Мощный левитрон своими руками. левитрон, принцип действия

Комплектация и подключение

Такой горшок является магнитным, то есть в воздухе его удерживают именно магниты, которые представлены в виде сложных схем. Находятся они как на дне самой емкости, так и на поверхности удерживающей подставки. Магниты активируются при включении устройства в розетку.

Производитель предлагает следующую комплектацию:

• подставка;
• удлинитель;
• розетка;
• сам горшок;
• саженец растения;
• инструкция по эксплуатации.

Для того чтобы запустить парящий горшок, необходимо освободить подставку от упаковки и поместить ее на ровную поверхность. Затем следует включить шнур в розетку питания. После этого необходимо взять горшок двумя руками и, не касаясь платформы, расположить его в центре нее на высоте не более 1 см. Если все будет сделано правильно, при ослаблении рук горшок будет сам удерживаться в воздухе. Как правило, запустить его удается со 2-3 раза.

Такой парящий вазон для комнатных растений не просто зависает в воздухе и остается неподвижным. Если его слегка наклонить пальцами в любую сторону или же раскрутить, то он и дальше будет повторять заданное движение до тех пор, пока не будет остановлен.

Шаг 1: Как это работает

Мы выяснили, что схема устройства на Кикстартере была довольно сложной, без какого-либо микроконтроллера. Не было возможности найти её аналоговую схему. На самом деле, если посмотреть более внимательно, принцип левитации довольно прост. Нужно сделать магнитную деталь, «плавающую» над другой магнитной деталью. Основная дальнейшая работа заключалась в том, чтобы левитирующий магнит не падал.

Было также предположение, что сделать это с Arduino на самом деле намного проще, чем пытаться понять схему японского устройства. На самом деле всё оказалось намного проще.

Магнитная левитация состоит из двух частей: базовой части и плавающей (левитирующей) части.

Основание

Эта часть находится внизу, которая состоит из магнита для создания круглого магнитного поля и электромагнитов для управления этим магнитным полем.

Каждый магнит имеет два полюса: север и юг. Эксперименты показывают, что противоположности притягиваются и одинаковые полюса отталкиваются. Четыре цилиндрических магнита помещаются в квадрат и имеют одинаковую полярность, образуя круглое магнитное поле вверх, чтобы вытолкнуть любой магнит, который имеет один и тот же полюс между ними.

Есть четыре электромагнита вообще, они помещены в квадрат, два симметричных магнита — пара, и их магнитное поле всегда противоположно. Датчик Холла и цепь управляют электромагнитами. Создаем противоположные полюса на электромагнитах током через них.

Плавающая деталь

Деталь включает в себя магнит, плавающий над основанием, который может нести небольшой горшок с растением или другие предметы.

Магнит сверху поднимается магнитным полем нижних магнитов, потому что они с одинаковыми полюсами. Однако, как правило, он склоняется к падению и притягиванию друг к другу. Чтобы предотвратить переворот и падение верхней части магнита, электромагниты создадут магнитные поля, чтобы толкать или тянуть, дабы сбалансировать плавающую часть, благодаря датчику Холла. Электромагниты управляются двумя осями X и Y, в результате чего верхний магнит поддерживается сбалансированным и плавающим.

Контролировать электромагниты нелегко, требуется ПИД-регулятор, который подробно обсуждается на следующем шаге.

Легко устанавливается, кривые руки – не проблема

Тут тоже нет ничего сложного. Подключаете подставку к зарядному устройству и ставите.

Магнит реально мощный
, поэтому горшочек придется взять двумя руками, одной не справитесь. Дальше вам потребуется поднести его к центру коробочки и придерживать параллельно основе на высоте 1-2 см. Когда вы почувствуете гравитацию, отпустите горшочек.

Предупреждаю сразу — с первого раза поставить дерево не получится
. Магнит попросту пересилит вас и притянет к себе горшочек.

Важно
: каждая попытка запустить LePlant должна длиться не дольше 5 секунд, затем нужно поднять его и повторить попытку

Нужно разместить около окна, поскольку ему требуется солнечный свет. К слову, скорость роста – примерно 1,5 см в год, так что не ждите БОНСАИЩЕ
в ближайшее время.

