Как установить Diamag 2 на ПК

Обновлено: 01.07.2024

Теорема Эрншоу утверждает, что «совокупность точечных зарядов не может поддерживаться в стабильном стационарном равновесии исключительно за счет электромагнитного взаимодействия зарядов». Другими словами, никакое расположение постоянных магнитов, независимо от их полярности, силы или расположения, не может привести к магнитной левитации (если только не используются такие приемы, как гироскопическая стабилизация, геометрическое ограничение по одной оси и/или электронное управление с обратной связью). )

Эрншоу был портом спорта!

К счастью, здесь есть лазейка — диамагнетизм. Некоторые материалы отталкивают все магнитные поля (хотя и очень слабо), и этот эффект действительно можно использовать для создания непрерывной магнитной левитации без необходимости в электронике или источниках питания.

Висмут обычно используется для подобных экспериментов. Это один из самых диамагнитных материалов, с которым довольно легко работать (он плавится при 271 градусе Цельсия, чего можно достичь на кухонной плите), и он достаточно нетоксичен, чтобы быть активным ингредиентом пепто-бисмола. При цене около 70 долларов за кг на eBay это не так уж и дешево, но и не так дорого, как золото или платина, поэтому оно доступно большинству ученых-любителей. При правильной настройке диамагнитные свойства висмута можно использовать для создания постоянной левитации магнитов без источника питания или ПИД-регулятора.

Неодимовый магнит парит в воздухе! (Нажмите, чтобы увеличить.)

Увидев в Интернете интересную статью о том, как заставить работать диамагнитную левитацию, я купил на eBay фунт (около 450 г) довольно чистого висмута и зашел в магазины Lowe’s и Radio Shack за несколькими деталями, которых у меня не было. (Мне действительно нужен дом, где я мог бы иметь должным образом оборудованную лабораторию. Отсутствие висмута понятно, но не иметь под рукой кольцевых магнитов или стержня с резьбой 10-24 смущает.) Вот что нужно для проекта левитации. :

Около 300 г достаточно чистого металлического висмута (купленный мной кусок имел чистоту 99 % и работал нормально);
Небольшой легкий неодимовый магнит. (Я использовал один из «маленьких дисков» в наборе неодимовых магнитов от ThinkGeek);
Несколько керамических кольцевых магнитов (я использовал две упаковки по 5 штук из Radio Shack);
Длина (приблизительно 30 см) резьбового стержня 10–24;
Две шестигранные гайки, три шайбы и барашковая гайка для резьбового стержня;
Проектная коробка или другой корпус (для удержания кольцевых магнитов над висмутом);
Что-то, чтобы держать диски висмута отдельно друг от друга (я использовал две стопки по три монеты в каждой).
Три чистые пустые алюминиевые банки.
Печь, способная нагреваться до 300 градусов по Цельсию или около того. (Висмут плавится при температуре около 271,5°C, но я обнаружил, что при 450°C он плавится легче. Алюминий хорош до 660°C, так что держитесь значительно ниже этой температуры. Вы можете использовать кухонную плиту, если у вас нет духовки. доступно.)
Слесарные щипцы, если используется печь.
Фрезерный станок или, по крайней мере, напильник/инструмент Dremel/наждачная бумага, чтобы выровнять литые висмутовые диски.

Во-первых, подготовьте две пустые алюминиевые банки; снимите поп-топы и переверните их вверх дном. (Расплавленный висмут будет залит в углубления.)

Затем отрежьте нижнюю часть третьей банки (оставьте от половины до 2/3 банки прикрепленными ко дну; вы будете использовать это как тигель).

Поместите слиток висмута на дно банки и используйте печь, чтобы нагреть его, пока он не расплавится. (В отличие от большинства других веществ, кроме воды, твердый висмут менее плотный, чем жидкий, и должен плавать, поэтому должно быть легко увидеть, когда он полностью расплавится.)

Готов расплавить висмут. (Нажмите, чтобы увеличить.)

Используя щипцы, осторожно выньте банку из печи и залейте расплавленный висмут в углубления в двух других алюминиевых банках. Дайте им остыть (не забудьте поставить тигель для банок на термостойкую поверхность, пока он остывает).

Отлитый висмут, затвердевающий в алюминиевых формах. (Нажмите, чтобы увеличить.)

