CN108580030A - 一种以非接触方式约束非抗磁性物质的系统及约束方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以非接触方式约束非抗磁性物质的系统及约束方法，通过两块磁体N极和S极结构和运动形成的特定磁场，以特定规则运动来实现三维等效局域高场，从而实现非抗磁性物质的非接触约束。通过使该磁场按照一定规则运动，某个位置的磁感应强度将维持相对恒定，而其他特定位置的磁感应强度随时间变化高低不同，高场时，比恒定磁感应强度位置磁场高，低场时，比恒定磁感应强度位置磁场低，但总体的平均效果是，恒定磁感应强度位置的磁感应强度高于四周磁感应强度，即为等效的局域高场。本发明提供的对非抗磁性物质实现非接触约束的方法，原理简单，容易实现，弥补了现有对非抗磁性物质非接触约束技术的不足。

Description

一种以非接触方式约束非抗磁性物质的系统及约束方法

技术领域

本发明属于物理领域，一种涉及一种以非接触方式约束非抗磁性物质的系统及约束方法。

背景技术

非接触约束已经越来越多地用于生活以及科研工作当中，如磁悬浮列车加速了人类生活的脚步，拉近了人与人之间的距离；在科研方面，非接触约束可以用于蛋白晶体的无容器悬浮生长，提高蛋白质晶体质量；非接触约束还可以用于地面模拟太空悬浮环境等。在地面实现非接触约束的方法包括磁悬浮、声悬浮、气动悬浮、静电悬浮等。其中声悬浮受温度等影响较大，气动悬浮稳定性较差，静电悬浮对样品的带电量和悬浮电压有严格的要求，而磁悬浮利用永磁场或电磁场对样品产生磁场力对样品进行稳定的悬浮约束，产生悬浮力较强，是应用较为普遍的非接触约束技术。

目前已有对物质的磁悬浮约束主要集中在抗磁悬浮，即利用磁场对抗磁性物质进行悬浮。其主要原理是抗磁性物质对磁场有排斥作用，因此在磁场中，抗磁性物质会向磁场最弱的方向运动，最终停留在弱磁场区。而在空间制造一个局域低磁场区域很容易，如两块N-N的磁铁中间就会形成可以非接触约束抗磁性物质的弱磁场区。但针对非抗磁性物质，特别是铁磁性物质，迄今尚无公开技术可以实现其在空间环境中(无介质，或介质的磁化系数等于或小于待约束的非抗磁性物质的磁化系数)的非接触约束。主要原因是：非抗磁性物质受磁场的吸引，要实现非抗磁性物质的非接触约束，需要在三维空间中形成局域高场。但在三维空间中，固定的静态磁场由于磁场本身特性(磁力线不相交)，无论是电磁场还是永磁场，磁场的最高点都在磁体本身，无法实现三维空间的局域高场。因此，迄今尚未发展出实现非接触约束非抗磁性物质的方法。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种以非接触方式约束非抗磁性物质的系统及约束方法，针对目前缺少对非抗磁性物质实现非接触约束的问题。

技术方案

一种以非接触方式约束非抗磁性物质的系统，其特征在于包括两块任意形状的磁体；两块磁体分别为N极和S极，并置于同一轴线上；相对的一面为平面，平面上设有一个槽；所述两块磁体的形状、大小一致。

在两块磁体相对的一侧为导磁材料，形成导磁和磁体一体的结构；两个相对导磁材料的平面上设有一个槽；所述导磁材料的形状、大小一致。

所述槽的形状为碗状，半球状，球状，空心圆柱状。

所述磁体采用永磁体。

所述导磁材料采用铁。

所述非抗磁性物质是顺磁、超顺磁、铁磁、反铁磁或亚铁磁物质。

一种利用所述以非接触方式约束非抗磁性物质的系统进行非接触方式约束非抗磁性物质的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将两块磁体有槽的一端面对面安装固定；

步骤2：将非抗磁性物质放置于两磁体之间；

步骤3：驱动两块磁体，以两块磁体之间的中轴为中心进行旋转，非抗磁性物质被约束在两块磁体旋转后磁场中的某个位置。

所述磁体采用导磁和磁体一体的结构。

有益效果

本发明提出的一种以非接触方式约束非抗磁性物质的系统及约束方法，通过两块磁体N极和S极结构和运动形成的特定磁场，以特定规则运动来实现三维等效局域高场，从而实现非抗磁性物质的非接触约束。所述特定磁场通过特殊形状的磁体或特殊形状的导磁材料或磁体和导磁材料的结合实现，在两块N-S安装的磁体相对的一端挖上一定尺寸的槽或在两块磁体相对的一端安装挖有槽的导磁材料。由该方法设计的磁场在空间能找到一个点的磁场强度在较多的一维直线方向上是高磁场区。通过使该磁场按照一定规则运动，某个位置的磁感应强度将维持相对恒定，而其他特定位置的磁感应强度随时间变化高低不同，高场时，比恒定磁感应强度位置磁场高，低场时，比恒定磁感应强度位置磁场低，但总体的平均效果是，恒定磁感应强度位置的磁感应强度高于四周磁感应强度，即为等效的局域高场。本发明提供的对非抗磁性物质实现非接触约束的方法，原理简单，容易实现，弥补了现有对非抗磁性物质非接触约束技术的不足。

