磁悬浮原理小发明,磁悬浮原理演示动画

首页 > 经验 > 作者:YD1662022-10-28 01:23:58

讲到这儿,小伙伴们想必已经看出了门道,陀螺和地球仪之所以可以在磁场下悬浮,正是因为陀螺和地球仪不再是静止的,而是一直在不停地旋转。旋转使得物体具有了稳定性。

此外,人们还发现,除了让被悬浮的物体动起来外,也可以让磁场“运动”起来。当我们把普通的静磁场替换成不断发生变化的交变磁场时,上方的磁铁也能稳定地悬浮起来。

更奇特的是,如果把磁铁放在交变的磁场上,磁铁先会剧烈的抖动,然后渐渐稳定地悬浮在磁场上空并开始旋转。稳定后陀螺旋转的频率几乎与磁场变化的频率相同,这种现象被称为锁频

磁悬浮原理小发明,磁悬浮原理演示动画(5)

一般变化的磁场由线圈产生,需要通入交变电流,这也是为什么磁悬浮地球仪大多在通电时才能正常使用,断电时很难保持稳定。

变化中的稳定

讲了这么多,小伙伴们一定会疑惑,为什么旋转的物体会更加稳定呢?变化的磁场与静止的磁场有什么不同?

首先我们要提到进动的概念。

静止的磁铁在磁场中,一旦稍有歪斜,重力就无法与磁场的斥力平衡,在外力的作用下倾覆。

而磁铁一旦像陀螺一样高速旋转起来,即便稍有歪斜,重力与磁场的斥力不平衡,它也不会瞬间倾覆,而是歪着头一边旋转,一边绕着圈,不停改变原来转轴的方向,这种特殊的运动被物理学家称为进动。

这是因为物体将要如何运动不仅取决于受力的情况,还与物体的初始运动状态有关。

之前的小磁铁是静止的,因此在不平衡的重力和斥力作用下它很难支撑住,就会倾倒;而现在小磁铁在不停地旋转,初始状态与之前完全不同,因此重力和斥力对它的作用效果自然也不相同。

在受力情况一样的条件下,初始状态不同会使未来演化情况不同的现象被数学家称为微分方程的初值问题,十八世纪的数学家、物理学家、天文学家拉普拉斯就对初值问题颇有研究。

以上解释了为什么高速旋转的物体能实现稳定的磁悬浮。不过,还有一个问题没有被解决,为什么不断变化的磁场也能实现稳定的悬浮呢?


小磁铁无法靠静止的磁场悬浮是因为磁场是有方向的,永远从N极指向S极。上方靠斥力短暂悬浮的小磁铁只要稍有倾斜,就会顺着磁场的方向翻转,上下两磁体异种磁极相对,斥力转变为吸引力,在一瞬间紧紧地吸在一起。

磁悬浮原理小发明,磁悬浮原理演示动画(6)

那么如果磁场的方向不断发生变化会发生什么呢?

由于磁场的方向不断发生变化,因此它不再具有明确的方向,变得更加对称。

当上方小磁铁稍微倾斜时,可能同样会在磁场吸引下有翻转趋势,然而在下一个瞬间,磁场方向改变,是小磁铁翻转的吸引力瞬间变成斥力,把即将倾覆的小磁铁又推了回去,使其维持在悬浮的状态。

小磁体就这样被不断改变方向的磁场推来推去,此起彼伏,最终它会随着磁场同步地摆来摆去或是不停旋转,并相对稳定地悬浮着,这在物理学上称为受迫振动,也就是我们之前说的锁频。

磁悬浮原理小发明,磁悬浮原理演示动画(7)

像这样变化中的稳定在工业和科研领域中十分常见,对于任何不稳定的系统我们都可以用这个方法实现相对精准的控制。

磁悬浮原理小发明,磁悬浮原理演示动画(8)

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