Магнитная левитация это: Магнитная левитация | izi.TRAVEL — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

Магнитная левитация. Виды и работа. Применение и особенности

Магнитная левитация – это технология, позволяющая поднимать объекты в воздух с помощью магнитного поля. Само слово «левитация» происходит от английского «levitate», которое можно перевести как «парить» или «подниматься в воздух». Фактически, данное физическое явление позволяет преодолеть гравитацию без применения реактивной тяги или аэродинамики, как это осуществляется самолетами, вертолетами и дронами.

С физической точки зрения левитация является устойчивым положением объекта в гравитационном поле. Фактически, сила тяжести компенсируется с силами воздействующими на предмет, которые его поднимают. В определенной точке данные силы уравниваются, благодаря чему объекты зависают. То понятие, которое укладывается в слово «левитация» в чистом виде недостижимо, что давно является доказанным фактом. На деле парение объекта достигается только путем воздействия на него магнитного поля. При этом сам предмет, который зависает в воздухе, не обладает свойствами парить без внешнего воздействия. Он не сможет делать это абсолютно в любых условиях и на разной высоте.

Условия, которые необходимо обеспечить, чтобы осуществить магнитную левитацию, могут отличаться. Существует несколько технологий, которые позволяют добиться эффекта парения:

Электромагнитная.
Диамагнитная.
Сверхпроводниковая.
Вихретоковая.

Электромагнитная

Данная технология подъема объекта над поверхностью подразумевает применение . Он располагается в нижней части устройства. На него укладываются легкие металлические предметы. Над электромагнитом с помощью стойки закрепляется фотоэлемент. Задача последнего заключается в подачи и прерывания питания на электрический магнит. Если фотоэлемент улавливает тень, то он включает или отключает питание, что зависит от места его расположения. Это происходит с периодичностью в доли секунды.

Принцип работы данной технологии подразумевает создание кратковременного воздействия электромагнитного поля на металлический объект. Катушка его подталкивает, после чего отключается, и предмет начинает падать вниз. Сразу же катушка снова создает электромагнитное поле поднимающее объект, и он взлетает. Цикличное воздействие необходимо для того, чтобы обеспечить возможность контроля местоположения парящего предмета. Дело в том, что постоянное электромагнитное поле смещает объект, пока он не выйдет из зоны воздействия и не упадет под влиянием силы притяжения. Если же циклично включать и отключать поле, то предмет будет просто подскакивать, фактически не удаляясь от точки нахождения.

При взгляде со стороны благодаря высокой частоте подачи и отключения электромагнитного воздействия, парящий предмет выглядит практически неподвижным. Это создает впечатление его реальной левитации. Данная технология является весьма популярной при производстве сувениров. Примером ее реализации является летающий глобус. Недостаток данного способа заключается в определенной сложности запуска устройства. Необходимо закрыть фотодатчик, приподнять предмет для левитации, после чего открыть систему фотодатчика. Далее он возьмет контроль удержания предмета на себя. В том случае, если произойдут перебои с электричеством и объект упадет, то после подачи питания он уже не взлетит без вмешательства человека.

Диамагнитная

Для реализации данной технологии применяются диамагнетики. Эти вещества намагничиваются против внешнего магнитного поля. Отдельные материалы могут полностью вытеснять свое магнитное поле. Примером такого вещества является графит. Довольно известным экспериментом является магнитная левитация стержня из обычного карандаша. Он зависает над неодимовыми магнитами. Для этого их необходимо расставить в шахматном порядке поворачивая разными полюсами к верху. При таких условиях стержень не будет вытолкнут за пределы площадки, поэтому останется левитировать постоянно. Неодимовые магниты имеют более стабильное поле, поэтому если созданная поверхность в шахматном порядке будет иметь достаточную площадь, касательно длины графитового стержня, то тот зависнет неподвижно.

Живые существа тоже обладают свойствами диамагнетиков, поэтому под воздействием магнитного поля с высокой индукцией также могут парить. Примером этого является научный эксперимент с летающей лягушкой. Для некрупного земноводного достаточно создать индукцию больше 16 Тл, и лягушка начинает парить в воздухе на небольшой высоте.

Сверхпроводниковая

Магнитная левитация по данной технологии также известна как метод Мейснера. Эффект парения достигается путем размещения магнита над сверхпроводником. В его качестве применяется оксид иттрия-бария-меди. Данное вещество приобретает способность сверхпроводника при снижении его температуры. Для этого необходимо обеспечение его контакт с жидким азотом.