После того, как висмут и банки остынут до комнатной температуры, вытащите висмут. Висмут хрупок, поэтому будьте осторожны, чтобы не сколоть его слишком сильно. (Я счел необходимым разрезать банки и разорвать их достаточно, чтобы выпустить висмут.)

Отшлифуйте, отшлифуйте, напильником или иным образом сгладьте диски, не делая их слишком тонкими. Они будут лучше отражать магнитное поле, если будут плоскими. У тех, которые я сделал изначально, был пик около центра, который нужно было сгладить с помощью инструмента Dremel. Я планирую разрезать их на следующей неделе.)

Далее пришло время собрать проект. Вот обзорное изображение, чтобы дать представление о том, что вы делаете:

Вся установка, магниты и все такое. (Нажмите, чтобы увеличить.)

Наденьте кольцевые магниты на резьбовой стержень и закрепите их шестигранными гайками и шайбами на каждом конце. Они должны проходить почти на одном конце стержня, оставляя ровно столько стержня, чтобы гарантировать, что гайка не оторвется. (Это не очень критично, вы можете оставить несколько миллиметров, и все будет работать нормально.)

Накрутите еще одну шестигранную гайку, а затем шайбу на стержень сверху. Опустите их туда, где находятся магниты. Вырежьте отверстие в верхней части коробки или корпуса, достаточно большое для стержня. Используя барашковую гайку и другую шайбу, подвесьте стержень примерно на 20 см над дном коробки.

В этот момент возьмите небольшой неодимовый магнит и отметьте, какая сторона притягивается к концу магнитного стержня; этот конец должен быть направлен вверх. (Постарайтесь не дать ему запрыгнуть на стержень, неодимовые диски хрупкие.)

Поместите один висмутовый диск плоской стороной вверх на дно коробки по центру под стопкой магнитов. Поместите монеты или другие прокладки по краям диска, оставив достаточно места в центре, чтобы магнит диска мог свободно плавать.

Поместите неодимовый магнит на висмутовый диск. Осторожно опустите второй висмутовый диск плоской стороной вниз на прокладки.

Теперь, чтобы настроить его. В этот момент магнит должен лежать на нижнем висмутовом диске (гравитация тянет его вниз с большей силой, чем магнитная сила кольцевых магнитов плюс диамагнитное отталкивание нижнего диска вверх). Очень осторожно начните вращать резьбовой диск. стержень, чтобы медленно опустить стопку магнитов к висмутовым дискам. Вы должны увидеть, как дисковый магнит начинает немного «танцевать», затем поднимается на одном конце, затем, в конце концов, полностью покидает нижний диск и парит в воздухе. Если вы переусердствуете или если висмутовые диски будут слишком далеко друг от друга, диск может пропустить фазу «плавания» и удариться о верхний диск. Если это так, немного отпустите магниты, чтобы диск опустился ниже. Если вы не можете найти настройку, при которой диск плавает, уменьшите расстояние между висмутовыми пластинами.

Вот видео о том, как завершенный проект делает свое дело, даже когда его слегка обдувают сжатым воздухом и тыкают палкой (немагнитной!)…

Развлекайтесь! Если у вас есть вопросы, отправьте мне электронное письмо ("eric" в этом домене).

Происхождение магнетизма связано со спиновым движением электронов и их взаимодействием друг с другом. Описание того, как материалы реагируют на магнетизм, является наилучшим подходом к представлению различных видов магнитных материалов. Возможно, вы удивитесь, узнав, что вся материя магнитна. Основное отличие состоит в том, что одни материалы обладают более высокой магнитной проницаемостью, чем другие. Их различает степень взаимодействия между магнитными моментами. Некоторые материалы не имеют коллективного взаимодействия атомных магнитных моментов, в то время как другие имеют сильное взаимодействие атомных магнитных моментов.

Классификация магнитных материалов

Ферромагнетики – материалы, которые сильно притягиваются к магнитным материалам. Никель, кобальт и железо — вот лишь некоторые из его примеров.
Парамагнитные – материалы, которые слабо притягиваются к магнитным материалам. Например, молибден, литий и магний.
Диамагнетики – материалы, не притягивающиеся к магнитным полям. Золото, вода, ртуть, висмут и медь — вот лишь некоторые из его примеров.

Что такое диамагнитные материалы?

