PL226865B1 - Przyrzad dobadania lewitacji wpolu magnetycznym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przyrząd do badania lewitacji w polu magnetycznym, mający zastosowanie w laboratoriach fizycznych, szczególnie do doświadczeń interaktywnych w eksperymentariach.

Znany jest układ do badania lewitacji w polu magnetycznym opisany w książce Francisa Moon'a pod tytułem „Superconducting levitation, Applications to bearings and magnetic transportation”, wydanej przez wydawnictwo Wiley and Sons w Nowym Jorku w 1993 r., który składa się z ferromagnetycznego rotora w kształcie walca osadzonego na poziomej osi. Powyżej i poniżej tego rotora znajdują się dwa elektromagnesy złożone z uzwojeń nawiniętych na rdzeniach w kształcie litery C, których ramiona zwrócone są w stronę cylindrycznej powierzchni rotora. Uzwojenia zasilane są z zasilacza prądu stałego, który sterowany jest czujnikiem umieszczonym przy osi rotora. Zasada działania znanego układu polega na tym, że rotor napędzany przez czynnik zewnętrzny lewituje w szczelinie powietrznej odpychany przez elektromagnesy. Szerokość tej szczeliny regulowana jest prądem zasilania elektromagnesów, którego natężenie zadawane jest przez czujnik i zasilacz, pracujące w pętli sprzężenia zwrotnego.

Z tej samej książki Francisa Moon'a znany jest układ do badania lewitacji pociągu na tak zwanej poduszce magnetycznej. W układzie tym wagony pociągu mają zaokrąglone podwozia, zwrócone wypukłością ku dołowi, do których przymocowane są magnesy trwałe. W torowisku pod wagonem znajdują się natomiast elektromagnesy z uzwojeniami nadprzewodnikowymi, które podczas przepływu przez nie prądu odpychają magnesy w podwoziach i powodują lewitację wagonów. Ponadto w torowisku umieszczone są załączane sekwencyjnie elektromagnesy oddziałujące z magnesami w podwoziu i nadające wagonom ruch postępowy.

Z książki Andrzeja Szewczyka, Andrzeja Wiśniewskiego, Romana Pużniaka i Henryka Szymczaka, zatytułowanej „Magnetyzm i nadprzewodnictwo”, wydanej przez Państwowe Wydawnictwa Naukowe w Warszawie w 2012 r. znany jest układ do badania lewitacji w polu magnetycznym, w którym w naczyniu z ciekłym azotem została umieszczona prostopadłościenna próbka wysokotemperaturowego, nadprzewodnika, ochłodzona poniżej temperatury krytycznej. Nad tą próbką lewituje magnes w kształcie walca. Lewitacja zachodzi przy tym wskutek odpychania magnesu przez pole magnetyczne, wytwarzane przez prądy indukowane w próbce nadprzewodnika.