Эксперимент по левитации подразумевает помещение пластины в ванночку с жидким азотом. Оксид иттрия-бария-меди практически мгновенно охлаждается. Если над ним поместить магнит, то тот начнет левитировать. Высота между магнитом и сверхпроводником напрямую зависят от силы индукции. Чем она выше, тем на большем расстоянии окажется магнит. Предмет как бы всплывает над сверхпроводником и весьма устойчиво парит до момента, пока пластина не остынет, потеряв свои свойства.

Вихретоковая магнитная левитация

Еще одним способом создания магнитной левитации является использование вихревых токов и массивных проводников. Катушка, выдающая вихревой ток может левитировать над замкнутым кольцом из цветного металла. Аналогичная ситуация наблюдается и с дисками из данного металла, уложенными над большими катушками.

Это обусловлено тем, что по закону Ленца индексируемый в данном случае цветной металл будет создавать магнитное поле противоположное от того, что на него воздействует. Иными словами, в каждый период колебания переменного тока в катушке будет создаваться противоположное по направлению магнитное поле. Поскольку они отталкивают друг друга, то более легкий предмет будет левитировать над тяжелым.

Еще одним примером вихревой левитации является пропускание неодимового магнита через толстостенную медную трубу. В этом случае постоянное парение не происходит, но магнит замедляется. Его падение сквозь трубу напоминает замедленную съемку или погружение в густую жидкость.

Масштабные применение эффекта парения

Магнитная левитация нашла свое применение не только при создании сувениров. Одним из самых масштабных способов использования данной технологии является современный железнодорожный транспорт на магнитной подушке. Такой поезд двигается очень тихо, поскольку не имеет колес, которые создают трение и стук. Как следствие самый известный проект такого транспорта, который был построен в Японии, смог развить скорость в 581 км/час. Единственный в мире поезд, который работает по данной технологии на постоянном маршруте, располагается в Шанхае. Он соединяет метро и аэропорт. Поезд позволяет преодолевать расстояние в 30 км между конечными станциями приблизительно за 7 минут.

Магнитная левитация

Авторы
Руководители
Файлы работы
Наградные документы

Махров М.А. 1

1МБОУ СШ №3

Солнышкина Е.И. 1

1МБОУ СШ №3

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

Рисунок 1

Наверняка, вы знаете такой фильм как «Назад в будущее», где главный герой парил на «ховерборде», или «парящей доске». Еще пару лет назад я не задумывался о том, каким образом удается летать этому предмету, но в этом году после прохождения по физике темы гравитационные силы, я задумался: «А почему же «ховерборд» не падает на землю вследствие притяжения к земле?». Таким образом, возникла идея изучить явление, которое заставляет парить этот предмет и найти ответ на поставленный вопрос.

Цель исследования: изучение явления, которое лежит в основе полёта «ховерборда», нахождение областей применения магнитной левитации в реальной жизни.

Задачи исследования:

Изучить литературу и Интернет-ресурсы по темам: «Магниты», «Магнитное и Электромагнитное поля», «Магнитная левитация».

Выяснить значение терминов: «магнитная левитация» и «электромагнитная левитация».

Провести опыты по проявлению магнитной левитации

Выяснить где и как применяется магнитная левитация.

Гипотеза: я предполагаю, что в основе полета «ховерборда» лежит магнитная левитация, а также считаю, что в реальной жизни это явление широко применимо.

Объект исследования: магнит, магнитное и электромагнитное поле.

Предмет исследования: явление магнитной и электромагнитной левитации и область ее применения.

Методы исследования: изучение учебной, научно-популярной и справочной литературы, проведение опытов.

Актуальность исследования:

наверное, каждый человек хотя бы один раз в жизни задумывался над тем: “Почему человечество не летает на «ховербордах»?”.

Поэтому я хочу выяснить, какое физическое явление лежит в основе полета воздушного скейтборда, и где это явление используется в реальной жизни.

Проблема: в реальной жизни нельзя парить над землей без специальных приспособлений, а во многих фильмах о будущем это явление повсеместно. Почему же до сих пор «мечта» режиссеров: заставить людей летать не реализована даже в условиях современной технической оснащенности.

Основная часть

Магнитная левитация

Чтобы понять какое явление лежит в основе полета «ховеборда», мы создали запрос в Интернете о преодолении гравитации и получили в ответ незнакомое нам слово «левитация».

«Левитация» происходит от английского «levitate» — парить, подниматься в воздух. То есть левитация — это преодоление объектом гравитации, когда он парит и не касается опоры, не отталкиваясь при этом от воздуха, не используя реактивную тягу. С точки зрения физики, левитация — это устойчивое положение объекта в гравитационном поле, когда сила тяжести скомпенсирована и имеет место возвращающая сила, обеспечивающая объекту устойчивость в пространстве.