Помещенные в магнитное поле, диамагнетики — это материалы, которые свободно намагничиваются. Намагниченность, с другой стороны, находится в направлении, противоположном магнитному полю. Диамагнетизм — это термин, обозначающий магнетизм, проявляемый некоторыми материалами.

Магнит обычно отталкивает диамагнитные материалы. Технически эти твердые тела создают индуцированное магнитное поле в направлении, противоположном внешнему магнитному полю, и отталкиваются от него. Поведение парамагнетиков прямо противоположно этому явлению. Магнитные поля создаются орбитальным движением электронов на атомах диамагнетиков, что образует небольшие петли атомного тока. Когда материал подвергается внешнему магнитному полю, эти токовые петли имеют тенденцию выстраиваться таким образом, чтобы противодействовать приложенному полю.

Поскольку все электроны в диамагнетиках связаны, постоянный суммарный магнитный момент на атом отсутствует.Диамагнитные характеристики возникают в результате перестройки путей электронов из-за воздействия внешнего магнитного поля. В результате все материалы со спаренными электронами обладают диамагнитными характеристиками.

Свойства диамагнитных материалов

Диамагнетики не имеют атомных диполей, потому что результирующий магнитный момент каждого атома равен нулю из-за спаренных электронов.
Магнит сопротивляется диамагнитным материалам.
Поскольку поле отталкивает вещества очень слабо, они имеют тенденцию мигрировать из сильной в слабую область внешнего магнитного поля в неоднородном поле.
Сила намагниченности (I) – это крошечное отрицательное число, пропорциональное магнитному полю.
Магнитная восприимчивость незначительна и крошечна.
Коэффициент проницаемости несколько меньше единицы.
Температура не влияет на диамагнетики. Закон Кюри на эти материалы не распространяется.
При подвешивании в однородном магнитном поле стержень из диамагнитного материала останавливается так, что его длина перпендикулярна направлению поля, потому что поле максимально на полюсах.
В U-образной трубке диамагнитная жидкость давит на конечность между полюсами магнита.
Магнитный дипольный момент крошечный и поляризован в направлении, противоположном направлению магнитного поля H.
Если диамагнитную жидкость поместить в часовое стекло между двумя полюсными наконечниками, расположенными очень близко друг к другу, жидкость скапливается по бокам, а в центре, где поле наибольшее, появляется углубление.
Когда жидкость наливается на часовое стекло, помещенное над двумя полюсными наконечниками, находящимися на подходящем расстоянии друг от друга (большем, чем в предыдущем примере), жидкость собирается в середине, где поле самое слабое.
Индуцированный дипольный момент, вызванный сдвигом орбитального движения электронов в атомах под действием приложенного поля, является источником диамагнетизма.

Применение диамагнетических материалов или диамагнетизма

Поскольку диамагнетизм — это, по сути, выброс магнитных полей внутри материала, мощные диамагнитные материалы могут левитировать или левитировать магниты, если они достаточно сильны и достаточно велики. Диамагнитная левитация пиролитического графита над постоянными неодимовыми магнитами показана на диаграмме ниже.
Диамагнитный отклик в сверхпроводниках не оставляет внутренних магнитных полей, как показано на рисунке ниже. Эффект Мейснера описывает, как некоторые материалы могут легко левитировать в присутствии мощного постоянного магнита, как показано на диаграмме выше.
Сверхпроводники с высокими температурами (-100 K), с другой стороны, изготавливаются из необычных материалов, которые требуют дорогостоящей обработки и криогенных жидкостей для достижения сверхпроводящего состояния.
Сверхпроводник (синий цвет) на рисунке ниже излучает все свои внешние магнитные поля, которые называются идеальными диамагнетиками.

Важные моменты, которые следует помнить

Диамагнетизм существует во всех материалах и не зависит от температуры, но из-за того, что этот эффект настолько слаб по сравнению с парамагнетизмом и ферромагнитными эффектами, его часто упускают из виду.

Газы, жидкости и твердые тела могут проявлять диамагнетизм.

Сверхпроводники. Сверхпроводники представляют собой диамагнитные материалы с объемной восприимчивостью χ_v = − 1 (безразмерные). Они обладают полным диамагнитным экранированием и могут быть классифицированы как идеальные диамагнетики, поскольку излучают все магнитные поля.

