praca maturalna

Zjawisko magnetycznej lewitacji znajduje obecnie w przemyśle szerokie zastosowania praktyczne. Funkcjonujące dziś pociągi poruszające się na poduszce magnetycznej pozwalają na osiągnięcie olbrzymich prędkości przy dużej sprawności energetycznej w porównaniu do tradycyjnej kolei. Wysoki komfort transportu nie pozostaje bez wpływu na dobre samopoczucie podróżnych. Łożyska magnetyczne są wykorzystywane tam gdzie ważna jest długotrwała praca, a zwykłe elementy nie zdają egzaminu lub są zbyt zawodne.

Celem naszej pracy była budowa układu wykorzystującego zjawisko lewitacji w polu magnetycznym. Zadaniem systemu jest utrzymywanie kulki w zadanym położeniu równowagi poprzez odpowiednie sterowanie przepływem prądu przez elektromagnes na podstawie pomiaru jej położenia. Pomiaru tego dokonujemy w oparciu o sygnał pochodzący z czujnika optycznego. Tak wygenerowany sygnał jest następnie odpowiednio regulowany w układzie sterującym i wysyłany do elektromagnesu.

Wykonana praca służy również jako pomoc dydaktyczna. Zastosowanie elektromagnesu pozwala na zbadanie siły jego przyciągania w praktyce, oraz naoczne przekonanie się o magnetycznych właściwościach cewki nawiniętej na rdzeń ferromagnetyczny i podłączonej do zasilania. Można także własnymi rękami odczuć działanie pola magnetycznego.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Pole magnetyczne jest to pole wywołane przez poruszające się ładunki elektryczne i charakteryzuje się tym, że na poruszające się w nim naładowane ciała lub cząstki elementarne działa siła. Pole magnetyczne, podobnie jak pole elektrostatyczne, charakteryzuje się także tym, że do jego podtrzymania nie jest wymagane dostarczenie energii. Energia jest potrzebna tylko do wytworzenia tego pola. Ponadto w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym indukuje się napięcie elektryczne. Wreszcie pod wpływem działania tego pola, niektóre materiały zmieniają swoje własności. Kierunek linii pola magnetycznego można wyznaczyć za pomocą reguły śruby prawoskrętnej (zwanej też regułą korkociągu): jeżeli kierunek ruchu postępowego śruby prostokątnej jest zgodny z kierunkiem prądu płynącego przez przewód, to kierunek ruchu obrotowego śruby wskazuje kierunek linii pola magnetycznego. Linie pola magnetycznego są zawsze liniami zamkniętymi (ciągłymi). Nie mają one swego początku ani końca.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Przyrząd służy do obserwacji linii pola magnetycznego wokół zwojnicy składającej się z dużej liczby zwojów. Wystarczy ją podłączyć do zwykłej baterii płaskiej. Wewnątrz istnieje pole jednorodne, a na zewnątrz linie są podobne do linii magnesu płaskiego. W pobliżu przewodników przecinających podstawkę widać kołowy charakter

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Dwie równoległe szyny zakończone zaciskami elektrycznymi, są umocowane na dwóch drewnianych klockach. W poprzek szyn położona jest mosiężna poprzeczka. Między szynami znajduje się magnes podkowiasty, tak by rurka znajdowała się między jego biegunami. Po włączeniu prądu na rurkę działa siła elektrodynamiczna i rurka toczy się na szynach. Kierunek ruchu można ustalić z reguły lewej dłoni.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Prostokątna ramka utworzona z 20 zwojów izolowanego drutu miedzianego zawieszona jest na drucikach między biegunami magnesu podkowiastego. Do ramki doprowadza się prąd przez słupki z zaciskami oraz przez druciki, na których wisi ramka. Po włączeniu prądu, ramka obraca się. Im większe natężenie to obrót jest większy. Jest to podstawą działania miernika magnetoelektrycznego i silników elektrycznych.

