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小蜜蜂

磁悬浮盆栽一定要电力驱动吗,为什么做不到一块磁石稳定悬浮在另一块或一组磁石上空?



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不可以。恩绍定理()不允许仅靠永磁体实现稳定的悬浮,也不允许永磁体和软磁体实现悬浮。恩绍定理不禁止通过永磁体和抗磁性材料实现悬浮。像超导体就是理想的抗磁性材料,所以超导体可以很方便的悬浮在磁铁上,或者相反:

不过美中不足的是现有的超导体至少要在液氮的低温下才有超导性,所以还是需要不断补充液氮。当然你要是住在冥王星上可以无视这句话。

除了超导普通的物质只能产生微弱的抗磁性。抗磁性最强的就是石墨和铋。用热解石墨和现有的稀土磁铁也能勉强实现磁悬浮。这个勉强算不需要外界做功,实现长期稳定悬浮的办法。

还有一种折衷的办法,用永磁体提供支持力,而抗磁性材料提供修正力,也能实现稳定悬浮。恩绍定理并不禁止这种情况。如图就是用手指作为抗磁性材料(注意手指只是用来稳定磁铁,支持力由别的磁铁提供):

如果不要求完全不依赖外界做功,实现磁悬浮的办法就很多。最简单的就是用负反馈电路。用一块电磁铁下方悬吊一个铁球,悬吊可以消除横向不稳定性和倾斜不稳定性,只有一个纵向不稳定性需要人工补偿。用距离传感器控制线圈电流,距离太近就减小磁场,太远就提高磁场,就能实现稳定悬浮。市面上很多磁悬浮地球仪就是这个原理。这个原理也用在德国的磁悬浮列车上。

利用感应电流也可以实现悬浮。当磁体和导体发生相对运动时,会在导体内部感应出电流。根据楞次定律,这种感应电流产生的磁场方向总是阻碍这种相对运动。因此这种结构具有天然的稳定性。这种结构的好处是不需要该死的负反馈控制,只要外界不断做功维持运动,就可以稳定悬浮下去,而唯一的能耗仅仅是感应电流带来的,通过优化可以降到很低。这种原理可以用来做磁悬浮轴承,用于飞轮储能和人工心脏。日本的磁悬浮列车也是利用这种原理。

陀螺的自稳定性,市面上卖的悬浮陀螺“levitron”就是这个原理。利用环形磁铁产生的排斥力可以形成一个“势阱”,消除横向纵向不稳定性,但不能消除倾斜不稳定性。如果旋转起来就可以通过陀螺的自稳定性实现短暂的悬浮,最后陀螺会因为空气阻力失去稳定性。然而有人把levitron放进真空罩也不能长期转下去,最多维持个几分钟就掉下来。我不知道是因为陀螺减速还是因为别的不稳定性导致的。

对悬浮陀螺感兴趣的可以看看这篇论文 。我没学过刚体力学就不能为你解释了。

【其他评论】---------------------------------------------------------

简单用磁力线解释就是:如果要达到稳定的静态磁悬浮,需要磁力陷,但是磁力线永远是发散的,也就是受力最大的点永远在固体面上,

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恩肖定理(Earnshaw theorem)证明:静磁场,静电场,引力场这三者的任意组合,都不能使一个永久磁铁或者永久带电体达到稳定。

作用力像静态磁悬浮那样与距离的平方成反比,一个处于这样的静力场中的磁极是不可能取得稳定平衡的。

仅受电力作用的带电体,也不可能在一电场中静止地处于稳定平衡。系统必须存在假想的非静电力约束。因此导体内自由电荷必须到达边界由边界的非静电力约束才能稳定

一组麦克斯韦方程(Maxwell’s Equations)就把电磁场描述的准确精致。比麦克斯韦方程还早一些的时侯有一位数学家叫山姆?恩绍(Samuel Earnshaw),于1842年写了一篇论文,用数学方法证明静态磁悬浮不可能实现。这就是著名的恩绍大定理(Earnshaw’s theorem),后来被写进大学物理教程。大一的学生刚入道就会学到恩绍大定理。大二学到麦克斯韦方程发表后,对恩绍定理又有了新的理解,用麦氏方程的 语言来讲,磁力线是不发散的,在空间中没有极小植,这样磁场的斥力在空间就无稳定点。磁铁的斥力虽然能把重物托在空中却不能稳定,就好象用铅笔尖不能把铅 笔稳定地站在桌上。

各种磁悬浮技术介绍:

(1)电磁悬浮系统

(2)超导磁悬浮

(3)抗磁性悬浮:用永磁体悬浮起抗磁性物质,例如热解石墨或者金属铋

恩绍定理(Earnshaw's theorem)指出点粒子集不能被稳定维持在仅由电荷的静电相互作用构成的一个稳定静止的力学平衡结构。该定理首次被英国数学家塞缪尔•恩绍于1842年证明。该定理通常被用于磁场中,但该定理最初被应用于静电场中。该定理适用于经典平方反比定律的力(静电力和引力),同时也适用于磁铁和顺磁性材料或者其它任意组合(但非抗磁性材料)的磁场力。

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