Эффект Мейснера. Когда постоянный магнит помещается рядом со сверхпроводником, сверхпроводящий материал генерирует ток, который полностью противодействует магнитному полю постоянного магнита. Сверхпроводник излучает приложенное магнитное поле, в результате чего внутри его поле становится нулевым. В состоянии Мейснера сверхпроводник действует как идеальный диамагнетик.

Примеры проблем

Задача 1. Почему диамагнитная восприимчивость отрицательна?

Решение:

Поскольку электронные пары в диамагнетиках все вместе, полных спинов нет. Магнитное поле этих материалов направлено в направлении, противоположном приложенному магнитному полю. Диамагнетик имеет низкую отрицательную восприимчивость, что означает, что он диамагнетик.

Проблема 2. Является ли вода естественным образом диамагнитной? Почему?

Решение:

Согласно распространенному мнению, вода диамагнитна. В диамагнитных соединениях встречаются только электронные пары. Вода, с другой стороны, включает в себя две связывающие пары электронов между атомами водорода и кислорода, а также две неподеленные пары электронов в атоме кислорода. В парамагнитных соединениях существует по крайней мере один неспаренный электрон. Когда молекула содержит нечетное количество электронов, что-то происходит (как в NO).Это также может произойти, когда несколько молекул имеют четное число электронов (как в O2). Как мы видим, вода отталкивает магнит. Это происходит потому, что любое магнитное поле вблизи воды создает свое собственное магнитное поле, отталкивая магнит, явление, известное как диамагнетизм.

Задача 3. Что такое диамагнитные материалы?

Решение:

Диамагнетики сопротивляются магнитному полю так же, как внешнее магнитное поле отталкивает его, но они также создают индуцированное магнитное поле в противоположном направлении, что приводит к возникновению силы отталкивания.

Задача 4: Диамагнитное вещество нагревается от 200 до 450 градусов Цельсия. Что такое изменение диамагнитной восприимчивости?

Ответ:

Температура не влияет на диамагнитную восприимчивость, поэтому нагревание материала не повлияет на его диамагнитную восприимчивость.

Задача 5. Приведите несколько примеров диамагнитных веществ.

Решение:

Медь, цинк, висмут, серебро, золото, сурьма, мрамор, вода, стекло, NACL и другие диамагнитные соединения — это лишь несколько примеров.

В настоящее время материаловеды и специалисты по спектроскопии ядерного магнитного резонанса имеют легкий доступ к сильным магнитным полям примерно в 10 Тл, создаваемым сверхпроводящими магнитами. Неодимовые магниты, которые генерируют магнитные поля примерно в 1 Тл, легко доступны для лабораторного использования и широко используются в повседневной жизни, например, в мобильных телефонах и электромобилях. Такой общий доступ к магнитным полям — неожиданный 30 лет назад — помог исследователям открыть новые магнитные явления и использовать их для обработки диамагнитных материалов. Хотя диамагнетизм хорошо известен, только в течение последних 30 лет исследователи применили магнитную обработку к различным классам диамагнитных материалов, таких как керамика, биоматериалы и полимеры. Магнитные эффекты, о которых мы здесь сообщаем, в значительной степени связаны с магнитной силой, магнитным крутящим моментом и магнитной энтальпией, которые, в свою очередь, напрямую вытекают из четко определенной магнитной энергии. Примером более сложного магнитного эффекта является ориентация кристаллических полимеров в приложенном магнитном поле; исследователи еще не до конца понимают механизм кристаллизации. Наш обзор в основном посвящен полимерным материалам. Темы исследований, такие как магнитное влияние на хиральное распознавание, интересны, но выходят за рамки нашей компетенции. Просмотр полного текста

Ключевые слова: магнитная сила; магнитный момент; разделение; манипулирование частицами и формирование паттернов; кристаллизация; магнитное диполь-дипольное взаимодействие; ориентация; левитация; магнитная сила термодинамики; магнитный момент; разделение; манипулирование частицами и формирование паттернов; кристаллизация; магнитное диполь-дипольное взаимодействие; ориентация; левитация; термодинамика

Эта статья находится в открытом доступе и распространяется в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы

Поделитесь и цитируйте

Чикагский/Турабский стиль

Обратите внимание, что начиная с первого выпуска 2016 года в журналах MDPI вместо номеров страниц используются номера статей. Подробнее см. здесь.

Читайте также: