Bauen Sie eine Schwebende Disco-Kugel - IEEE Spectrum
Video: W. Wayt Gibbs
Im Jahr 1979, als ich 11 und begeistert von Star Wars. Magnetismus hielt einen besonderen Reiz. Es war die nächste Sache, in der realen Welt „die Kraft.“ Also für unser fünfte Klasse wissenschaftlichen Projekt, ein Freund und ich meines Vaters Eisenmeißel mit Draht umwickelt, um einen Elektromagnet zu machen. Wenn an einer Laterne Batterie verbunden, packte sie, zurückgeschlagen, und versponnen Stabmagneten wie Magie. Aber als wir neugierig und steckte es in eine Steckdose, die sich ergebende Pop und Rauchwolke erzeugt einen unvergesslichen Ruck.
Die Erfahrung löste eine anhaltende Faszination mit Magnetismus. Also, wenn mein Sohn Liam, was erwägt, für seine eigene fünfte Klasse Science Fair zu machen, eine Magnetschwebebahn Gizmo macht vorgeschlagen wurde ich unwiderstehlich auf die Idee gezogen.
Das Projekt erwies sich als überraschend schwierig. Zunächst vorgesehen wir einige einfache Schaltung, die ein Miniatur-Raumschiff aus Star Trek machen würde (eigentlich ein Christbaumschmuck) schwebt nicht an Bedingungen geknüpft. Wie schwer kann es sein?
Ich fand einen Elektromagneten für 6 Watt bei einem Online-Shop für US $ 15 bewertet; ein Satz von 10 Neodym-Magneten Button war $ 10. Ich dachte, wir würden nur die Elektromagneten von einem Balken hängen, eines der seltenen Erden-Magneten auf den Schwerpunkt des Spielzeugschiffes kleben, und dann manuell einstellen, den Strom zwischen den Magneten bis zur Levitation Anziehungskraft des Elektromagneten der Spule fließt, exakt ausgeglichen die Schwerkraft.
Während Liam und ein Freund eine galgenartige Stützstruktur aus Legosteinen gebaut, begann ich die Schaltung Versuchsaufbau. Es dämmerte mir, ich sollte eine schnelle Web-Suche für Levitation Schaltungen tun. Und das ist, wenn ich meinen Kopf gegen Earnshaw Theorem stieß.
Über vor 175 Jahren, Samuel Earnshaw bewiesen, dass überall dort, wo Objekte statisch inverses Quadrat Kräfte-als produzieren, werden mit Magnetismus gibt keinen Punkt im Raum ist, wo die Kräfte Gleichgewicht in einer stabilen Art und Weise aus. Das Melodie-it-and-Forget-it System, das ich in Betracht gezogen hätte, wäre unmöglich.
Glücklicherweise hat sich klug Elektrotechnik triumphierte, wo Brute Physik versagt. Mehr Entwürfe für Schwebe Schaltungen aufgedreht Suchen, ein Thema, das alle von ihnen Variationen: Eher die Stromversorgung des Elektromagneten als Befestigung, verwenden Sie einen Positionssensor, um es schnell einzustellen. Da der Schwebemagneten annähert, die Spule, die Leistungseinbrüche; wie es fällt weg, wird der Elektromagnet Stärke erhöht.
Für unseren ersten Versuch, entschieden wir uns für ein Design, das die Nähe des Permanentmagneten an die Elektromagneten unter Verwendung Hall-Effekt-Sensoren montiert auf der Ober- und Unterseite des Elektromagneten der Spule misst. Der Elektromagnet wird durch einen pulsbreitenmodulierter Strom versorgt. Ein Operationsverstärker-Chip subtrahiert die Ausgabe der beiden Sensoren um eine Spannung zu erhalten, die die Stärke des Feldes des Permanentmagneten unter der Spule floating Ursprung misst. Ein zweiter Operationsverstärker vergleicht dieses Signal mit einer Referenzspannung, die den Abstand, bei dem der Magnet setzt schweben soll. Jede Differenz zwischen dem Signal und der Referenzspannung wird als Fehlersignal an einen KA7500C Pulsbreitenmodulator gesendet. welches passt die Leistung an die Spule bei etwa 10 Kilohertz, den Fehler zu begegnen.
Bilder: W. Wayt Gibbs Putting es zusammen: Der Nachtlicht-Fall wurde entwickelt, Computer-Aided Design-Software und 3-D gedruckt [top] verwenden. Der Elektromagnet, der die Minidiscokugel schwebt durch einen Kit [Mitte] gesteuert. Ein Mikrofon wurde Gooseneck umfunktioniert eine mehrfarbige LED zu unterstützen, die Beleuchtung liefert [unten].
