PL249290B1 - Przyrząd do pokazów lewitacji diamagnetyków w polu magnetycznym - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest przyrząd do pokazów lewitacji diamagnetyków w polu magnetycznym, mający zastosowanie podczas wykonywania doświadczeń. Przyrząd do pokazów lewitacji diamagnetyków w polu magnetycznym zawiera toroidalne naczynie, składające się z płaskiego dna (1) w kształcie poziomo usytuowanego pierścienia, łączącego się ze ścianką zewnętrzną (2) i ścianką wewnętrzną (3), które mają kształt współosiowych, pionowych cylindrów. Górny koniec ścianki zewnętrznej (2) jest zaopatrzony w gwint zewnętrzny i toroidalne naczynie jest zamknięte od góry pokrywą (4) w kształcie koła, mającą cylindryczne obrzeże 5, zaopatrzone w gwint wewnętrzny, umożliwiający wkręcenie pokrywy (4) na gwint zewnętrzny ścianki zewnętrznej (2). Toroidalne naczynie jest wykonane z materiału przezroczystego i nieferromagnetycznego, korzystnie z polimetakrylanu metylu. Wewnątrz toroidalnego naczynia, między jego ścianką zewnętrzną (2) i ścianką wewnętrzną (3) są umieszczone współosiowo dwa cylindryczne magnesy trwałe, to jest magnes zewnętrzny (6) i magnes wewnętrzny (7), namagnesowane w kierunku podłużnym i zwrócone biegunami jednoimiennymi w tę samą stronę. Między magnesami (6, 7) jest cylindryczna przestrzeń i dolną część tej przestrzeni wypełnia pierścieniowy magnes trwały (8), namagnesowany w kierunku radialnym i ze ściankami cylindrycznych magnesów (6, 7) łączą się przeciwne bieguny pierścieniowego magnesu (8). Górną część przestrzeni między cylindrycznymi magnesami (6, 7) wypełnia pierścień (9). W wolnej przestrzeni między pokrywą (4) i górnymi końcami cylindrycznych magnesów (6, 7) oraz górną powierzchnią pierścienia (9) znajduje się lewitująca próbka (10).

Description

Przedmiotem wynalazku jest przyrząd do pokazów lewitacji diamagnetyków w polu magnetycznym, mający zastosowanie podczas wykonywania doświadczeń fizycznych, zwłaszcza w celach edukacyjnych i popularnonaukowych.

Z podręcznika autorstwa Fritza Herlacha i Noboru Miury, zatytułowanego „High magnetic fields, Science and technology, Vol. 1, Magnet technology and experimental techniques” i wydanego przez Wydawnictwo World Scientific w New Jersey, Londynie, Singapurze, Szanghaju, Hong-Kongu, Taipei i Bangalore w 2003 r. jest znany układ, w którym kulista kropla wody, będącej cieczą diamagnetyczną, lewituje w silnym i niejednorodnym polu magnetycznym, wytwarzanym przez magnes Bittera. Lewitująca kropla znajduje się w obszarze nad górnym otworem tego magnesu, gdzie iloczyn indukcji pola magnetycznego i jego gradientu ma największą wartość.

Również z podręcznika autorstwa Michała Halaunbrennera pod tytułem „Ćwiczenia praktyczne z fizyki, kurs średni”, wydanego przez Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne w Warszawie w 1982 r. jest znany układ, w którym pierścień wykonany z aluminium został nałożony na rdzeń elektromagnesu o przekroju kwadratowym, skierowany pionowo i wykonany z pakietu blach stalowych. Na ten rdzeń jest również nałożona cewka, umieszczona poniżej pierścienia i zasilana prądem przemiennym o częstotliwości 50 Hz. Znajdujący się na rdzeniu pierścień aluminiowy lewituje nad cewką. Lewitacja zachodzi w wyniku oddziaływania pola magnetycznego z prądem płynącym w pierścieniu i indukowanym przez zmienne pole magnetyczne, wytwarzane przez cewkę.