Z polem magnetycznym, podobnie jak z polem elektrycznym mamy praktycznie cały czas do czynienia. Jednym z podstawowych źródeł pola magnetycznego jest Ziemia, która wytwarza pole o natężeniu od 0,1 mT do 1 mT. Człowiek jest do niego przystosowany. Istnieje nawet hipoteza, że pozbawienie organizmu obecności tego pola może być przyczyną zachorowań. Takie warunki mogą wystąpić we wnętrzu metalowego kadłuba statku, jeśli marynarz przebywa w nim wiele miesięcy. Także w ubraniach i skafandrach astronautów amerykańskich zaszywa się magnesy w celu zapewnienia stymulacji polem magnetycznym. Należy zaznaczyć, że pole magnetyczne przenika przez ciało człowieka i aby chronić się przed nim należałoby budować skomplikowane i drogie ekrany z materiałów ferromagnetycznych (np. żelazo). Jest to praktycznie niewykonalne. Pole magnetyczne pochodzi od wielu urządzeń domowych, takich jak pralka, lodówka, komputer, elektryczny pociąg, linie wysokiego napięcia, kable. Dlatego nie jesteśmy w stanie się od niego uchronić.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Zjawisko lewitacji magnetycznej polega na unoszeniu się metalowego przedmiotu w powietrzu. Unosi się on dzięki działaniu na niego niewidzialnej dla ludzkiego oka siły wywołanej przez pole elektromagnetyczne. Unoszący się przedmiot nie jest zatem związany mechanicznie z innym układem. Metalowy przedmiot znajduje się w stanie równowagi tzn. działające na niego siły: grawitacji i siły wytworzonej przez elektromagnes równoważą się wzajemnie.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Lewitacja magnetyczna to jeden z najskuteczniejszych sposobów na pokonanie siły tarcia powierzchniowego, która uniemożliwia pojazdom naziemnym osiąganie dużych prędkości. Dziś wykorzystuje się ją przede wszystkim w superszybkich pociągach. Dzięki działaniu potężnych elektromagnesów ważące setki ton składy unoszą się podczas jazdy w powietrze i przemieszczają nie po powierzchni toru, lecz tuż nad nim. Ta “lewitacja” sprawia, że magnetyczny pociąg może się poruszać prawie bez tarcia, co pozwala mu na osiąganie znacznych prędkości.

Zasada działania magnetycznej lewitacji jest stosunkowo prosta do wytłumaczenia, ale trudna do zastosowania. Ogromna masa jest utrzymywana w powietrzu przez siły odpychające dwóch układów magnesów, z których jeden zamontowany został w spodniej części pociągu, drugi zaś - w szynie. Potężne pola magnetyczne, niezbędne do wprawienia w ruch pojazdu o tak wielkiej masie, są wytwarzane przez specjalnego rodzaju elektromagnesy, których uzwojenia wykonane zostały z materiałów nadprzewodzących, schłodzonych do bardzo niskich temperatur, np. minus 263 st. C. Lewitujący magnetycznie pociąg nie ma kół, które dawałyby silę pociągową, dlatego wyposażony jest w szczególny rodzaj silnika elektrycznego, zwany silnikiem liniowym, gdyż jego zwoje zostały rozcięte i ułożone wzdłuż toru

Na lewitację magnetyczną zwrócili również uwagę specjaliści z NASA. Celem ich projektu jest opracowanie taniej metody wynoszenia na orbitę pojazdów kosmicznych.
Agencja kosmiczna NASA zamierza wykorzystać zjawisko lewitacji magnetycznej do wystrzeliwania rakiet kosmicznych. W Centrum Lotów Kosmicznych im. Marshalla w Alabamie oddany został ostatnio do użytku specjalny tor, na którym testowana będzie ta nowoczesna technologia. Zbudowano elektryczny tor o długości 15 metrów oraz model magnetycznego pojazdu kosmicznego o długości 1,5 metra i wadze 15 kilogramów. Podczas pierwszych prób, które przeprowadzono we wrześniu i październiku br., prototyp osiągał prędkość 100 km na godzinę w ciągu pół sekundy, unosząc się mniej więcej półtora centymetra nad torem.