В частности, магнитная левитация — это технология подъёма объекта с помощью магнитного поля, когда для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений используется магнитное действие на объект.

Условия, которые необходимо обеспечить, чтобы осуществить магнитную левитацию, могут отличаться. Существует несколько технологий, которые позволяют добиться эффекта парения:

Электромагнитная.

Диамагнитная.

Сверхпроводниковая.

Вихретоковая.

Электромагнитная левитация

Данная технология подъема объекта над поверхностью подразумевает применение в реальной жизни. Электромагнит располагается в нижней части устройства. На него укладываются легкие металлические предметы. Над электромагнитом с помощью стойки закрепляется фотоэлемент. Задача последнего заключается в подаче и прерывании питания на электрический магнит. Если фотоэлемент улавливает тень, то он включает или отключает питание, что зависит от места его расположения. Это происходит с периодичностью в доли секунды.

Рисунок 2

При взгляде со стороны благодаря высокой частоте подачи и отключения электромагнитного воздействия, парящий предмет выглядит практически неподвижным. Это создает впечатление его реальной левитации. Данная технология является весьма популярной при производстве сувениров. Примером ее реализации является летающий глобус. (рис. 2) Недостаток данного способа заключается в определенной сложности запуска устройства. Необходимо закрыть фотодатчик, приподнять предмет для левитации, после чего открыть систему фотодатчика. Далее он возьмет контроль удержания предмета на себя. В том случае, если произойдут перебои с электричеством и объект упадет, то после подачи питания он уже не взлетит без вмешательства человека.

Диамагнитная левитация

Рисунок 3

Рисунок 4

Неодимовые магниты имеют более стабильное поле, поэтому если созданная поверхность в шахматном порядке будет иметь достаточную площадь, касательно длины графитового стержня, то тот зависнет неподвижно.

Сверхпроводниковая левитация

Рисунок 5

Для этого необходимо обеспечение его контакт с жидким азотом.

Вихретоковая магнитная левитация

Рисунок 6

Рисунок 7

2. Применение магнитной левитации

Использование магнитной левитации при конструкции поездов

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 TrackedHovercraft, 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.

Рисунок 8

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.

В дальнейшем ажиотаж по поводу поездов на магнитной подушке в Европе поутих. Зато к концу 90-х ими активно заинтересовалась такая страна высоких технологий как Япония. На ее территории уже проложены несколько довольно протяженных трасс, по которым летают маглевы, использующие такое явление как магнитная левитация. Этой же стране принадлежат и скоростные рекорды, поставленные данными поездами. Последний из них показал скоростной режим более 550 км/ч

Использование магнитной левитации в энергетике

Рисунок 9

Не менее интересным практическим направлением можно считать широкое применение магнитных подшипников в ключевых узлах механизмов. Их установка решает серьезную проблему износа исходного материала.

Как известно, классические подшипники истираются довольно быстро – они постоянно испытывают высокие механические нагрузки. В некоторых областях необходимость замены этих деталей обозначает не только дополнительные расходы, но и высокий риск для людей, которые обслуживают механизм. Магнитные подшипники сохраняют работоспособность во много раз дольше, так что их применение весьма целесообразно для любых экстремальных условий. В частности, в атомной энергетике, ветровых технологиях либо отраслях, сопровождаемых чрезвычайно низкими/высокими температурами

Рисунок 10

Использование магнитной левитации в современном искусстве

Магнитную левитацию применяют для эффектности при проведении выставок. Экспонаты попросту парят над тумбами, что придает зрелищности

Практическая часть

3. 1 Опыт «Простейший электропоезд»

Приборы и материалы:

Батарейка типа АА;

Медная проволока диаметром 1.2 мм;

Неодимовые магниты;

Маркер;

Подготовка

Рисунок 11

Рисунок 12

Для того, чтобы найти медную проволоку, мне пришлось купить одножильный провод длиной 40 м. Конечно же этот провод был с изоляцией. И я 3 часа сидел, очищал медный провод. Теперь у меня есть 40 м проволоки. Дальше у меня возникла проблема с неодимовыми магнитами. В моём городе их просто нет. Целый день ходил, искал по всем электрическим и бытовым магазинам. Так их и не нашёл. В отчаянии зашёл я в интернет-магазин и там купил магниты. Теперь у меня всё есть для проведения опыта.

Рисунок 13

Итак, теперь берем провод и наматываем в спираль с помощью маркера, причем диаметр наматываемой катушки должен быть несколько больше используемых магнитов. У вас должно получиться нечто подобное (рис. 13).

