磁悬浮理论研究(2)

普通磁悬浮又可分成两类，排斥悬浮和吸引悬浮。排斥悬浮有成品可买到，就是所谓的陀螺悬浮。其原理是用五块大磁铁（比如四角四块N极向上、中间一块S极向上）在悬浮空间上方产生一个磁场谷（对N极向下的悬浮磁铁周围排斥力强但中间弱），那么只要被悬浮磁铁的极性得到保持，就可以成功悬浮。但处于自由状态的磁铁会上下反转，把排斥力变成吸引力，结果悬浮就失败。解决这一问题的办法就是把悬浮磁铁做成陀螺，保证在运转期间极性不反转，这样才能悬浮起来。这个“玩具”我很早也买过，悬浮需要技巧，陀螺的重量要通过垫片调整到误差在0.1g之内才能悬浮，而且要求底座很平。

以上悬浮要么需要能量，要么需要不会持久保持的条件（超导的低温、陀螺的旋转），因此都不是永久悬浮方案。

最后一种，就是吸引悬浮。但吸引悬浮中，两块磁铁的吸引力基本上是与距离的平方成反比的，尽管吸力与重力有一个平衡点，但为非稳定平衡。

为了解决这一问题，需要用反磁性物质制造一个局部的稳定空间。

我先给出我的试验过程和结果，过一会儿再讲具体原理，并给出另一个制作实例。

1、花90元买来500克分析纯的铋粒。实际上用不了这么多，也用不着这么纯，但只有这个可买。

2、用不锈钢勺子在煤气灶上熔化铋（铋的熔点不算高，500多度C），用易拉罐的底做模具，做了两块铋锭。

3、相对钻上6个小孔，用三根适当长度的铜丝把两块铋锭架起来，中间留有空隙。把稀土磁铁放到中间。

4、在上面适当位置放上大磁铁，结果小磁铁悬浮了起来。

这个悬浮自然是稳定的，前后左右偏离达10mm，仍然可以复原。上下位置，由于有金属的限位自然跑不掉，但会自动居中。

工作原理

所谓（正）磁性，就是类似铁这样的物质，会被磁铁的N极或S极所吸引，而且基本上力的大小与距离的平方成反比。

所谓反磁性/逆磁性，会被磁铁排斥，或者说无论磁铁的N极或S极接近反磁性物质，都会产生排斥力，而且力的大小也基本上与距离的平方成反比。

铋是具备最强的反磁性的金属。当然，这个反磁性的大小还是比较弱的，甚至正常情况下很难观察到。我刚才用电子分析天平测量了一下，某稀土小磁铁在距离铋块0.5mm的位置上，排斥力只有0.05克力。而同样的磁铁距离铁块0.5mm的场合下有500g的吸引力，因此铋的反磁性的大小只有铁的正磁性的万分之一，因此这个装置也需要精心的设计和调整才能达到悬浮。

首先，磁铁的重力是靠上面的一块上下极性相反的大磁铁来平衡的。

其次，由于这个磁铁选的比较大，因此可以在距离比较远的情况下，其吸引力就可以与小磁铁的重力相等（平衡点）。而由于距离比较远，因此可以在小磁铁周围一个小范围内建立比较均匀的磁场，也就是说，当小磁铁上下少量移动时，吸引力的变化不至于过大。

第三，由于两块铋板的引入，使得小磁铁在靠近铋的时候排斥力很快增大，无论是向上靠近还是向下靠近（因为排斥力也基本上与距离的平方成反比），而这种排斥力随距离的变化大于上下磁铁之间吸引力的变化。因此，中间就成为一个稳定的平衡点。也可以这样来理解：由于铋的反磁性，如果在失重状态下把磁铁装到用铋做的空心盒里，那么磁铁将保持在中心。

最后，当小磁铁在水平方向上偏离中心位置后，由于上边磁铁吸引力的“悬挂”效应（类似单摆），会产生一个水平的向心分力，使得小磁体复原。这也是吸引悬浮的优势所在。

以上是一个初步的模型，后来我又就地取材，找了一段塑料水管，做了两只方便使用的成品。

主体结构采用外径20.5mm的塑料管，内径16mm，整个高度100mm（到底多高应先把材料凑齐，做试验确定），大磁铁一定要稀土的，我选的是直径15mm、高度20mm，有条件用更大的，或者用多个串联，塑料管也可以用大一号的，则铋锭间隙可以做得更大。用一个4mm的铁螺丝拧在焊了螺母的电路上盖板上（也可以在电路板上直接套丝）以便通过旋转来调节大磁铁的高度。铋锭的厚度大约3mm-4mm，不必太厚，是拆了一个小电解容器的铝壳做模子做的。由于铋凝固时膨胀，因此不容易取下，所以模子不能重复使用，可以拆两个电容同时铸造。模子的高度只取底部3mm高即可，太高了浇铸铋时不容易判断高度。安装前先在塑料管的适当位置开一个窗口（缝隙高度为5mm，大约占圆周的2/3），电路板和铋是靠热熔胶粘上去的。

制作初步完成后，最后的调整还是需要耐心的。最主要是两块铋的间距的调整。间距大一些效果好，但太大了则小磁体不是浮在上边就是沉底，此时就要减少间距，我的间距是3.5mm。如果热熔化胶已经凝固，可以用烙铁加热铋锭（不要太热）后就可以移动。大磁铁的上下调整倒是比较方便，直接调节螺丝就可以。小磁铁也要选稀土的，大小不限，都可以悬浮，但最好是1.5mm厚度左右的。

后面会进行进一步的实验探究，敬请期待。