“Dzięki zastosowaniu magnetycznej lewitacji i elektrycznych silników można znacznie zmniejszyć masę startową pojazdu, nadając mu zarazem znaczną prędkość. Po osiągnięciu prędkości 900 km na godzinę w magnetycznej rakiecie włączałyby się silniki rakietowe, które następnie wyniosłyby ją na orbitę” - mówi szef projektu dr Sherry Bushmann. W przyszłym roku rozpocznie się budowa toru demonstracyjnego o długości 120 metrów. Prototypowe bolidy będą na nim rozpędzane w ciągu paru sekund do planowanej przez Bushmanna i jego zespół prędkości. “Ostatnie próby pokazały, że dzięki lewitacji magnetycznej możliwe jest nadanie rakiecie ogromnego przyspieszenia w bardzo krótkim czasie, teraz chcemy sprawdzić, czy potrafimy zapanować nad pojazdem pędzącym z tak ogromną prędkością” - wyjaśnia amerykański inżynier.

Lewitowanie żab i truskawek

Naukowcy z Uniwersytetu Nijmegen (Holandia) wykorzystali pole magnetyczne, o sile milion razy większej od ziemskiej, dzięki czemu sprawili, że truskawki i żaby oderwały się od ziemi. Dr. Andre Geima wraz ze swoim zespołem badawczym twierdzą, że lewitować, czyli unosić się w powietrzu - pokonując siłę ciążenia - może każdy przedmiot czy istota żywa. Każdy obiekt bez wyjątku jest magnetyczny. Siła grawitacji działa na określony obiekt z góry na dół. Lewitowanie jest możliwe, gdy spowodujemy, że zadziała na niego siła w przeciwnym kierunku z dołu na górę.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Celem pracy była budowa układu wykorzystującego zjawisko lewitacji kulki w polu magnetycznym. Zadaniem systemu jest utrzymywanie kulki w zadanym położeniu równowagi poprzez odpowiednie sterowanie przepływem prądu przez elektromagnes na podstawie pomiaru jej położenia.

Na kulkę w układzie przedstawionym na Rysunku 1. działają dwie siły:

- siła grawitacji;

- siła przyciągania magnetycznego, której źródłem jest elektromagnes;

Zrównoważenie sił F_e i F_g spowoduje, że metalowa kulka zawiśnie w odpowiedniej odległości od elektromagnesu i tym samym rozpocznie proces lewitacji.

Wykonywany układ będzie składał się z następujących elementów:

- kulki wykonanej z materiału magnetycznego;

- elektromagnesu wykonanego z rdzenia oraz cewki o odpowiednich parametrach;

- czujnika położenia - czujnika optycznego mierzącego położenie kulki;

- układu sterującego, który na podstawie mierzonego położenia generuje taki sygnał sterujący, iż kulka jest utrzymywana w zadanym położeniu równowagi;

- wzmacniacza sterującego przepływem prądu przez cewkę elektromagnesu według sygnału sterującego pochodzącego z zewnątrz.

Elektromagnes zostanie przyczepiony do górnej części ramy, wykonanej z trzech ceowników, w taki sposób, że metalowa kulka będzie mogła lewitować pod rdzeniem. Układ sterujący umieszczony zostanie na radiatorze, który pełniąc funkcje podstawy, będzie jednocześnie chłodził podzespoły tj. tranzystory. Natomiast czujnik optyczny przymocowany zostanie do ceowników.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Lewitację magnetyczną można zrealizować na kilka różnych sposobów. Najlepsze efekty wizualne uzyskalibyśmy, stosując elektroma­gnes z nadprzewodnika. My sięgnęliśmy po o wiele prostszy sposób stworzenia systemu lewitacji magnetycznej. Systemu, w którym odpowiedni czujnik śledzi położenie obiek­tu lewitującego w polu magnetycznym elek­tromagnesu. W naszym projekcie rolę czujnika odgrywa bariera pod­czerwieni, monitorują­ca aktualne położenie kulki. Schemat bloko­wy urządzenia znajduje się, na rysunku poniżej. Układ wykorzystuje dwa czujniki podczer­wieni, którymi są foto­tranzystory. Pierwszy z nich tworzy, wraz z diodą nadawczą IRED, prostą barierę śledzącą położenie kulki. Drugi bada poziom oświetlenia zewnętrznego, co jest konieczne, gdyż wokół nas znajduje się wiele źródeł promieniowania podczerwonego (np. słońce, żarówki itp.) zakłócające pracę bariery.

Rysunek 2. Schemat blokowy urządzenia.