После этого берем нашу батарейку и на каждый из концов крепим по магниту следующим образом:

Рисунок 14

Теперь просто вставляем получившийся «локомотив» в спираль и смотрим, как состав из одного вагона стремительно проходит по спирали.

А почему батарейка вообще движется в спирали?

Рисунок 15

Скрутив медный провод в спираль, я создал простейшую катушку. И если пропустить через нее ток, внутри нее возникнет магнитное поле. Причем оно будет сконцентрировано, внутри созданного соленоида, а на внешней стороне поле будет, крайне слабо.

Если поместить в такую катушку стержень, то наведенное ЭДС и магнитное поле приведут данный стержень в движение.

Но как перемещается батарейка с магнитами, ведь наша катушка не подключена к источнику питания? А соль заключена в следующем: наша батарея выступает в роли источника питания, а постоянные магниты выступают в роли питающих контактов.

Таким образом, вокруг «состава» формируется магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с постоянным магнитным полем магнитов и «поезд» начинает перемещаться.

Опыт с летающей лягушкой

Дело было так. Андре Гейм и Майкл Берри опубликовали исследование «Летающие лягушки и левитроны» в «EuropeanJournalofPhysics», т. 18, 1997, с.307-313. «Если лягушка изначально находится в состоянии равновесия, то на нее не действуют никакие силы. При изменении формы (например, шарообразная форма меняется на эллипсоид) индуцированный дипольный момент тоже меняется, и соотношение сил уже не равно нулю; тогда лягушка слегка смещается, начинает колебаться вокруг другой точки. Повторяя этот маневр при минимальной частоте колебаний, лягушка покидает зону стабильности».
Из объяснений Майкла Берри: «Удивительно в первый раз смотреть на лягушку, парящую в воздухе вопреки гравитации. Ее держат силы магнетизма. Источником силы служит мощный электромагнит. Он способен вытолкнуть лягушку вверх, потому, что лягушка тоже является магнитом, хотя и слабым. По своей природе лягушка не может быть магнитом, но она намагничивается полем электромагнита — это называется «индуцированным диамагнетизмом». Большинство веществ обладают диамагнетизмом, и Андре удалось подвергнуть левитации многие предметы, включая каплю воды и лесной орех.
В принципе человека тоже можно подвергнуть магнитной левитации, как и лягушку: ведь мы в основном состоим из воды. Поле не должно быть более сильным, но оно должно быть достаточно велико, чтобы вместить человека, а этого пока достичь не удалось. У меня нет причин полагать, что такая левитация может быть бесполезной или как-то повредить человеку, но, естественно, в этом никто не может быть уверен. Тем не менее, я бы охотно согласился левитировать первым».
За свою магнитную левитацию Андре Гейм и Майкл Берри удостоены Шнобелевской премии в области физики за 2000 год.

«Парение» лягушки можно посмотреть по ссылке:

https://www.youtube.com/watch?v=-EVMOp59J_c

Как он это сделал? Всего лишь достаточно создать индукцию больше 16 Тл, и лягушка начинает парить в воздухе на небольшой высоте.

Продукт исследования

Я создал установку для опыта «простейший электропоезд». Поэтому я могу её принести в школу и на уроке физики, когда мы будем проходить тему «магнитная левитация», представить этот опыт. Также я создал лабораторную работу для учебника физики 11 класса. Могу её предложить учителям, чтобы они её сделали.

Лабораторная работа

«Исследование магнитной левитации»

Цель работы: изучить явление магнитной левитации на опыте

Оборудование: батарейка типа ААА, медная проволока диаметром 1,2 мм, маркер, неодимовые магниты.

Подготовка к работе:

Изучите описание к работе.

Ход работы:

Возьмите медную проволоку и намотайте в спираль с помощью маркера, причем диаметр наматываемой катушки должен быть несколько больше используемых магнитов.

После этого возьмите батарейку и на каждый из концов прикрепите по 2 неодимовых магнита.

Просто вставьте получившийся «локомотив» в спираль и смотрите, как состав из одного вагона стремительно проходит по спирали.

Определите и объясните: почему батарейка движется внутри спирали

Запишите вывод.

Заключение

По результатам моего исследования можно сделать вывод, что магнитная левитация существует. И «ховерборд», действительно, не просто выдумка режиссеров, а как раз, использование магнитной левитации на практике. Но также, можно утверждать, что в то, время, когда снимался фильм «Назад в будущее» ученые-физики уже были в поисках сверхпроводников, и режиссер фильма предположил, что ко времени, куда он отправлял своего героя эта проблема решиться, но не угадал.

Несмотря на все трудности, с которыми сталкиваются ученые при изучении магнитной левитации, она активно используется в повседневной жизни: в конструкции поездов, в электроэнергетике, а также при проведении выставок в сфере будущего.

Широко применять магнитную левитацию так, как это показано в фильме «Назад в будущее» невозможно, так как это экономически невыгодно, ведь охлаждение сверхпроводников до температур близких к абсолютному нулю, очень дорого.

Мечта режиссера воплотится в жизнь, как только будет найден сверхпроводник, у которого сопротивление будет равно нулю. Будем надеяться, что мы застанем это время.

Таким образом, гипотеза подтвердилась.

Список Интернет – источников

http://allrefs. net/c24/3t5zh/p9/

http://referatwork.ru/category/tehnologii/view/495443_magnitnaya_levitaciya

https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитная_левитация

http://izobreteniya.net/magnitnaya-levitatsiya-na-postoyannyih-magnitah-idei-i-opyityi/

https://allhe.ru/publ/svoimi_rukami/igrushki/levitron_na_postojannykh_magnitakh_svoimi_rukami/4-1-0-93

Просмотров работы: 1224

Как работает маглев | Министерство энергетики

Графика Карли Уилкинс, Министерство энергетики.

Что, если бы вы могли добраться из Нью-Йорка в Лос-Анджелес менее чем за семь часов, не садясь в самолет? Это может быть возможно на поезде Маглев.

Маглев — сокращение от «магнитная левитация» — поезда уходят корнями в технологию, впервые разработанную в Брукхейвенской национальной лаборатории. Джеймс Пауэлл и Гордон Дэнби из Брукхейвена получили первый патент на конструкцию поезда на магнитной подушке в конце 19 века.60-е годы. Идея пришла к Пауэллу, когда он сидел в пробке, думая, что должен быть лучший способ путешествовать по суше, чем автомобили или традиционные поезда. Ему пришла в голову идея использовать сверхпроводящие магниты для левитации вагона поезда. Сверхпроводящие магниты — это электромагниты, которые во время использования охлаждаются до экстремальных температур, что резко увеличивает мощность магнитного поля.

Первый коммерчески эксплуатируемый высокоскоростной сверхпроводящий поезд Маглев был открыт в Шанхае в 2004 году, в то время как другие поезда находятся в эксплуатации в Японии и Южной Корее. В Соединенных Штатах изучается ряд маршрутов, соединяющих такие города, как Балтимор и Вашингтон, округ Колумбия 9.0003

В маглеве сверхпроводящие магниты подвешивают вагон поезда над U-образной бетонной направляющей. Как и обычные магниты, эти магниты отталкиваются друг от друга, когда совпадающие полюса обращены друг к другу.

Изображение

«Вагон на маглеве — это просто коробка с магнитами по четырем углам», — говорит Джесси Пауэлл, сын изобретателя маглева, который сейчас работает со своим отцом. Это немного сложнее, чем это, но концепция проста. Используемые магниты являются сверхпроводящими, а это означает, что при охлаждении до температуры менее 450 градусов по Фаренгейту ниже нуля они могут генерировать магнитные поля в 10 раз сильнее, чем обычные электромагниты, достаточные для подвешивания и движения поезда.

Эти магнитные поля взаимодействуют с простыми металлическими петлями, вмонтированными в бетонные стены направляющей Маглев. Петли сделаны из проводящих материалов, таких как алюминий, и когда магнитное поле проходит мимо, оно создает электрический ток, который генерирует другое магнитное поле.

Изображение

Через определенные промежутки времени на направляющие устанавливаются три типа петель для выполнения трех важных задач: одна создает поле, которое заставляет поезд зависать примерно на 5 дюймов над направляющей; секунда удерживает поезд в горизонтальном положении. Обе петли используют магнитное отталкивание, чтобы удерживать вагон поезда в оптимальном месте; чем дальше он отходит от центра направляющей или чем ближе к дну, тем большее магнитное сопротивление толкает его обратно на путь.

Третий набор контуров представляет собой силовую установку, работающую на переменном токе. Здесь для движения вагона по направляющей используются как магнитное притяжение, так и отталкивание. Представьте себе коробку с четырьмя магнитами — по одному в каждом углу. В передних углах есть магниты с северными полюсами наружу, а в задних углах магниты с южными полюсами наружу. Электрификация контуров движения создает магнитные поля, которые тянут поезд вперед спереди и толкают его вперед сзади.

Конструкция с плавающим магнитом обеспечивает плавность хода. Несмотря на то, что поезд может двигаться со скоростью до 375 миль в час, пассажир испытывает меньшую турбулентность, чем на традиционных поездах со стальными колесами, потому что единственным источником трения является воздух.

