象地那么简单。

首先，磁场和电场紧密联系，磁生电，电生磁高中都学过，其实这里面涉及到相对论：磁场是电场相对论效应的直接结果。静止的电荷产生静电场；运动的电荷产生电磁场。如果人相对电荷静止，那么他就观察不到磁场，如果此时旁人不相对电荷静止，则他在观察到电场的时候还观察到磁场。关于相对论的内容，可以参考《费恩曼物理讲义》，里面对相对论讲解较容易理解。

关于磁力，磁悬浮的斥力，也不是那么简单地为磁悬浮利用。因为斥力和吸力并不是线性的，斥力随着距离的增加快速减弱，吸力则相反。假若只是这样的原因，那对磁悬浮其实也没有多大的困难，但是有一个定理：恩绍定理。他是这样描述的：一个运动的物体的稳定悬浮，不可能全部由永磁体或永磁体与软磁体之间的电磁力来实现。展开来讲，就是磁场等势面为马鞍状，在重力势能有一个“鞍点”，即在一个方向是稳定平衡，另一个方向是不稳定平衡。关于平衡，可分为随遇平衡、稳定平衡和不稳定平衡。随遇平衡像是在平地滚动的小球，最终到哪都能平衡；稳定平衡则像是单摆下的小球，在重力势能最低点时能达到稳定平衡；不稳定则是摆到最高点处。显然马鞍状上的“鞍点”是不稳定平衡点。这定理来得真是让人沮丧，不能单靠永磁体，那就是磁悬浮的困难极其大。

马鞍面

三类平衡

三种不同状态的平衡：http://www.sohu.com/a/835258_114965

当然也有特例不符合该定理——超导磁悬浮。所谓超导材料，需要满足两个条件：1.电阻为零。2.排斥磁感线。零电阻意味超导体内可以不损失能量。排斥磁感线则可以使其悬浮，也就是麦斯纳效应。此外，因为情况不总那么理想，因而总有少量磁感线进入超导体内，超导体能阻止磁感线的移动变化，因为变化意味着能力损失。这有什么好处呢？就好比在波涛汹涌的海上，单靠船只悬浮的平衡，肯定不如停靠在岸的船只好。超导体能锁定磁场束来达到静止平衡，这里涉及到量子力学，也就是量子悬浮和量子锁定。

量子锁定

视频链接：http://open.163.com/movie/2014/1/V/E/M9G1AD07V_M9G3PHOVE.html

超导悬浮因为其材料的特殊，可以做到稳定悬浮。同样的，有些材料也能做到稳定悬浮，例如石墨、铋等抗磁性物质，其中铋是最强的抗磁性物质。它们同样可以通过排斥磁感线来达到稳定悬浮，也就不符合上述的恩绍定理。

石墨磁悬浮：http://itindex.net/detail/369-%E7%9F%B3%E5%A2%A8-%E7%A3%81%E6%82%AC%E6%B5%AE-%E6%88%90%E5%8A%9F

金属铋磁悬浮：http://www.geekfans.com/article-2301-1.html

除却上述磁悬浮，如今最普遍的还是电磁悬浮，就是有源磁悬浮，大体上可分为上拉式磁悬浮和下拉式磁悬浮。

上拉式磁悬浮利用的是电磁铁和磁铁的吸力与浮子重力相平衡，通过红外等传感器数据采集，PID算法的反馈系统来调节电磁铁吸力大小，使浮子平衡。上拉式磁悬浮较容易实现，原因在于磁场左右方向是平衡的，只需考虑上下方向的平衡。

上拉式磁悬浮：http://www.diy-robots.com/?p=754

下拉式磁悬浮比上拉式难，难在需要控制四个方向上的平衡，典型的例子就是磁悬浮陀螺。底座放置四个线圈和一圈磁铁，磁铁提供浮子的斥力，线圈调节浮子的平衡。当底座霍尔传感器检测浮子位置的变化，就会调节线圈电流方向和大小，产生一斥一吸的力，使浮子回到线圈中心，这样的浮子可以稳定静止在底盘上方。同样的，这样的磁悬浮也需要反馈系统，也就是PID算法来维持平衡，因为一旦偏离平衡位置一点，哪怕很小，因为磁场的缘故，这点变化会被疯狂放大，导致崩溃。

下推式磁悬浮：http://www.diy-robots.com/?p=773

http://jingyan.eeboard.com/article/73828

http://www.dfrobot.com.cn/community/thread-12676-1-1.html

http://v.youku.com/v_show/id_XMjcwMDE0OTMyOA==.html?spm=a2h0j.8191423.module_basic_relation.5~5!2~5~5!12~5~5~A

当然，现在市面上的陀螺，需要转动才能维持平衡，一旦陀螺停转，就会被边缘磁铁吸住。其实这也是恩绍定理的特例，陀螺通过转动来改变磁场，使原本是马鞍状的磁场变成碗状磁场，也就是形成了小小的磁阱。这个磁阱很小，所以需要熟练的技巧，才能转动陀螺使其稳定悬浮。

若想要陀螺稳定悬浮，其一可以通过浮子的转动惯量平衡，其二则是提供一个交变磁场，两者都可达到悬浮效果，下推式就是通过交变磁场悬浮的，也就是调制pwm产生交变磁场，因此上方浮子不需要转动即可稳定悬浮。