Поливать дерево достаточно пару раз в день: в жаркое время года и один раз в холодное. Отмечу, что делать это нужно не над подставкой
, иначе рискуете его «убить».

Шаг 11: Сборка электромагнитов

Соберите электромагниты на акриловый лист, они закреплены в четырех отверстиях вблизи центра. Затяните винты, чтобы избежать движения. Поскольку электромагниты симметричны по центру, они всегда находятся на полюсах напротив, так что провода на внутренней стороне электромагнитов соединены вместе, а провода на внешней стороне электромагнитов подключены к L298N.

Протяните провода под акриловым листом через соседние отверстия, чтобы подключиться к L298N. Медный провод покрыт изолированным слоем, поэтому вы должны удалить его ножом, прежде чем вы сможете припаять их вместе.

Дальнейшие перспективы использования

С одной стороны, маглевы привлекательны своими возможностями быстрого перемещения: по расчетам теоретиков, их можно будет в ближайшем будущем разогнать вплоть до 1 000 километров в час. Ведь их приводит в действие левитация магнитная, а тормозит только сопротивление воздуха. Поэтому придание максимально аэродинамических абрисов составу сильно снижает и его воздействие. К тому же, из-за того, что рельсов они не касаются, износ у таких поездов крайне медленный, что экономически весьма выгодно.

Еще один плюс – снижение шумового эффекта: маглевы передвигаются почти бесшумно по сравнению с обычными поездами. Бонусом также идет использование в них электроэнергии, что позволяет снизить вредное воздействие на природу и атмосферу. Кроме того, поезд на магнитной подушке способен преодолевать более крутые склоны, а это исключает необходимость прокладки железнодорожного полотна в обход холмов и спусков.

Шаг 5: LM324 Op-amp, L298N драйвер и SS495a

LM324 Op-amp

Операционные усилители (op-amp) являются одними из наиболее важных, широко используемых и универсальных схем, используемых сегодня.

Мы используем операционный усилитель для усиления сигнала от датчика Холла, цель которого — увеличить чувствительность, чтобы ардуино легко распознало изменение магнитного поля. Изменение нескольких мВ на выходе датчика холла, после прохождения усилителя может измениться на несколько сотен единиц в Arduino. Это необходимо для обеспечения плавного и стабильного функционирования ПИД-регулятора.

Обычным операционным усилителем, который мы выбрали, является LM324, это дешево, и вы можете купить его в любом магазине электроники. LM324 имеет 4 внутренних усилителя, которые позволяют гибко его использовать, однако в этом проекте нужны только два усилителя: один для оси X, а другой для оси Y.

Модуль L298N

Двойной H-мост L298N обычно используется для управления скоростью и направлением двух двигателей постоянного тока или с легкостью управляет одним биполярным шаговым двигателем. L298N может использоваться с двигателями с напряжением от 5 до 35 В постоянного тока.

Существует также встроенный регулятор 5V, поэтому, если напряжение питания до 12 В, вы также можете подключить источник питания 5 В от платы.

В этом проекте использован L298N для управления двумя парами катушек электромагнита и использован выход 5 В для питания Arduino и датчика холла.

Распиновка модулей:

• Out 2: пара электромагнитов X
• Out 3: пара электромагнитов Y
• Входное питание: вход постоянного тока 12 В
• GND: Земля
• Выход 5v: 5v для датчиков Arduino и холла
• EnA: Включает сигнал PWM для выхода 2
• In1: Включить для выхода 2
• In2: Enable for Out 2
• In3: Включить для выхода 3
• In4: Включить для выхода 3
• EnB: Включает PWM-сигнал для Out3

Подключение к Arduino: нам нужно удалить 2 перемычки в контактах EnA и EnB, затем подключить 6 контактов In1, In2, In3, In4, EnA, EnB к Arduino.