Изображение

Еще одним важным преимуществом является безопасность. Поезда на маглеве «приводятся в движение» направляющими с электроприводом. Любые два поезда, движущиеся по одному и тому же маршруту, не могут догнать и столкнуться друг с другом, потому что все они движутся с одинаковой скоростью. Точно так же традиционные сходы поездов с рельсов, которые происходят из-за слишком быстрого прохождения поворотов, не могут произойти с маглевом. Чем дальше поезд на маглеве уходит от своего нормального положения между стенами направляющих, тем сильнее становится магнитная сила, толкающая его обратно на место.

Эта основная функция больше всего нравится Джесси Пауэллу. «У Маглева нет водителя. Транспортные средства должны двигаться туда, куда их направляет сеть. Это базовая физика. Итак, теперь, когда у нас есть компьютерные алгоритмы для очень эффективной маршрутизации, мы можем изменять планирование всей сети на лету. В будущем это приведет к гораздо более гибкой транспортной системе», — сказал он.

Хотя эта захватывающая технология еще не развернута в Соединенных Штатах сегодня, если Пауэлл и его команда добьются своего, вы, возможно, когда-нибудь отправитесь в плавание к следующему пункту назначения.

Примечание редактора. Этот пост был написан научным писателем Брукхейвенской национальной лаборатории, одной из 17 национальных лабораторий Министерства энергетики.

Магнитная левитация | Encyclopedia.com

Принцип действия

Транспортные средства MAGLEV

Сверхпроводящие магниты

Недостатки транспортных средств MAGLEV

Перспективы транспортных средств MAGLEV

Ресурсы, которые иногда называют магнитной подвеской, двумя объектами

отталкиваются друг от друга в вертикальном направлении. Явление, также известное как MAGLEV, уже давно признано важным коммерческим приложением. Наиболее важным из них является конструкция поездов MAGLEV, которые движутся на несколько дюймов над рельсами с очень высокой скоростью.

Представьте, что два стержневых магнита подвешены один над другим с одинаковыми полюсами (два северных или два южных полюса) непосредственно друг над другом и под ним. Любая попытка привести эти два магнита в контакт друг с другом должна будет преодолеть силу отталкивания, существующую между двумя одинаковыми магнитными полюсами. Сила этой силы отталкивания зависит, среди прочего, от силы магнитного поля между двумя стержневыми магнитами. Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее сила отталкивания.

Если бы кто-то повторил этот эксперимент, используя очень маленький и очень легкий стержневой магнит в качестве верхнего члена пары, то можно было бы предположить, что сила отталкивания была бы достаточной, чтобы удерживать меньший магнит подвешенным — левитирующим — в воздухе. Этот пример иллюстрирует принцип, согласно которому сила отталкивания между двумя магнитами способна удерживать верхний объект в подвешенном состоянии в воздухе.

На самом деле, сила отталкивания между двумя стержневыми магнитами была бы слишком мала, чтобы вызвать описанный здесь эффект. В реальных экспериментах с магнитной левитацией это явление вызывается магнитными полями, получаемыми от электромагнитов. Например, представьте, что металлическое кольцо свободно надевается на цилиндрический металлический сердечник, присоединенный к внешнему источнику электрического тока. Когда ток протекает через сердечник, он создает магнитное поле внутри сердечника. Это магнитное поле, в свою очередь, создает ток в металлическом кольце, который создает собственное магнитное поле. Согласно закону Ленца, два возникающих таким образом магнитных поля — одно в металлическом сердечнике, а другое в металлическом кольце — имеют противоположную полярность. Эффект, наблюдаемый в таком эксперименте, заключается в том, что металлическое кольцо поднимается вверх вдоль металлического сердечника, поскольку две части системы отталкиваются друг от друга. Если ток увеличить до достаточного уровня, кольцо действительно может взлететь вверх с сердечника. В качестве альтернативы ток можно отрегулировать так, чтобы кольцо можно было удерживать в подвешенном состоянии на любой заданной высоте по отношению к сердечнику.

Предвидение применения магнитной левитации в конструкции транспортных средств обычно приписывается американскому ученому и пионеру в области ракетостроения Роберту Хатчингсу Годдарду (1882–1945). В 1907 году Годдард опубликовал рассказ, в котором описал транспортное средство, которое двигалось с помощью принципа магнитной левитации. Французский инженер Эмиль Бачелет сконструировал первую действующую модель такого транспортного средства в 1912 году. Транспортное средство Бачеле приводилось в движение силами отталкивания, возникающими между медными электромагнитами, подвешенными над алюминиевой гусеницей. Однако модель Бачелет оказалась тупиковой, потому что количество электроэнергии, необходимой для создания подвески, было слишком велико, чтобы производить ее с наименьшими затратами.

Фактически, эта проблема была основной причиной того, что автомобили MAGLEV до недавнего времени оставались мечтой. Чтобы поднять многотонный объект, необходимо создать очень большую силу отталкивания между транспортным средством и гусеницей. Силу отталкивания, в свою очередь, можно создать только с помощью очень мощных электромагнитов. Вес таких магнитов и электрическая энергия, необходимая для их работы, на многие десятилетия вывели идею транспортных средств MAGLEV из области реальных технологий.

В течение многих лет ученым был известен по крайней мере один очевидный способ решения этих практических проблем — сверхпроводящие магниты. Сверхпроводимость — это свойство проводящего материала (например, меди) проводить электрический ток практически без сопротивления. Хотя сверхпроводимость была открыта еще в 1911 году, ее применение в реальных изобретениях всегда ограничивалось тем фактом, что ее можно было наблюдать только при температурах, близких к абсолютному нулю. Следовательно, транспортное средство MAGLEV, в котором используются сверхпроводящие магниты, будет намного эффективнее, чем транспортное средство, использующее традиционные электромагниты. Но модель сверхпроводника также должна быть спроектирована таким образом, чтобы работать при очень низких температурах (около -450°С). 0071°F [-268^°С]).

Тем не менее, к 1960-м годам исследователи начали проектировать и строить прототипы транспортных средств MAGLEV, приводимых в действие сверхпроводящими электромагнитами. Большинство таких транспортных средств работали по общему принципу. Сверхпроводящие катушки подвешены под корпусом самого корабля MAGLEV. Когда ток начинает течь через эти катушки, создается магнитное поле. Это магнитное поле, как в примере, отмеченном ранее, создает магнитное поле в металлической гусенице под транспортным средством. Сила отталкивания между двумя магнитными полями толкает поезд вверх и удерживает его на высоте нескольких дюймов над рельсами. По мере увеличения электрического тока в сверхпроводящих катушках увеличиваются противоположные магнитные поля и сила отталкивания между ними.

Разумеется, транспортное средство нужно не только поднимать над рельсами, но и перемещать его вперед (или назад). Эта движущая сила обеспечивается электрическим током, протекающим по катушкам направляющих в рельсовом пути. По мере изменения тока в катушках изменяется и напряженность магнитного поля. В результате автомобиль MAGLEV попеременно толкается и притягивается изменяющимся магнитным полем в катушках. Электрический ток, проходящий через катушки, может контролировать скорость поезда.

Поезд MAGLEV начинает движение, как и любой другой железнодорожный поезд, его колеса опираются на рельсы. Когда электрический ток начинает течь по его сверхпроводящим катушкам, поезд толкается вперед по рельсам, а затем постепенно отрывается от них. На максимальной скорости большинство поездов рассчитаны на движение на несколько дюймов над рельсами и на скорости 250 миль (402 км) в час и более.

Магнитная левитация как средство передвижения не лишена недостатков. Например, первоначальные планы предусматривают строительство трасс MAGLEV в Соединенных Штатах рядом с национальной системой автомагистралей между штатами. Но пассажиры, путешествующие в поезде MAGLEV со скоростью 250 миль в час, будут чувствовать гораздо более сильные гравитационные силы при повороте между штатами, чем пассажиры в автомобиле, движущемся со скоростью 65 миль (105 км) в час. Кроме того, первоначальные испытания показывают, что автомобили MAGLEV могут издавать высокий уровень шума при работе на максимальной скорости. Испытания показали, что возможен уровень звука в 100 децибел на расстоянии 80 футов (24 м) от направляющей. Однако такие уровни звука неприемлемо высоки для любого населенного пункта.

Как и со всем, что сделано людьми, с машинами MAGLEV могут возникать механические проблемы и человеческие ошибки. Например, 11 августа 2006 г. на борту шанхайского коммерческого поезда Transrapid произошел пожар после выхода со станции в Лунъяне. Кроме того, 22 сентября 2006 года поезд MAGLEV врезался в ремонтный вагон на севере Германии, в результате чего десятки человек получили ранения и погибли.

Новый век технологии MAGLEV восходит к началу 1960-х годов. В тот период многие наблюдатели видели в автомобилях MAGLEV способ решения ряда проблем, стоящих перед США и другими развитыми странами. Например, они предлагали явно эффективный способ быстрого и эффективного перемещения большого количества людей по городским районам и вокруг них. Они могли питаться практически от любой формы энергии, из которой можно было производить электричество, а не только от угля или нефти. К 1970, то было построено несколько моделей автомобилей MAGLEV.

Эти исследования активно продолжаются в ряде стран, включая Японию, Великобританию, Германию, Корею и Францию. Все эти страны разработали ряд прототипов транспортных средств, которые переходят в коммерческую эксплуатацию. Например, японские инженеры спроектировали испытательную линию протяженностью 27 миль (43,5 км) через префектуру Яманаси, которая будет перевозить до 10 000 пассажиров в час в поездах из 14 вагонов, следующих со скоростью 310 миль (49 км).9 км) в час. Некоторые немецкие модели использовали несколько иную форму магнитной левитации. Немецкий Transrapid имеет несверхпроводящие магниты, прикрепленные к кузову автомобиля и подвешенные под направляющей. Магниты притягиваются (а не отталкиваются) вверх к рельсу, поднимая поезд в пределах дюйма от направляющего рельса. 31 декабря 2002 года немецкий поезд Transrapid MAGLEV совершил свой первый коммерческий маршрут в Китае от шанхайской улицы Лонг-Ян-роуд до международного аэропорта Пудун. Он перевозит людей на 18,5 миль (30 км) за семь минут 20 секунд, развивая максимальную скорость 268 миль в час (431 км/ч) при средней скорости 150 миль в час (250 км/ч). Первая в мире коммерческая автоматизированная система MAGLEV под названием Linimo начала работу в марте 2005 года в Аити, Япония.

Однако, в отличие от такого рода прогресса, Соединенные Штаты к 1975 году практически отказались от исследований в области магнитной левитации. Это решение, принятое Управлением по вопросам управления и бюджета, было принято исходя из убеждения, что транспортировка MAGLEV не будет экономически целесообразной альтернативой в США в обозримом будущем.

Это отношение резко изменилось в начале 1990-х, в основном в результате интереса одного политика, сенатора Дэниела Патрика Мойнихэна (1927–2003) Нью-Йорка. Мойнихан пришел к выводу, что автомобили MAGLEV — это средство, с помощью которого можно решить проблемы междугородних перевозок в стране. Кроме того, как председатель подкомитета Сената, отвечающего за систему автомобильных дорог США,

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

Электромагнетизм — Единое электрическое и магнитное силовое поле, создаваемое прохождением электрического тока через материю.

Сверхпроводимость — Склонность электрического тока течь по проводнику практически без сопротивления.

Мойнихан смог воплотить свои убеждения в жизнь. В 1989 году Мойнихан включил в законопроект о дорожном движении специальное положение о разработке новой технологии MAGLEV, Программе разработки прототипа магнитной левитации с бюджетом в 750 миллионов долларов. Учитывая этот начальный капитал, многие эксперты снова возлагают большие надежды на возможное развитие программы коммерческих автомобилей MAGLEV в Соединенных Штатах. В 2006 году продолжаются исследования линий MAGLEV в южной Калифорнии-Лас-Вегасе (Невада), Балтиморе-Вашингтоне, округ Колумбия, Гонолулу (Гавайи), Дейтона-Стрит. Санкт-Петербург (Флорида), Сан-Диего (Калифорния), Питтсбург (Пенсильвания) и Портленд (Орегон)-Ванкувер (Британская Колумбия).

Поскольку системы MAGLEV строятся все чаще в мире, затраты на их разработку и обслуживание будут снижаться. Например, строительство шанхайского поезда MAGLEV обошлось в 1,2 миллиарда долларов, что составляет около шести долларов на одного пассажира. Однако по состоянию на октябрь 2006 г. использование поездов MAGLEV в мире ограничено лишь несколькими участками. Большинство поездов MAGLEV все еще находятся на стадии экспериментов и разработок.

См. также Электромагнетизм; Поезда и железные дороги.

КНИГИ

Дай, Хуэйгуан. Динамическое поведение транспортного средства на магнитной подвеске/системы направляющих с управлением. Анн-Арбор, Мичиган: ProQuest/UMI, 2006.

Гирас, Яцек Ф. Линейные синхронные двигатели: системы транспорта и автоматизации. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, 2000.

Мун, Фрэнсис С. Линейная сверхпроводящая левитация: приложения к подшипникам и магнитному транспорту. New York, Wiley, 1994.

ДРУГОЕ

ACF Newsource. «Новые высокоскоростные поезда без рельсов и колес развивают скорость 300 миль в час». (по состоянию на 15 октября 2006 г.).

HowStuffWorks Inc.

Магнитная левитация это: Магнитная левитация | izi.TRAVEL

Магнитная левитация. Виды и работа. Применение и особенности

Похожие темы:

Магнитная левитация

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Как работает маглев | Министерство энергетики