磁悬浮大揭秘

作者: 《无线电》杂志

来源: 科普中国

发布日期: 2016-05-20

本文详细介绍了磁悬浮陀螺的原理及其发展历程,包括磁悬浮的三种原理和恩绍定理在磁悬浮稳定中的应用,以及如何通过旋转陀螺和交变磁场实现磁悬浮。

磁悬浮陀螺是一个非常好玩且物美价廉的玩具,它可以稳定地悬浮在半空中旋转。20多年前,美国发明怪人Roy Harrigan先生尝试让一块磁铁稳定地悬浮在另外一块磁铁之上,尽管这违背了恩绍定理,但他最终通过将小磁铁镶嵌在旋转的陀螺里解决了这个问题。玩过磁悬浮陀螺的朋友肯定了解这看似简单的想法要实践起来是非常困难的。首先要克服的第一个难题就是在磁铁底座上旋转小陀螺,因为在那里陀螺会受到非常大的翻转力矩。

掌握了旋转陀螺的秘笈后,需要小心翼翼地用透明塑料板将旋转中的陀螺抬高到悬浮位置。磁悬浮顾名思义,就是利用磁场,使得物体能够悬浮在空中。目前有三种原理可以使用。第一,自然物质中存在着一种天然抗磁性的物质(逆磁体),将这种物质放在磁场中,它将推开周围的磁场,从而在磁场中悬浮起来。第二,利用同性相斥的原理,将两块磁铁同极对在一起,没有足够克服磁场斥力的力量是无法将这两块磁铁压到一起的。

第三,超导抗磁性,处于超导状态下的物质由于迈斯纳效应将排斥周围所有的磁场,以确保自身的磁场不发生变化。磁悬浮的相关概念早在1922年就已经提出,但其研究过程却经历了差不多半个世纪才走上实际应用。其中最核心的一个问题就是磁悬浮的稳定。恩绍定理的理论是通过数学来表达的,这里可以通过一个小小的思想实验来说明一下在磁场中验证过程。答案还是有的,否则就不用在这里废话了。

恩绍定理的成立需要满足两个要求,一是单一,二是稳定。接下来我们通过两个实例分别来演示两种巧妙方法。第一种方法比较简单,只需要一大一小两块磁铁,把小磁铁放进一个空心的陀螺里,两块磁铁对在一起的磁极要相同,没有陀螺的话也可以用纸片和牙签做一个,但必须要足够结实并且能够旋转起来。

第二种方法是这里的主题,我们首先来想象一下,当一块小磁铁在出现失稳的瞬间,很显然它的S极和N极同时受到来自大磁铁的S极和N极的斥力和吸力,如果我们不加干预,自然最后小磁铁就翻了个吸在了大磁铁上。青蛙悬浮在空中是逆磁体悬浮的原理,陀螺悬浮在空中是通过交变磁场实现。两种迥异的磁悬浮方式,却有着异曲同工之妙,大自然热闹现象后面的门道值得我们深入探寻。

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