Także z monografii autorstwa Francisa Moon’a, zatytułowanej „Superconducting levitation: applications to bearings and magnetic transportation” i wydanej przez Wydawnictwo Wiley and Sons w Nowym Jorku, Londynie i Singapurze w 1994 r. jest znany układ, w którym pojazd ma przymocowane do jego dolnej części uzwojenie wykonane z nadprzewodnika. Pojazd znajduje się nad prostoliniowym torem, zawierającym szereg cewek, umieszczonych jedna za drugą w płaszczyźnie poziomej i te cewki są przyłączane kolejno do źródła zasilania. Pojazd lewituje nad torem i przesuwa się w kierunku poziomym. Przesuwanie pojazdu następuje dzięki przyciąganiu do kolejnych cewek. Lewitacja pojazdu zachodzi wskutek oddziaływania wytwarzanego przez cewki impulsowego pola magnetycznego z prądem elektrycznym, płynącym w uzwojeniu z nadprzewodnika.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że przyrząd do pokazów lewitacji diamagnetyków w polu magnetycznym zawiera toroidalne naczynie, składające się z płaskiego dna w kształcie poziomo usytuowanego pierścienia, łączącego się ze ścianką zewnętrzną i ścianką wewnętrzną, które mają kształt współosiowych, pionowych cylindrów. Górny koniec ścianki zewnętrznej jest zaopatrzony w gwint zewnętrzny i toroidalne naczynie jest zamknięte od góry pokrywą w kształcie koła, mającą cylindryczne obrzeże, zaopatrzone w gwint wewnętrzny, umożliwiający wkręcenie pokrywy na gwint zewnętrzny ścianki zewnętrznej. Toroidalne naczynie, składające się z płaskiego dna, ścianki zewnętrznej, ścianki wewnętrznej i pokrywy z cylindrycznym obrzeżem są wykonane z materiału przezroczystego i nieferromagnetycznego, korzystnie z polimetakrylanu metylu. Wewnątrz toroidalnego naczynia, między jego ścianką zewnętrzną i ścianką wewnętrzną są umieszczone współosiowo dwa cylindryczne magnesy trwałe, to jest magnes zewnętrzny i magnes wewnętrzny, namagnesowane w kierunku podłużnym i zwrócone biegunami jednoimiennymi w tę samą stronę. Cylindryczne magnesy mają wysokość mniejszą, niż wysokość ścianek. Między magnesami jest cylindryczna przestrzeń i dolną część tej przestrzeni wypełnia pierścieniowy magnes trwały, namagnesowany w kierunku radialnym i ze ściankami cylindrycznych magnesów łączą się przeciwne bieguny pierścieniowego magnesu. Cylindryczne magnesy i pierścieniowy magnes są wykonane z materiału magnetycznie twardego o dużej koercji i remanencji, korzystnie ze spieku proszków żelaza, neodymu i boru oraz pokryte ochronną warstwą niklu. Oprócz tego górną część przestrzeni między cylindrycznymi magnesami wypełnia pierścień wykonany z materiału antyferromagnetycznego, korzystnie z chromu, natomiast w wolnej przestrzeni między pokrywą i górnymi końcami cylindrycznych magnesów oraz górną powierzchnią pierścienia znajduje się lewitująca próbka wykonana z materiału diamagnetycznego. Połączenia między cylindrycznymi magnesami, pierścieniowym magnesem, ściankami toroidalnego naczynia i pierścieniem są wykonane za pomocą przezroczystego kleju epoksydowego.

Głównymi zaletami rozwiązania są skuteczna realizacja bezpiecznych pokazów lewitacji diamagnetyków w polu magnetycznym o niewielkiej wartości indukcji magnetycznej oraz łatwa wymiana próbek diamagnetyków. Dodatkowymi zaletami rozwiązania są prosta i zwarta konstrukcja oraz niezawodność działania.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój osiowy przyrządu płaszczyzną pionową A-A, fig. 2 pokazuje jego widok z góry, natomiast fig. 3 stanowi widok przyrządu z boku B-B.