Układ do badania lewitacji w polu magnetycznym znany jest także z książki Szczepana Szczeniowskiego pod tytułem „Fizyka doświadczalna, Część III, Elektryczność i magnetyzm”, wydanej przez Państwowe Wydawnictwa Naukowe w Warszawie w 1972 r. Składa się on z pionowo ustawionej cewki, zaopatrzonej w wystający z niej ku górze ferromagnetyczny rdzeń, na który nałożony został pierścień o małej oporności elektrycznej, wykonany z nieferromagnetycznego metalu. Cewka zasilana jest prądem przemiennym, co powoduje wytworzenie pola magnetycznego, indukującego prądy elektryczne w pierścieniu. W wyniku odpychającego oddziaływania indukowanych prądów z polem magnetycznym cewki zachodzi lewitacja pierścienia.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że przyrząd do badania lewitacji w polu magnetycznym zawiera kołową, poziomą tarczę wykonaną z nieferromagnetycznego przewodnika o małym oporze elektrycznym, korzystnie z miedzi lub aluminium i osadzoną na pionowej osi silnika elektrycznego prądu stałego, korzystnie bocznikowego. Nad tarczą, wzdłuż jej średnicy, umieszczonych jest w równych odległościach od siebie, co najmniej pięć cylindrycznych, przezroczystych i otwartych od góry pojemników o równych wysokościach, wykonanych korzystnie z polimetakrylanu metylu, przy czym liczba pojemników jest nieparzysta, a skrajne pojemniki znajdują się w pobliżu brzegu tarczy, zaś pojemnik środkowy jest nad jej osią obrotu. Na dnie każdego z pojemników leży jeden cylindryczny magnes trwały, namagnesowany wzdłuż jego osi podłużnej, a jednoimienne bieguny magnesów zwrócone zostały w tę samą stronę i oznaczone tym samym kolorem - północne korzystnie kolorem niebieskim, zaś południowe bieguny korzystnie kolorem czerwonym oraz magnesy wykonane są korzystnie ze spieku żelaza, neodymu i boru. Średnice magnesów są jednakowe, natomiast średnice wewnętrzne pojemników znajdujących nad jednym z promieni tarczy i nad jej osią obrotu są większe o 5% od przekątnej przekroju osiowego magnesów, natomiast średnice wewnętrzne zewnętrznych pojemników są większe o 5% od średnicy magnesów. Pojemniki od góry przymocowane są do poziomej, listwy, zaopatrzonej na końcach w otwory, przez które przechodzą pionowe prowadnice, zaś listwa pośrodku ma otwór, w którym znajduje się dolny koniec pionowej śruby, przy czym koniec ten nie ma gwintu i posiada wciśnięty na niego pierścień zabezpieczający, umieszczony pod listwą. Górny koniec śruby zaopatrzony został w pokrętło i śruba wkręcona jest w gwintowany otwór pośrodku poPL 226 865 B1 ziomej belki przymocowanej na końcach do wierzchołków prowadnic. Pozioma listwa, prowadnice, śruba i pierścień zabezpieczający wykonane są z materiału nieferromagnetycznego. Dolne końce prowadnic osadzone zostały w podstawie przyrządu, do której przymocowane są silnik elektryczny prądu stałego, opornik regulacyjny, bateria zasilająca oraz wyłącznik i przełącznik kierunku obrotów silnika, zaopatrzony w styki proste i styki skrzyżowane, umieszczone na elektroizolacyjnym suwaku.

Głównymi zaletami przyrządu do badania lewitacji w polu magnetycznym według wynalazku są łatwy i bezpieczny sposób zmiany istotnych czynników, wpływających na zdolność lewitacji oraz możliwość zbadania czynników, powodujących również ruch obrotowy podczas lewitacji.

Przyrząd do badania lewitacji w polu magnetycznym według wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 pokazuje widok przyrządu z boku wraz ze schematem połączeń elektrycznych, a fig. 2 pokazuje widok przyrządu.