SS495a Датчик Холла

SS495a — это линейный датчик Холла с аналоговым выходом

Обратите внимание на разницу между аналоговым выходом и цифровым выходом, вы не можете использовать датчик с цифровым выходом в этом проекте, он имеет только два состояния 1 или 0, поэтому вы не можете измерить выход магнитных полей

Аналоговый датчик приведет к диапазону напряжений от 250 до Vcc, который вы можете прочитать с помощью аналогового входа Arduino. Для измерения магнитного поля в обеих осях X и Y требуются два датчика холла.

Несколько советов и замечаний

Выводы катушки должны быть подключены так, чтобы создавать магнитное поле нужного направления. Проверить правильность их присоединения очень просто: если схема не работает, поменяйте местами провода.

Размеры магнита не слишком важны, но он должен быть достаточно сильным. Хорошо подойдет редкоземельный магнит, например, неодимовый.

Во избежание перегрева стабилизатора напряжения, обязательно установите его на радиатор. Выберите источник питания с напряжением 7 … 12 В, поскольку чем выше входное напряжение, тем больше нагревается стабилизатор напряжения 5 В.

Максимально допустимое входное напряжение датчика Холла равно 6 В, поэтому для питания схемы выбрано напряжение 5 В.

Если ваш магнит сильно вибрирует, или вообще не хочет левитировать, это может быть вызвано несколькими причинами, главной из которых является недостаточная толщина металлической пластины на катушке. Попробуйте добавить к ней еще несколько шайб. Возможно также, что датчик Холла смещен относительно центра катушки, или же зазор, установленный между катушкой и магнитом, слишком мал, и магнит нужно немного опустить регулировкой подстроечного резистора R2. (Это очень тонкая настройка). А может быть, катушка перекошена и установлена не вертикально.

Добавление мигающих RGB светодиодов сверху и снизу магнита создаст приятный эффект, если вы заставите левитировать какой-либо блестящий объект, такой, например, как шарик из алюминиевой фольги (Рисунки 10 и 11). Поскольку верхний светодиод находится ближе к объекту, желательно расширить угол его излучения, спилив линзу напильником.

Рисунок 10.	Установка мигающих цветных светодиодов создаст приятный эффект.

Рисунок 11.	Интересным левитирующим объектом может стать небольшой пропеллер с магнитом, прикрепленным в его центре.

Совсем другой эффект можно получить, изготовив небольшой пропеллер с прикрепленным в его центре магнитом. Я вырезал его из банки от Кока-Колы. Затем поместите под пропеллером плоскую свечку-таблетку или ароматическую масляную горелку, и поднимающийся поток теплого воздуха заставит левитирующий пропеллер вращаться. Для вращения пропеллера требуется совсем небольшая разница температур, и если воздух в помещении холодный, будет вполне достаточно тепла, выделяемого катушкой. Конечно же, если воздух теплый, это работать не будет.

В устройстве можно использовать катушку от ненужного соленоида, но предварительно необходимо убедиться в том, что потребляемый ею ток не перегрузит схему, поскольку многие соленоиды очень прожорливы.

Основные типы магнитной левитации

Магнитное давление на объект, подлежащий «парению», осуществляется несколькими способами. Выделяют два типа подобной левитации:

• EMS – электромагнитные конструкции;
• EDS – электродинамические устройства.

Система EMS отличается нестабильным равновесным положением. Для обеспечения стабильности необходимо применять АСУ (автоматизированные системы управления) и осуществлять постоянный контроль. Притягивающая сила возникает между проводником из ферромагнетика и электрическими магнитами.

Системы типа EDS базируются на принципах появления вихревых токов в проводящих компонентах. Для того чтобы вихревые токи появились, необходимо действие переменного поля магнитной природы.

Важно! Системы EDS делятся на два вида взаимодействия. Первый – стационарные катушки вступают во взаимосвязь с магнитами, имеющими сверхпроводимость

Второй – изменения магнитных полей (МП) происходят в результате действия сил, которые генерирует переменный ток.

Силы отталкивания, которые используются в электродинамических системах, делают их инертно стабильными.

Постоянные магниты никогда не используются самостоятельно, только в гибридных установках. Это связано с тем, что постоянный магнит не может обеспечить стабильного положения ни в одной из степеней свободы, значит, без поддержки других сил воздействия на статичность положения тут не обойтись.

Интересно. Чтобы уйти от привязки к объектам из магнитных материалов и позволить системам работать с элементами другой структуры материалов, есть необычное решение – использование магнитных вставок (посредников).

Самые лучшие индукционные варочные поверхности

Варочная панель Bosch PIF672FB1E на Яндекс Маркете

Варочная панель Hansa BHI68300 на Яндекс Маркете

Варочная панель Electrolux EHH 56240 IK на Яндекс Маркете

Варочная панель MAUNFELD EVI 292-BK на Яндекс Маркете

Варочная панель Bosch PUE611FB1E на Яндекс Маркете

Поставил и забыл, растению всегда комфортно

Проблема любого растения заключается в неполной подпитке ультрафиолетовыми лучами. Всегда нужно передвигать его вслед за солнцем, это реально бесит.

Бонсай от LePlant:

• всегда вращается, получая при этом необходимое освещение
• сам меняет скорость вращения, не нервируя владельца
• удобно располагается на любой поверхности
• компактный, что придаёт ему стиля

Всё упирается только в размещении розетки, поэтому к этому моменту стоит отнестись немного ответственнее.

Длина провода от зарядки – 170 см, её может хватить не каждому, если вы собрались поставить свое растение на балконе. В такой ситуации выручит любой недорогой удлинитель
.

Совсем немного теории

Среди людей, далеких от науки, бытует мнение, что магнитная левитация представляет собой направляемый полет магнита. На деле под этим термином подразумевается преодоление предметом гравитации при помощи магнитного поля. Одной из его характеристик является магнитное давление, оно-то и используется для «борьбы» с земным притяжением.

Проще говоря, когда гравитация притягивает объект вниз, магнитное давление направляется таким образом, чтобы оно отталкивало его в обратном направлении – вверх. Так возникает левитация магнита. Затруднение реализации теории в том, что статическое поле нестабильно и не фокусируется в заданной точке, так что эффективно противостоять притяжению может не вполне. Поэтому требуются вспомогательные элементы, которые придадут магнитному полю динамическую устойчивость, чтоб левитация магнита была явлением регулярным. В качестве стабилизаторов для него используются разные приемы. Чаще всего – электроток через сверхпроводники, но есть и другие наработки в данной области.

Примеры магнитной левитации

Левитацию в магнитном поле можно проследить на принципе действия магнитной подушки. По такому принципу работают на транспорте маглевы. На ветках Шанхайского метро до сих пор ездят поезда, воздушная подушка которых организована с применением магнитного давления.

Маглев в Германии – поезд на магнитной подушке

Диамагнитная левитация тоже может служить подобным примером. Диамагнетики – вещества, которые на атомном уровне, под воздействием МП, намагничиваются в противоположном направлении. Их магнитная восприимчивость имеет встречную направленность действующего на них поля. Однако её величина мала. Диамагнетиком является и человек. Показателен такой опыт: в МП с индукцией от 11 Тл размещают человеческую руку. Между пальцами руки небольшому магниту возможно придать стабильное неподвижное положение и изменять его, не прикасаясь к нему.

Не веришь? Смотри вживую на этом видео:

В комплект LePlant входят два магнитных элемента – декоративная платформа и специальный , заделанный под дерево. Ну и адаптер питания, который подаёт переменный ток в конструкцию.

И всё, ничего лишнего.

Горшочек 12-гранной формы имеет диаметр 90 мм. Помещается в ладонь. Выглядит просто и со вкусом.

А подставка горшка сделана из массива дуба, небольшая – 15 на 15 см. Это достаточно увесистое устройство, но в компактном корпусе. Его можно расположить на любом подоконнике или даже балконе.

LePlant отлично себя чувствует на любой поверхности и не царапает стекло. Поэтому такую платформу можно установить даже на стеклянный стол
, но мне больше нравится на подоконнике.

А такое выглядит действительно эффектно. Футуристичное устройство из, казалось бы, далекого будущего оказалось на моем подоконнике. Никакой магии, чистая физика, и лично меня это завораживает.

История суперпоездов

Впервые идею состава, использующего линейный двигатель, подал (и даже запатентовал) немецкий инженер-изобретатель Альфред Зейн. И было это в 1902 году. После этого разработки электромагнитного подвеса и поезда, оснащенного им, появлялись с завидной регулярностью: в 1906 г. Франклин Скотт Смит предложил еще один прототип, между 1937 и 1941 гг. ряд патентов по этой же теме получил Герман Кемпер, а чуть позже британец Эрик Лэйзвейт создал работающий прототип двигателя в натуральную величину. В 60-х он же участвовал в разработке Tracked Hovercraft, который должен был стать самым скоростным поездом, но так и не стал, поскольку из-за недостаточного финансирования в 1973-м проект был закрыт.

Только шесть лет спустя, причем снова в Германии, был построен поезд на магнитной подушке, получивший лицензию на пассажирские перевозки. Испытательный трек, проложенный в Гамбурге, имел длину меньше километра, но сама идея так вдохновила общество, что поезд функционировал и после закрытия выставки, успев за три месяца перевезти 50 тысяч людей. Скорость его, по современным меркам, была не так уж велика – всего 75 км/ч.

Не выставочный, а коммерческий маглев (так нарекли поезд, использующий магнит), курсировал между аэропортом Бирмингема и железнодорожной станцией с 1984 г., и продержался на своем посту 11 лет. Длина пути была еще меньше, всего 600 м, а над полотном поезд поднимался на 1,5 см.

Схема простого магнитного левитрона

В простейшем случае схема выглядит так:

• Электромагнит — намотан на винт около 800 витков провода 0,5 мм.
• Лазерная указка обычная 5 мВт
• Блок питания трансформатор 50 Вт 12 В
• Выпрямительный мост 10 А

Что касается объекта, на него действуют две силы: первая — это сила создаваемая гравитацией земли, вторая — из магнитного поля созданного электромагнитом. Обе силы будут направлены друг на друга.

Теоретически, достаточно регулировать ток протекающий через электромагнит, чтобы создать постоянное магнитное поле которое будет генерировать силу, равную силе гравитации. Там будет некая точка в пространстве где металлический объект будет подниматься в воздух. На практике это невозможно, потому что даже минимальное нарушение этого состояния может привести к падению или притяжению объекта электромагнитом, поэтому необходимо установить соответствующий контроллер, который будет отвечать за управление электромагнитом.

Начинаем левитацию

Начните с расположения передатчиков на расстоянии около 20 мм, используя инструмент для удержания излучателей. Найдите точное расстояние экспериментально.

Расстояние должно быть точно правильным, чтобы создать стоячую волну с достаточно сильными областями высокого и низкого давления воздуха. Вы можете расчитать расстояние, используя формулу, основанную на скорости звука при комнатной температуре, 343 м / с:

343000 мм / с / 40000 Гц = 8,575 мм

Таким образом, стоячие волны будут на 8,575 мм или кратные этому значению. Но расстояние между экранами передатчика не совпадает с областью, окруженной звуковой волной, поэтому результат будет не совсем правильным. В конечном итоге придется немного подвигать предмет, пока левитатор не заработает.

Двухканальный осциллограф, если таковой имеется, сможет помочь найти правильное расстояние. Подключите один канал к Arduino, а другой — к одному из двух передатчиков (обязательно отсоедините его от платы для этого измерения). Когда расстояние точно правильное, синусоида от ультразвукового приемника должна быть точно в фазе с прямоугольным сигналом от Arduino.

Помните ту сеточку, которую сохранили от ультразвукового приемника? Приклеенная к зубочистке, она поможет точно выставить эти маленькие шарики из пенопласта, потому что она акустически прозрачна. Если попытаетесь использовать вместо этого руки или пинцет — они будут отклонять или возмущать звук от преобразователей, так что стоячая волна может вообще не образовываться или будет слишком нестабильной.