Przyrząd do pokazów lewitacji diamagnetyków w polu magnetycznym zawiera toroidalne naczynie, składające się z płaskiego dna 1 w kształcie poziomo usytuowanego pierścienia, łączącego się ze ścianką zewnętrzną 2 i ścianką wewnętrzną 3, które mają kształt współosiowych, pionowych cylindrów. Górny koniec ścianki zewnętrznej 2 jest zaopatrzony w gwint zewnętrzny i toroidalne naczynie jest zamknięte od góry pokrywą 4 w kształcie koła, mającą cylindryczne obrzeże 5, zaopatrzone w gwint wewnętrzny, umożliwiający wkręcenie pokrywy 4 na gwint zewnętrzny ścianki zewnętrznej 2, a poza tym toroidalne naczynie, składające się z płaskiego dna 1, ścianki zewnętrznej 2, ścianki wewnętrznej 3 i pokrywy 4 z cylindrycznym obrzeżem 5 są wykonane z materiału przezroczystego i nieferromagnetycznego, korzystnie z polimetakrylanu metylu. Wewnątrz toroidalnego naczynia, między jego ścianką zewnętrzną 2 i ścianką wewnętrzną 3 są umieszczone współosiowo dwa cylindryczne magnesy trwałe, to jest magnes zewnętrzny 6 i magnes wewnętrzny 7, namagnesowane w kierunku podłużnym i zwrócone biegunami jednoimiennymi w tę samą stronę, a ponadto cylindryczne magnesy 6, 7 mają wysokość mniejszą, niż wysokość ścianek 2, 3. Między magnesami 6, 7 jest cylindryczna przestrzeń i dolną część tej przestrzeni wypełnia pierścieniowy magnes trwały 8, namagnesowany w kierunku radialnym i ze ściankami cylindrycznych magnesów 6, 7 łączą się przeciwne bieguny pierścieniowego magnesu 8. Cylindryczne magnesy 6, 7 i pierścieniowy magnes 8 są wykonane z materiału magnetycznie twardego o dużej koercji i remanencji, korzystnie ze spieku proszków żelaza, neodymu i boru oraz pokryte ochronną warstwą niklu. Oprócz tego górną część przestrzeni między cylindrycznymi magnesami 6, 7 wypełnia pierścień 9, wykonany z materiału antyferromagnetycznego, korzystnie z chromu, natomiast w wolnej przestrzeni między pokrywą 4 i górnymi końcami cylindrycznych magnesów 6, 7 oraz górną powierzchnią pierścienia 9 znajduje się lewitująca próbka 10, wykonana z materiału diamagnetycznego. Poza tym połączenia między cylindrycznymi magnesami 6, 7, pierścieniowym magnesem 8, ściankami toroidalnego naczynia 2, 3 i pierścieniem 9 są wykonane za pomocą przezroczystego kleju epoksydowego.

Zasada działania przyrządu do pokazów lewitacji diamagnetyków w polu magnetycznym polega na tym, że układ złożony z cylindrycznych magnesów 6, 7 oraz magnesu pierścieniowego 8 wytwarza niejednorodne pole magnetyczne w przestrzeni nad górnymi końcami cylindrycznych magnesów 6, 7. W tym polu zachodzi lewitacja próbek diamagnetyku 10, które jak wiadomo są wypychane z obszaru silniejszego pola magnetycznego, znajdującego się nad górną powierzchnią cylindrycznych magnesów 6, 7. Ustawienie magnesów 6, 7, 8 tak, żeby łączyły się ze sobą biegunami różnoimiennymi, wykonanie tych magnesów korzystnie ze spieku żelaza, neodymu i boru, pokrytego ochronną warstwą niklu oraz umieszczenie między cylindrycznymi magnesami 6, 7 pierścienia 9, wykonanego z materiału antyferromagnetycznego, umożliwia koncentrację strumienia magnetycznego wewnątrz magnesów i ponad powierzchnią pierścienia 9. Skutkiem tego jest zwiększenie wartości indukcji pola magnetycznego i jego gradientu ponad powierzchnią pierścienia 9. Dzięki temu można obserwować lewitację próbek diamagnetyku 10 o mniejszej podatności magnetycznej właściwej. Zastosowanie toroidalnego naczynia z odkręcaną pokrywą, wykonanego z materiału przezroczystego i nieferromagnetycznego, umożliwia łatwą wymianę próbki diamagnetyku 10, po odkręceniu pokrywy, zapewnia bezpośrednią widoczność zachowania się próbek i zapobiega rozpraszaniu strumienia magnetycznego w ściankach naczynia. Ponadto, toroidalny kształt naczynia pozwala na obserwację próbek podczas ruchu obrotowego i pochylania naczynia.