Przyrząd do badania lewitacji w polu magnetycznym zawiera kołową, poziomą tarczę 1, wykonaną z miedzi osadzoną na pionowej osi 2 bocznikowego silnika elektrycznego 3 prądu stałego. Nad tarczą 1, wzdłuż jej średnicy, umieszczonych jest pięć cylindrycznych, przezroczystych i otwartych od góry pojemników 4, 5, 6, 7, 8 o równych wysokościach, wykonanych z polimetakrylanu metylu, przy czym skrajne pojemniki 4, 8 znajdują się przy brzegu tarczy 1, zaś pojemnik środkowy 6 jest nad jej osią obrotu 2. Na dnie każdego z pojemników 4, 5, 6, 7, 8 leży jeden z cylindrycznych magnesów trwałych 9, 10, 11, 12, 13 namagnesowany wzdłuż jego osi podłużnej, a północne bieguny magnesów zwrócone zostały ku górze i oznaczone kolorem niebieskim, zaś południowe bieguny kolorem czerwonym. Magnesy wykonane są ze spieku żelaza, neodymu i boru. Średnice wewnętrzne pojemników wewnętrznych 6, 7, 8, znajdujących nad jednym z promieni tarczy 1 i nad jej osią obrotu 2 są większe o 5% od przekątnej przekroju osiowego magnesów, natomiast średnice wewnętrzne pojemników zewnętrznych 4, 5 są większe o 5% od średnicy magnesów 9, 10, 11, 12, 13. Pojemniki od góry przymocowane są do poziomej, listwy 14, zaopatrzonej na końcach w otwory, przez które przechodzą pionowe prowadnice 15, 16, zaś listwa 14 pośrodku ma otwór, w którym znajduje się dolny koniec pionowej śruby 17 przy czym koniec ten nie ma gwintu i posiada wciśnięty na niego pierścień zabezpieczający 18, umieszczony pod listwą. Górny koniec śruby zaopatrzony został w pokrętło 19 i śruba 17 wkręcona jest w gwintowany otwór pośrodku poziomej belki 20, przymocowanej na końcach do wierzchołków prowadnic 15, 16. Pozioma listwa 14, prowadnice 15, 16, śruba 18 i pierścień zabezpieczający 19 wykonane są z materiału nieferromagnetycznego. Dolne końce prowadnic 15, 16 osadzone zostały w podstawie przyrządu 21, do której przymocowane są bocznikowy silnik elektryczny prądu stałego 3, opornik regulacyjny R, bateria zasilająca B o sile elektromotorycznej 12 V oraz wyłącznik W i przełącznik kierunku obrotów silnika, zaopatrzony w styki proste P i styki skrzyżowane S, umieszczone na elektroizolacyjnym suwaku 22.

Działanie przyrządu do badania lewitacji w polu magnetycznym polega na tym, że zamyka się wyłącznik W i ustawia suwak 22 w pozycji, w której proste styki P zwierają przewody doprowadzone do silnika 3, a suwak opornika regulacyjnego R ustawia w położeniu, dającym maksymalny opór włączony do obwodu. Zmniejszając suwakiem włączony opór, powoduje się wzrost natężenia prądu w obwodzie silnika i wprawienie tarczy 1 w ruch obrotowy. Przez to w obszarach tarczy, poruszających się pod magnesami 9, 10, 11, 12, 13 indukowane są prądy elektryczne o natężeniu zależnym od prędkości liniowej tych obszarów oraz o kierunku przepływu zgodnym z regułą Lenza i prądy te wytwarzają pole magnetyczne powodujące odpychanie magnesów 9, 10, 11, 12, 13 od tarczy. Magnesy 9, 10, znajdujące się pojemnikach 4, 5, unoszą się ponad dnem tych pojemników i lewitują na wysokości proporcjonalnej do odległości od osi tarczy, natomiast magnesy 11, 12, 13 umieszczone w pojemnikach 6, 7, 8 wykonują oprócz takiej samej lewitacji ruch obrotowy wokół osi poziomej, którego prędkość kątowa wzrasta wraz z odległością od osi traczy. Magnes 11 znajdujący się nad osią 2 pozostaje na dnie pojemnika 6 podczas wszystkich eksperymentów, wskutek zbyt małej prędkości liniowej poruszającego się pod nim obszaru tarczy. Przesuwając suwak 22 opornika regulacyjnego R w kierunku zmniejszenia oporu włączonego do obwodu, powoduje się wzrost prędkości obrotów silnika 3 oraz wzrost wysokości lewitacji i prędkości obrotu magnesów 9, 10, 12, 13. Zwiększenie włączonego oporu przez przesunięcie suwaka opornika w przeciwną stronę powoduje zmniejszenie wysokości lewitacji i prędkości obrotu magnesów 9, 10, 12, 13. Odwrócenie kierunku wirowania tarczy 1 przez przesunięcie suwaka przełącznika 22 do pozycji, w której przewody doprowadzone do silnika 3 zwierane są przez styki skrzyżowane S pozwala pokazać, że wysokość lewitacji i szybkość obrotu magnesów 9, 10, 12, 13 nie zależą od kierunku obrotu tarczy 1, natomiast kierunek wirowania magnesów 12, 13 zmienia się na przeciwny. Pokręcając śrubą 17 za pomocą pokrętła 19 podczas obrotów traczy 1 powoduje się odda4