Устойчивость

Мало только заставить предмет парить и зависать в воздухе. Необходимо добиться его устойчивого состояния, которое бывает:

• статическое;
• динамическое.

Два этих невесомых состояния имеют некоторые принципиальные различия.

Статическая

Равнодействующие силы, которые возвращают предмет в равновесное положение при любом его отклонении, обеспечивают статическую устойчивость.

Динамическая

Способность устройства, создающего левитацию, подавлять всевозможные вибрирующие движения обеспечивает динамическое устойчивое состояние. Так как само МП не имеет встроенного механизма подавления вибраций, то это делается дополнительно. Для этого используются варианты воздействия:

• лобового сопротивления;
• действия вихревых токов;
• работа управляемых электромагнитов;
• гашение вибрации с помощью инерционного демпфера.

Для работы электромагнитов в данном случае применяются БЭУ (блоки электронного управления), которые контролируют процесс смещения и вносят необходимую коррекцию в работу магнитов.

Обучение полетам

Левитацию потребуется осуществлять с помощью сознательного управления теми энергиями, которые имеются в теле. Для того чтобы научиться левитированию, необходимо полностью расслабиться, закрыв при этом глаза. Надо сконцентрироваться, встать ровно

Все внимание должно быть направлено на ноги. Следует максимально сильно ощутить вес тела и только после этого попробовать облегчить его

В тот момент, когда вы уже начнете ощущать себя совсем легким, надо создать ощущение левитации, как будто под ноги подкладывают воздушную подушку, которая постепенно начинает подниматься вместе с вами вверх. Для того чтобы перемещаться в разные стороны, надо просто представить давление. Например, для левитации вперед надо ощутить, что кто-то или что-то толкает вас в спину. Подобная техника левитации, если и не научит парить за достаточно короткий период времени, то расслабиться точно позволит в полной мере после тяжелого рабочего дня.

Все испытания можно начать проводить на весах, чтобы собственными глазами увидеть, как вес тела уменьшается.

Видео: Тайны великих магов — Левитация

Двигатель Минато

Еще одним ярким примером использования энергии магнетизма для самовозбуждения и автономной работы является сегодня уже серийный образец, разработанный более тридцати лет назад японцем Кохеи Минато. Его отличают бесшумность и высокая эффективность. По собственным заявлениям Минато, самовращающийся магнитный двигатель подобной конструкции имеет КПД выше 300%.

Двигатель Минато

Ротор имеет форму диска или колеса, на котором под определенным углом располагаются магниты. Когда к ним подводится статор с большим магнитом, возникает момент и колесо Минато начинает вращаться, используя попеременное сближение и отталкивание полюсов. Чем ближе статор к ротору, тем выше момент и скорость вращения. Питание осуществляется через цепь реле прерывателя.

Для предотвращения импульсов и биения при вращении колеса Минато, используют реле стабилизаторы и сводят к минимуму потребление тока управляющего эл. магнита. Недостатком можно считать отсутствие данных по нагрузочным характеристикам, тяге, используемых реле цепи управления, а также необходимость периодического намагничивания, о которой, кстати, тоже от Минато информации нет.

Может быть собран, как и остальные прототипы, экспериментально, из подручных средств, например, деталей конструктора, реле, эл. магнитов и т. п.

Шаг 12: Сенсорный модуль и магниты

Используйте горячий клей для фиксации модуля датчика между электромагнитами, обратите внимание, что каждый датчик должен быть квадратным с двумя электромагнитами, один на передней и другой на задней панели. Попробуйте выполнить калибровку двух датчиков как можно более централизованно, чтобы они не перекрывались, что сделает датчик наиболее эффективным

Следующий шаг — собрать магниты на акриловой основе. Объединяя два магнита D15*4 мм и магнит D15*3 мм вместе, чтобы сформировать цилиндр, это приведет к тому, что магниты и электромагниты будут иметь одинаковую высоту

Соберите магниты между парами электромагнитов, обратите внимание, что полюса восходящих магнитов должны быть одинаковыми