Construire un léviter Disco Ball - IEEE Spectrum
Vidéo: W. Gibbs Wayt
En 1979, quand j'avais 11 ans et captivé par Star Wars. magnétisme a tenu un appel spécial. Ce fut la chose la plus proche dans le monde réel à « la force ». Donc, pour notre cinquième année projet scientifique, un ami et j'enveloppé le ciseau de fer de mon père avec fil pour faire un électro-aimant. Lorsqu'il est connecté à une batterie de lanterne, il a attrapé, repoussé, et filé aimants à barres comme par magie. Mais quand nous sommes arrivés curieux et branché dans une prise murale, la pop résultante et bouffée de fumée produit une secousse inoubliable.
L'expérience a suscité une fascination durable avec le magnétisme. Alors, quand mon fils Liam, contemplant quoi faire pour sa propre foire scientifique de cinquième année, a suggéré de faire un gizmo de lévitation magnétique, j'irrésistiblement à l'idée.
Le projet est avéré être étonnamment difficile. Dans un premier temps, nous avons envisagé un certain circuit simple qui ferait un vaisseau spatial miniature de Star Trek (en fait un ornement d'arbre de Noël) avec vol stationnaire sans aucune condition. Comment pourrait-il être difficile?
J'ai trouvé un électro-aimant nominale pour 6 watts dans un magasin en ligne pour 15 $ US; un ensemble de 10 aimants bouton Néodyme était de 10 $. Je me suis dit que nous avions simplement passer l'électro-aimant à une poutre, colle un des aimants de terres rares au centre de gravité du navire jouet, puis rectifiez manuellement le courant à la bobine de l'électro-aimant jusqu'à ce que l'attraction lévitation entre les aimants exactement équilibrés la force de gravité.
Alors que Liam et un ami ont construit une structure de support comme potences de briques Lego, j'ai commencé maquettage le circuit. Il me est apparu que je devais faire une recherche rapide sur Internet pour les circuits de sustentation. Et c'est quand je me suis cogné la tête contre le théorème de Earnshaw.
Il y a environ 175 ans de Samuel Earnshaw a prouvé que chaque fois que des objets produisent inverses carrés forces comme avec magnétisme il n'y a pas de point statique dans l'espace où l'équilibre des forces d'une manière stable. Le système tune-it-and-forget-il que j'avais envisagé serait impossible.
Heureusement, le génie électrique intelligent a triomphé où échoue la physique brute. Plus la recherche tournée des conceptions pour les circuits de lévitation, toutes les variations sur un thème: Au lieu de fixer le pouvoir de l'électro-aimant, vous utilisez un capteur de position pour régler rapidement ce. Lorsque l'aimant se rapproche de la bobine plane, les chutes de tension; car il chute loin, augmente la force de l'électro-aimant.
Pour notre première tentative, nous nous sommes installés sur une conception qui mesure la proximité de l'aimant permanent à l'électro-aimant en utilisant des capteurs à effet Hall montés sur le haut et le bas de la bobine de l'électro-aimant. L'électro-aimant est alimenté par un courant modulé en largeur d'impulsion. Une puce op-amp soustrait la sortie des deux capteurs pour obtenir une tension qui mesure la force du champ provenant de l'aimant permanent flottant au-dessous de la bobine. Un deuxième amplificateur opérationnel compare ce signal à une tension de référence qui définit la distance à laquelle l'aimant devrait osciller. Toute différence entre la tension de signal et de référence est envoyé comme signal d'erreur à un modulateur de largeur d'impulsion KA7500C. qui ajuste la puissance du moteur à la bobine à environ 10 kilohertz pour contrer l'erreur.
Images: W. Wayt Gibbs mettre ensemble: Le cas de lumière nocturne a été conçu en utilisant un logiciel de conception assistée par ordinateur et 3-D imprimé [haut]. L'électro-aimant qui fait léviter la boule disco miniature est commandé par un kit [milieu]. Un col de cygne de microphone a été réorientés pour soutenir une LED multicolore qui fournit l'éclairage [fond].
Avec le système intégré, nous avons mis en place notre table à la foire scientifique. La bobine était trop faible pour suspendre quoi que ce soit autre que l'aimant lui-même (donc pas de vaisseau spatial Star Trek), mais il a travaillé à presque. Si je continuais un doigt doucement toucher le côté de l'aimant permanent, il a plané pendant une minute à la fois. Mais sans cette touche de stabilisation, minuscules vacille rapidement devenus grands vacille et secoua l'aimant lâche.
Retour à la maison, je résolus de le faire sans travail de stabilisation des doigts et de plus pour faire quelque chose d'utile de celui-ci. Les autres flashes de mémoire des années 1970 une source d'inspiration: Je voudrais faire un far-out, lévitation, changeant de couleur, soirée disco-lumière. Ouais, bébé!
Un mini-boule disco était facile à trouver (il semble y avoir aucun objet que les gens ne rétrécit pas et accrocher un arbre de Noël). Les carreaux de miroir sont collés sur une sphère de mousse de polystyrène; J'ai simplement hors fouillait quelques tuiles, percé le noyau, inséré trois aimants néodyme, puis remplacé les tuiles. Une LED multicolore. avec une télécommande sans fil pour sélectionner l'un des quatre programmes de transition couleur groovy, était 4 $ (y compris l'expédition de Hong Kong). Je l'ai monté sur un col de cygne de microphone et visant à endroit où la balle serait planer.
Aucun des circuits homebrew j'ai trouvé en ligne était forte, stable et assez efficace pour garder une boule disco 40 grammes suspendu toute la nuit sans surchauffe ou ajustement quotidien. Mais j'ai trouvé le succès avec le système plus Maglev. un kit vendu pour 73 $ par Zeltom.
Contrairement aux dessins que j'avais construit à partir de zéro, le circuit de Zeltom utilise un seul capteur à effet Hall, et il repose sur un microprocesseur PIC préprogrammé pour ajuster dynamiquement la puissance de la bobine, plutôt que de lier ensemble deux amplis op à un modulateur d'impulsions. Le PIC a intégré dans la mémoire flash; un trio de boutons permet de vous accorder le circuit à la masse particulière et de la distance que vous voulez léviter puis stocker ce paramètre. J'ai travaillé toute la journée et dans le tout soudure de nuit sur la carte de circuit, brancher la lampe, l'alimentation, et un interrupteur d'alimentation, et en utilisant Tole à la mode un cas difficile pour le gadget en métal en feuille mince.
Autour de 2 heures je l'ai branché et renversé le commutateur. En tenant la boule miroir d'environ 2 centimètres au-dessous de la bobine, je retenais mon souffle. Je pouvais entendre sur mon épaule Obi-Wan: « Utiliser la Force, Luke. Lâchez. » Je l'ai fait.
Il était comme en feuilletant un générateur de funk. La pièce remplie de projections tourbillonnantes de déplacement magenta à tangerine puis céruléen. L'effet est hypnotique.
Lorsque Liam rembourré dans la cuisine, les yeux rougis, le lendemain matin, la balle était toujours suspendue dans l'espace libre, tordant doucement çà et là. Rien ne chauffait, mais la laideur de l'affaire me dérangeait. Alors j'ai téléchargé programme gratuit 123D Design AutoCAD et en esquissant une recherche appropriée de haute tech- cas. J'ai téléchargé le fichier cabinet d'impression 3-D Shapeways. et deux semaines plus tard, une enceinte élégante, bleu, 140 $ en plastique est arrivé à ma porte. Comme par magie.
Cet article a paru dans la presse comme « Disco Fever ».
A propos de l'auteur
W. Wayt Gibbs, qui brassait sa propre encre conductrice dans son dernier IEEE Spectrum how-to, revient à créer une bille magnétique qui discothèque flottante, il utilise tous les soirs quand il tamise la lumière pour regarder la télévision. Gibbs dit des projets de bricolage présentent un défi unique aux écrivains scientifiques, qui traitent normalement des concepts à un niveau supérieur: « Il n'y a pas moyen de vous BS dans un projet comme celui-ci. Vous devez comprendre tout le chemin vers le bas « .