PL 226 865 B1 lanie lub zbliżanie pojemników 4, 5, 6, 7, 8 z magnesami 9, 10, 11, 12, 13 do tarczy 1, co skutkuje odpowiednio zmniejszeniem lub zwiększeniem wysokości lewitacji i szybkości obrotów magnesów 9, 10, 12, 13 wskutek zmiany sił ich oddziaływania z tarczą 1.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Przyrząd do badania lewitacji w polu magnetycznym zawierający podstawę, do której przymocowane są silnik elektryczny prądu stałego, opornik regulacyjny, bateria zasilająca oraz wyłącznik i przełącznik kierunku obrotów silnika, zaopatrzony w styki proste i styki skrzyżowane, umieszczone na elektroizolacyjnym suwaku, znamienny tym, że ma kołową, poziomą tarczę (1), wykonaną z nieferromagnetycznego przewodnika o małym oporze elektrycznym i osadzoną na pionowej osi (2) silnika elektrycznego prądu stałego (3), przy czym nad tarczą (1), wzdłuż jej średnicy, umieszczonych jest w równych odległościach od siebie co najmniej pięć cylindrycznych, przezroczystych i otwartych od góry pojemników (4, 5, 6, 7, 8) o równych wysokościach, przy czym liczba pojemników jest nieparzysta, a skrajne pojemniki (4, 8) znajdują się w pobliżu brzegu tarczy (1), zaś pojemnik środkowy (6) jest nad jej osią obrotu (2), przy czym na dnie każdego z pojemników (4, 5, 6, 7, 8) leży jeden cylindryczny magnes trwały (9, 10, 11, 12, 13), namagnesowany wzdłuż jego osi podłużnej, a jednoimienne bieguny magnesów zwrócone zostały w tę samą stronę i oznaczone tym samym kolorem, a ponadto średnice magnesów (9, 10, 11, 12, 13) są jednakowe, natomiast średnice wewnętrzne pojemników wewnętrznych (6, 7, 8), znajdujących nad jednym z promieni tarczy (1) i nad jej osią obrotu (2) są większe o 5% od przekątnej przekroju osiowego magnesów, natomiast średnice wewnętrzne pojemników zewnętrznych (4, 5) są większe o 5% od średnicy magnesów (9, 10, 11, 12, 13), a oprócz tego pojemniki (4, 5, 6, 7, 8) od góry przymocowane są do poziomej listwy (14), zaopatrzonej na końcach w otwory, przez które przechodzą pionowe prowadnice (15, 16), zaś listwa pośrodku ma otwór, w którym znajduje się dolny koniec pionowej śruby (17), przy czym koniec ten nie ma gwintu i posiada wciśnięty na niego pierścień zabezpieczający (18), umieszczony pod listwą (14), natomiast górny koniec śruby (17) zaopatrzony jest w pokrętło (19) i śruba (17) wkręcona jest w gwintowany otwór pośrodku poziomej belki (20), przymocowanej na końcach do wierzchołków prowadnic (15), (16), przy czym pozioma listwa (14), prowadnice (15, 16), przy czym śruba (17) i pierścień zabezpieczający (18) wykonane są z materiału nieferromagnetycznego, natomiast dolne końce prowadnic (15, 16) osadzone zostały w podstawie przyrządu (21).
2. 2. Przyrząd do badania lewitacji w polu magnetycznym według zastrz. 1, znamienny tym, że tarcza (1) wykonana jest korzystnie z miedzi lub z aluminium.
3. 3. Przyrząd do badania lewitacji w polu magnetycznym według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że silnik (3) jest korzystnie bocznikowy.
4. 4. Przyrząd do badania lewitacji w polu magnetycznym według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że pojemniki (4, 5, 6, 7, 8) wykonane są z polimetakrylanu metylu.
5. 5. Przyrząd do badania lewitacji w polu magnetycznym według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4, znamienny tym, że magnesy (9, 10, 11, 12, 13) wykonane są ze spieku żelaza, neodymu i boru.