W sytuacji, gdy dioda nadawcza bariery jest wyłączona (lub zasłonięta), na wejściach wzmacniacza różnicowego występują takie same napięcia, czyli wzmoc­nienie jest równe zeru. Układ po prostu nie reaguje na oświetlenie z zewnątrz. Dopiero różnica napięć spowodowana oświetleniem czujnika bariery powoduje pojawienie się napięcia różnicy na wyjściu wzmacniacza. Taki prosty sposób jest bardzo skuteczny w eliminacji zakłóceń. Nie ma konieczności stosowania uciążliwych filtrów czy modulacji światła diody IRED. Na dodatek bez problemu w barierze można zastosować zwykłą diodę LED.

Na schemacie ideowym dioda Dl wraz z fototranzystorem T2 tworzą barie­rę podczerwieni. W obwodzie diody nadawczej znajduje się dodatkowy potencjometr PR1 służący do regulacji intensywności świe­cenia, co może wydawać się nieco dziwne, ponieważ moc tracona w rezystorze Rl jest znaczna. Przy uruchamianiu całego systemu taka możliwość regulacji okazuje się jednak zbawienna ze względu na zmienne warunki oświetlenia zewnętrznego. W emiterze Tl także umieszczono dodatkowy potencjometr PR1, dzięki któremu położenie, a co za tym idzie poziom oświetlenia Tl nie jest tak kry­tyczne, bo w każdej chwili możemy wyregu­lować jego czułość. Tranzystory te podłączo­ne są do wtórników operacyjnych U1A, U1B (USl), które zapewniają odpowiednie dopaso­wanie. Kolejny stopień (U2A) to najzwyklej­szy wzmacniacz różnicowy o wzmocnieniu równym stosunkowi R7/R4. Sygnał z bariery został podany na wejście nieodwracające U2A, by działanie układu było bardziej oczy­wiste (gdy odsłaniamy barierę, to napięcie rośnie i odwrotnie, gdy zasłaniamy - to male­je). Na wyjściu U2A znajduje się filtr, od któ­rego zależy stabilność naszego układu. Bada on aktualne położenie i prędkość kulki. Poprzez dobór wartości rezystancji R8 i R9 oraz pojemności Cl możemy zmieniać prze­pustowość filtru, a co za tym idzie wzmoc­nienie i tłumienie danej częstotliwości. Dzięki temu, gdy kulka wpada w drgania, są one natychmiast gaszone szybką reakcją C1.

Dobór wartości tych elementów zależy przede wszystkim od częstotliwości drgań i może być wyliczony lub dobrany ekspery­mentalnie. Jako że jest to układ pasywny sygnał na wyjściu zostaje zredukowany [G=R9/(R9+R8)=O,5], więc trafia następnie do U2B, gdzie zostaje wzmocniony i bez problemu steruje bramką MOSFET-a mocy T8. Bezpośrednio do drenu przyłączona jest cewka elektromagnesu zabezpieczona przed przepięciami diodą D2.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Elektromagnes - urządzenie służące do wytwarzania pola magnetycznego. Ma postać cewki osadzonej (nawiniętej) na rdzeniu z materiału silnie magnetycznie czynnego – ferromagnetyka. Przepływ prądu elektrycznego przez cewkę wytwarza pole magnetyczne,

które magnesuje rdzeń, ulegając tym samym znacznemu wzmocnieniu; gdy prąd przestaje płynąć, pole cewki znika, rdzeń rozmagnesowuje się i elektromagnes przestaje być źródłem pola magnetycznego.

Zwojnica, przez która płynie prąd elektryczny wykazuje właściwości magnetyczne. Jej działanie można wzmocnić przez umieszczenie wewnątrz rdzenia wykonanego ze stali miękkiej. W ten sposób otrzymujemy elektromagnes. Zwiększenie liczby zwojów zwojnicy lub zwiększenie natężenia prądu również wzmacnia działanie elektromagnesu.

Elektromagnes użyty do realizacji zjawiska lewitacji magnetycznej został wykonany z rdzenia o średnicy 25 [mm] (wyciągnięty ze starego głośnika) oraz cewki o średnicy 0,7 [mm] i oporności wewnętrznej 2,9 [W]. Takie parametry pozwalają przyciągnąć metalową kulkę o wadze 10 [g] już z odległości 35 [mm].

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------