磁懸浮的原理及制作

磁懸浮想法由來已久，就是用磁力克服重力讓物體懸空，但真正做起來并不容易，主要原因是沒有穩(wěn)定的平衡點。要達到懸浮，必須是穩(wěn)定的懸浮。也就是說，用一個力（或位移）在任何方向上（上下左右前后等）來（?。_動被懸浮物，都會有一個恢復力，使得外力撤消后重新恢復平衡。

我見過的磁懸浮可以分成有源的和無源的兩大類，前者比如反饋式的，用光電、磁電等手段檢測到被懸浮物體偏離正常懸浮點后，通過調(diào)節(jié)電磁鐵的電流來使得物體保持在懸浮點附近，因此需要用電。這樣的懸浮從道理上看，與開直升飛機懸停沒什么區(qū)別。

無源懸浮又分為超導懸浮和普通磁懸浮兩類，前者是靠超導體的完全抗磁性來達到的，超導體和磁體之間就像安裝了彈簧一樣。簡單說就是任何磁鐵在超導體附近的移動都會在超導體表面產(chǎn)生電流，而這個感生電流所產(chǎn)生的磁場阻礙磁鐵的運動，因此磁鐵就與超導體相對靜止。

普通磁懸浮又可分成兩類，排斥懸浮和吸引懸浮。排斥懸浮有成品可買到，就是所謂的陀螺懸浮。其原理是用五塊大磁鐵（比如四角四塊N極向上、中間一塊S極向上）在懸浮空間上方產(chǎn)生一個磁場谷（對N極向下的懸浮磁鐵周圍排斥力強但中間弱），那么只要被懸浮磁鐵的極性得到保持，就可以成功懸浮。但處于自由狀態(tài)的磁鐵會上下反轉(zhuǎn)，把排斥力變成吸引力，結(jié)果懸浮就失敗。解決這一問題的辦法就是把懸浮磁鐵做成陀螺，保證在運轉(zhuǎn)期間極性不反轉(zhuǎn)，這樣才能懸浮起來。這個“玩具”我很早也買過，懸浮需要技巧，陀螺的重量要通過墊片調(diào)整到誤差在0.1g之內(nèi)才能懸浮，而且要求底座很平。

以上懸浮要么需要能量，要么需要不會持久保持的條件（超導的低溫、陀螺的旋轉(zhuǎn)），因此都不是永久懸浮方案。

最后一種，就是吸引懸浮。但吸引懸浮中，兩塊磁鐵的吸引力基本上是與距離的平方成反比的，盡管吸力與重力有一個平衡點，但為非穩(wěn)定平衡。

為了解決這一問題，需要用反磁性物質(zhì)制造一個局部的穩(wěn)定空間。

我先給出我的試驗過程和結(jié)果，過一會兒再講具體原理，并給出另一個制作實例。

1、花90元買來500克分析純的鉍粒。實際上用不了這么多，也用不著這么純，但只有這個可買。

2、用不銹鋼勺子在煤氣灶上熔化鉍（鉍的熔點不算高，500多度C），用易拉罐的底做模具，做了兩塊鉍錠。

3、相對鉆上6個小孔，用三根適當長度的銅絲把兩塊鉍錠架起來，中間留有空隙。把稀土磁鐵放到中間。

4、在上面適當位置放上大磁鐵，結(jié)果小磁鐵懸浮了起來。

這個懸浮自然是穩(wěn)定的，前后左右偏離達10mm，仍然可以復原。上下位置，由于有金屬的限位自然跑不掉，但會自動居中。

工作原理

所謂（正）磁性，就是類似鐵這樣的物質(zhì)，會被磁鐵的N極或S極所吸引，而且基本上力的大小與距離的平方成反比。

所謂反磁性/逆磁性，會被磁鐵排斥，或者說無論磁鐵的N極或S極接近反磁性物質(zhì)，都會產(chǎn)生排斥力，而且力的大小也基本上與距離的平方成反比。

鉍是具備最強的反磁性的金屬。當然，這個反磁性的大小還是比較弱的，甚至正常情況下很難觀察到。我剛才用電子分析天平測量了一下，某稀土小磁鐵在距離鉍塊0.5mm的位置上，排斥力只有0.05克力。而同樣的磁鐵距離鐵塊0.5mm的場合下有500g的吸引力，因此鉍的反磁性的大小只有鐵的正磁性的萬分之一，因此這個裝置也需要精心的設(shè)計和調(diào)整才能達到懸浮。

首先，磁鐵的重力是靠上面的一塊上下極性相反的大磁鐵來平衡的。

其次，由于這個磁鐵選的比較大，因此可以在距離比較遠的情況下，其吸引力就可以與小磁鐵的重力相等（平衡點）。而由于距離比較遠，因此可以在小磁鐵周圍一個小范圍內(nèi)建立比較均勻的磁場，也就是說，當小磁鐵上下少量移動時，吸引力的變化不至于過大。

第三，由于兩塊鉍板的引入，使得小磁鐵在靠近鉍的時候排斥力很快增大，無論是向上靠近還是向下靠近（因為排斥力也基本上與距離的平方成反比），而這種排斥力隨距離的變化大于上下磁鐵之間吸引力的變化。因此，中間就成為一個穩(wěn)定的平衡點。也可以這樣來理解：由于鉍的反磁性，如果在失重狀態(tài)下把磁鐵裝到用鉍做的空心盒里，那么磁鐵將保持在中心。

最后，當小磁鐵在水平方向上偏離中心位置后，由于上邊磁鐵吸引力的“懸掛”效應(yīng)（類似單擺），會產(chǎn)生一個水平的向心分力，使得小磁體復原。這也是吸引懸浮的優(yōu)勢所在。

制作又一例

以上是一個初步的模型，后來我又就地取材，找了一段塑料水管，做了兩只方便使用的成品。

主體結(jié)構(gòu)采用外徑20.5mm的塑料管，內(nèi)徑16mm，整個高度100mm（到底多高應(yīng)先把材料湊齊，做試驗確定），大磁鐵一定要稀土的，我選的是直徑15mm、高度20mm，有條件用更大的，或者用多個串聯(lián)，塑料管也可以用大一號的，則鉍錠間隙可以做得更大。用一個4mm的鐵螺絲擰在焊了螺母的電路上蓋板上（也可以在電路板上直接套絲）以便通過旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)大磁鐵的高度。鉍錠的厚度大約3mm-4mm，不必太厚，是拆了一個小電解容器的鋁殼做模子做的。由于鉍凝固時膨脹，因此不容易取下，所以模子不能重復使用，可以拆兩個電容同時鑄造。模子的高度只取底部3mm高即可，太高了澆鑄鉍時不容易判斷高度。安裝前先在塑料管的適當位置開一個窗口（縫隙高度為5mm，大約占圓周的2/3），電路板和鉍是靠熱熔膠粘上去的。

制作初步完成后，最后的調(diào)整還是需要耐心的。最主要是兩塊鉍的間距的調(diào)整。間距大一些效果好，但太大了則小磁體不是浮在上邊就是沉底，此時就要減少間距，我的間距是3.5mm。如果熱熔化膠已經(jīng)凝固，可以用烙鐵加熱鉍錠（不要太熱）后就可以移動。大磁鐵的上下調(diào)整倒是比較方便，直接調(diào)節(jié)螺絲就可以。小磁鐵也要選稀土的，大小不限，都可以懸浮，但最好是1.5mm厚度左右的。