Claims (4)

1. Przyrząd do pokazów lewitacji diamagnetyków w polu magnetycznym, mający lewitującą próbkę, wykonaną z materiału diamagnetycznego, znamienny tym, że zawiera toroidalne naczynie, składające się z płaskiego dna (1) w kształcie poziomo usytuowanego pierścienia, łączącego się ze ścianką zewnętrzną (2) i ścianką wewnętrzną (3), które mają kształt współosiowych, pionowych cylindrów, a ponadto górny koniec ścianki zewnętrznej (2) jest zaopatrzony w gwint zewnętrzny i toroidalne naczynie jest zamknięte od góry pokrywą (4) w kształcie koła, mającą cylindryczne obrzeże (5), zaopatrzone w gwint wewnętrzny, umożliwiający wkręcenie pokrywy (4) na gwint zewnętrzny ścianki zewnętrznej (2), a poza tym toroidalne naczy-

PL 249290 Β1 nie, składające się z płaskiego dna (1), ścianki zewnętrznej (2), ścianki wewnętrznej (3) i pokrywy (4) z cylindrycznym obrzeżem (5) są wykonane z materiału przezroczystego i nieferromagnetycznego ponadto wewnątrz toroidalnego naczynia, między jego ścianką zewnętrzną (2) i ścianką wewnętrzną (3) są umieszczone współosiowo dwa cylindryczne magnesy trwałe, to jest magnes zewnętrzny (6) i magnes wewnętrzny (7), namagnesowane w kierunku podłużnym i zwrócone biegunami jednoimiennymi w tę samą stronę, a ponadto cylindryczne magnesy (6, 7) mają wysokość mniejszą, niż wysokość ścianek (2, 3), oprócz tego między magnesami (6, 7) jest cylindryczna przestrzeń i dolną część tej przestrzeni wypełnia pierścieniowy magnes trwały (8), namagnesowany w kierunku radialnym i ze ściankami cylindrycznych magnesów (6, 7) łączą się przeciwne bieguny pierścieniowego magnesu (8), a ponadto cylindryczne magnesy (6, 7) i pierścieniowy magnes (8) są wykonane z materiału magnetycznie twardego o dużej koercji i remanencji oprócz tego górną część przestrzeni między cylindrycznymi magnesami (6, 7) wypełnia pierścień (9), wykonany z materiału antyferromagnetycznego, natomiast lewitującą próbka (10), wykonana z materiału diamagnetycznego, znajduje się w wolnej przestrzeni między pokrywą (4) i górnymi końcami cylindrycznych magnesów (6, 7) oraz górną powierzchnią pierścienia (9), ponadto połączenia między cylindrycznymi magnesami (6, 7), pierścieniowym magnesem (8), ściankami toroidalnego naczynia (2, 3) i pierścieniem (9) są wykonane za pomocą przezroczystego kleju epoksydowego.

2. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że toroidalne naczynie, składające się z płaskiego dna (1), ścianki zewnętrznej (2), ścianki wewnętrznej (3) i pokrywy (4) z cylindrycznym obrzeżem (5) są wykonane z polimetakrylanu metylu.

3. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że cylindryczne magnesy (6, 7) i pierścieniowy magnes (8) są wykonane z spieku proszków żelaza, neodymu i boru oraz pokryte ochronną warstwą niklu.

4. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że pierścień (9) jest wykonany z chromu.