本发明提供了一种非接触约束非抗磁性物质的方法，该方法原理简单，容易实现。弥补了现有对非抗磁性物质非接触约束技术的不足。

附图说明

图1是实施例1和5所用磁体横截面图

图2是实施例1和5所用磁体三维图

图3是实施例2所用磁体横截面图

图4是实施例2所用磁体三维图

图5是实施例3所用磁体和导磁材料横截面图

图6是实施例3所用磁体和导磁材料三维图

图7是实施例4所用磁体和导磁材料横截面图

图8是实施例4所用磁体和导磁材料三维图

图9是两块圆柱形N-S磁体中间磁场强度分布侧视图

图10是本发明两磁体或导磁材料中间磁场强度分布侧视图

图中，1—磁体；2—非抗磁性物质非接触约束位置；3—旋转轴；4—导磁材料；5—磁体或磁体与导磁材料；6—磁场强度高于非抗磁性物质非接触约束位置磁场强度的区域；7—磁场强度低于非抗磁性物质非接触约束位置磁场强度的区域。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

通过特殊形状的磁体或特殊形状的导磁材料或磁体和导磁材料的结合实现，在两块N-S安装的磁体相对的一端挖上一定尺寸的槽或在两块磁体相对的一端安装挖有槽的导磁材料。

上述槽的形状包括但不仅限于碗状，半球状，球状，空心圆柱状。

上述磁体包括但不仅限于永磁体。

上述导磁材料包括但不仅限于铁。

通过对特定磁场的特定规则运动，实现三维等效局域高场，达到非接触约束非抗磁性物质的目的。由该方法设计的磁场在空间能找到一个点的磁场强度在较多的一维直线方向上是高磁场区。通过使该磁场按照一定规则运动，能在空间形成三维等效局域高场，可以非接触约束非抗磁性物质。

所描述的非抗磁性物质包括但不仅限于顺磁、超顺磁、铁磁、反铁磁和亚铁磁物质。

非接触约束环境包括但不仅限于微重力和中性浮力环境。

实现约束的方法包括以下步骤：

第一步：制备特殊形状的磁体或磁体和导磁材料。

第二步：安装固定准备好的磁体与导磁材料。安装固定方式不定，可以但不限于将磁体和导磁材料安装在能调节间距的丝杠滑台上。

第三步：使磁体或磁体与导磁材料绕垂直于磁体或导磁材料中间连线的轴旋转。旋转的方式可以顺时针旋转或逆时针旋转，驱动旋转的方式可以但不限于使用电机驱动。

第四步：将非抗磁性物质放置于两磁体中间固定不动(非抗磁性物质分散在溶剂中或将整个装置放置于如微重力环境的特定环境中)，调节磁体和导磁材料的旋转速度，非抗磁性物质将非接触约束在俩磁体或导磁材料中间。

图1-8是具体实施例中磁体或磁体与导磁材料的形状与排布图。

图9是两块圆柱形N-S磁体中间磁场强度分布侧视图，图中的浅灰色区域6是磁场强度高于非抗磁性物质非接触约束位置2磁场强度的区域，白色区域7是磁场强度低于非抗磁性物质非接触约束位置2磁场强度的区域。

图10是本发明两磁体或导磁材料中间磁场强度分布侧视图，图中的浅灰色区域6是磁场强度高于非抗磁性物质非接触约束位置磁场强度的区域，白色区域7是磁场强度低于非抗磁性物质非接触约束位置磁场强度的区域。

上述图9为常见两块N-S磁体中间的磁场分布侧视图，图10为本发明两磁体或导磁材料中间磁场强度分布侧视图。通过比较可以发现本发明设计的磁场磁场强度低于非抗磁性物质非接触约束位置磁场强度的区域更大。

实施例1：

第一步：制备如图1和图2所示的两块磁体，即在一块圆柱形磁体的N极挖一个半球状的槽，另一块圆柱形磁体的S极挖一个半球状的槽。

第二步：将准备好的两块磁体有槽的一端面对面安装固定，安装固定方式不定，可以但不限于将磁体安装在能调节间距的丝杠滑台上。

第三步：调节好两块磁体间距，使磁体绕旋转轴3旋转，驱动旋转的方式可以但不限于使用电机驱动。

第四步：将四氧化三铁纳米颗粒分散在酒精溶液中，然后放置于两磁体中间固定不动，调节磁体绕旋转轴的旋转速度为70转/分，一分钟后，四氧化三铁颗粒约束在非抗磁性物质非接触约束位置2。