Mit dem System gebaut, setzten wir unseren Tisch an der Wissenschaftsmesse auf. Die Spule war zu schwach, etwas anderes als die Magneten zu suspendieren selbst (also kein Star Trek Raumschiff), aber es funktionierte-fast. Wenn ich einen Finger vorsichtig berührt die Seite des Permanentmagneten gehalten wird, schwebte es für eine Minute zu einem Zeitpunkt. Aber ohne diese stabilisierende Berührung, winzige Wackler wurde schnell große wackelt und schüttelte den Magneten verlieren.
Wieder zu Hause, ich beschlossen, es Arbeit sans Stabilisierung zu machen Finger und darüber hinaus etwas Nützliches aus ihm zu machen. Andere Blitze Speicher aus den 1970er Jahren zur Verfügung gestellt Inspiration: Ich würde ein weit aus, Levitation, Farbwechsel, Disco Nachtlicht machen. Yeah, Baby!
Eine Mini-Disco-Kugel leicht zu finden war (es scheint keine Rolle zu sein, dass die Menschen nicht auf einem Weihnachtsbaum schrumpfen und hängen). Die Spiegelplatten werden auf eine Styroporkugel geklebt; I einfach einige Fliesen abgehebelt, gebohrt, um den Kern aus, eingeführt drei Neodymmagnete und ersetzt dann die Fliesen. Eine mehrfarbige LED. komplett mit einer drahtlosen Fernbedienung für jede der vier groovy farb Übergang Programme, war $ 4 (einschließlich Versand von Hong Kong) auswählen. Ich bestieg es mit einem Mikrofon Schwanenhals und zielte auf die Stelle, wo der Ball schweben würde.
Keiner der Haus brauen Schaltungen Ich fand online waren stark, stabil und effizient genug, um eine Disco-Kugel 40-Gramm suspendiert zu halten die ganze Nacht lang ohne Überhitzung oder tägliche Anpassung. Aber ich fand Erfolg mit dem Maglev Plus System. ein Kit für $ 73 von Zeltom verkauft.
Im Gegensatz zu dem Design von Grunde auf neu gebaut hatte, verwendet Zeltom die Schaltung nur eine Hall-Sensor, und es basiert auf einem vorprogrammierten PIC Mikroprozessor, um dynamisch die Spulenleistung anzupassen, anstatt zu binden zusammen ein paar Operationsverstärker mit einem Pulsmodulator. Der PIC hat eingebauten Flash-Speicher; ein Trio von Drucktasten können Sie tune die Schaltung an die jeweilige Masse und Entfernung Sie schweben zu lassen wollen, und dann diese Einstellung speichern. Ich arbeitete Tag hindurch und bis in die Nacht Löten alles auf die Leiterplatte, die Lampe, Stromversorgung, und einen Netzschalter Einhaken und mit Blechschere einen groben Fall für das Gadget aus dünnem Blech zu gestalten.
Rund um 2.00 Uhr eingesteckt ich es in und um den Schalter umgedreht. die Spiegelkugel etwa 2 cm unterhalb der Spule zu halten, hielt ich den Atem an. Ich konnte Obi-Wan über die Schulter hören: „Verwenden Sie die Kraft, Luke. Lassen Sie los.“Also tat ich.
Es war an einem Funk-Generator wie Spiegeln. Der Raum mit wirbelnden Spritzern von Magenta Verschiebung zu Mandarine gefüllt und dann Cerulean. Der Effekt war hypnotisch.
Wenn Liam in die Küche aufgefüllt, übernächtigt, am nächsten Morgen, als der Ball hängt noch im freien Raum, sanft zu verdrehen und her. Nichts wurde Überhitzung, aber die Hässlichkeit des Falles störte mich. Also habe ich heruntergeladen kostenlos 123D Design-Programm AutoCAD und skizziert eine entsprechend hoch tech- schauenden Fall aus. Ich lud die Datei auf 3-D Druckerei Shapeways. und zwei Wochen später ein schlankes, blau, $ 140 Kunststoffgehäuse kamen vor meiner Haustür. Wie von Zauberhand.
Dieser Artikel erschien ursprünglich in gedruckter Form als „Disco Fever“.
Über den Autor
W. Wayt Gibbs, der seine eigene leitfähige Tinte in seinem letzten IEEE Spectrum gebraut How-to, gibt eine magnetische Schwebe Disco-Kugel-zu schaffen, er jeden Abend benutzt, wenn er das Licht zum Fernsehen dimmt. Gibbs sagt DIY-Projekte eine einzigartige Herausforderung für die Wissenschaft Autoren präsentieren, die in der Regel in Konzepte auf einer höheren Ebene beschäftigen: „Es gibt keine Möglichkeit, sich durch ein Projekt wie dieses nach BS. Sie müssen verstehen, es den ganzen Weg bis auf den Boden.“