实施例2：

第一步：制备如图3和图4所示的两块磁体，即在一块方形磁体的N极挖一个半球状的槽，另一块方形磁体的S极挖一个半球状的槽。

第二步：将准备好的两块磁体有槽的一端面对面安装固定，安装固定方式不定，可以但不限于将磁体安装在能调节间距的丝杠滑台上。

第三步：调节好两块磁体间距，使磁体绕旋转轴3旋转，驱动旋转的方式可以但不限于使用电机驱动。

第四步：将铝粉纳米颗粒分散在水中，然后放置于两磁体中间固定不动，调节磁体绕旋转轴的旋转速度为5转/分，30秒后铝粉颗粒约束在非抗磁性物质非接触约束位置2。

实施例3：

第一步：制备如图5和图6所示的两块磁体和两块导磁材料，即两块圆柱形磁体和一端挖有一个半球状槽的导磁材料。

第二步：将准备好的磁体与导磁材料按照图5所示安装，两块磁体相对极为N-S。将导磁材料和磁体安装固定，安装固定方式不定，可以但不限于将磁体和导磁材料安装在能调节间距的丝杠滑台上。

第三步：调节好两块导磁材料之间间距，使磁体绕旋转轴3旋转，驱动旋转的方式可以但不限于使用电机驱动。

第四步：将MnZn(Fe₂O₄)₂分散在水中，然后放置于两磁体中间固定不动，调节磁体和导磁材料绕旋转轴的旋转速度为5000转/分，一分钟后，MnZn(Fe₂O₄)₂约束在非抗磁性物质非接触约束位置2。

实施例4：

第一步：制备如图7和图8所示的两块磁体和两块导磁材料，即两块圆柱形磁体和两块空心圆柱导磁材料。

第二步：将准备好的磁体与导磁材料按照图7所示安装，两块磁体相对极为N-S。将导磁材料和磁体安装固定，安装固定方式不定，可以但不限于将磁体和导磁材料安装在能调节间距的丝杠滑台上。

第三步：调节好两块导磁材料之间间距，使磁体绕旋转轴3旋转，驱动旋转的方式可以但不限于使用电机驱动。

第四步：将装置放入微重力环境中，调节磁体和导磁材料绕旋转轴的旋转速度为200转/分，将MnO纳米颗粒洒在两导磁材料中间，两分钟后，MnO纳米颗粒非接触约束在非抗磁性物质非接触约束位置2。

实施例5：

第一步：制备如图1和图2所示的两块磁体，即在一块圆柱形磁体的N极挖一个半球状的槽，另一块圆柱形磁体的S极挖一个半球状的槽。

第二步：将准备好的两块磁体有槽的一端面对面安装固定，安装固定方式不定，可以但不限于将磁体安装在能调节间距的丝杠滑台上。

第三步：调节好两块磁体间距，使磁体绕旋转轴3旋转，驱动旋转的方式可以但不限于使用电机驱动。

第四步：将装置放入微重力环境中，调节磁体和导磁材料绕旋转轴的旋转速度为8000转/分，将铁粉颗粒洒在两导磁材料中间，90秒后，铁粉颗粒非接触约束在非抗磁性物质非接触约束位置2。

Claims (8)

1.一种以非接触方式约束非抗磁性物质的系统，其特征在于包括两块任意形状的磁体；两块磁体分别为N极和S极，并置于同一轴线上；相对的一面为平面，平面上设有一个槽；所述两块磁体的形状、大小一致。

2.根据权利要求1所述以非接触方式约束非抗磁性物质的系统，其特征在于：在两块磁体相对的一侧为导磁材料，形成导磁和磁体一体的结构；两个相对导磁材料的平面上设有一个槽；所述导磁材料的形状、大小一致。

3.根据权利要求1或2所述以非接触方式约束非抗磁性物质的系统，其特征在于：所述槽的形状为碗状，半球状，球状或空心圆柱状。

4.根据权利要求1所述以非接触方式约束非抗磁性物质的系统，其特征在于：所述磁体采用永磁体。

5.根据权利要求1所述以非接触方式约束非抗磁性物质的系统，其特征在于：所述导磁材料采用铁。

6.根据权利要求1所述以非接触方式约束非抗磁性物质的系统，其特征在于：所述非抗磁性物质是顺磁、超顺磁、铁磁、反铁磁或亚铁磁物质。

7.一种利用权利要求1或3或4所述以非接触方式约束非抗磁性物质的系统进行非接触方式约束非抗磁性物质的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将两块磁体有槽的一端面对面安装固定；

步骤2：将非抗磁性物质放置于两磁体之间；

步骤3：驱动两块磁体，以两块磁体之间的中轴为中心进行旋转，非抗磁性物质被约束在两块磁体旋转后磁场中的某个位置。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述磁体采用导磁和磁体一体的结构。