磁悬浮地球仪

这是一个非常有趣的带有实验性质的项目。恩绍定理（Earnshaw''s theorem）指出点粒子集不能被稳定维持在仅由电荷的静电相互作用构成的一个稳定静止的力学平衡结构。通俗来说，就是用磁力是无法获得稳定的平衡的。但是这其中会存在「漏洞」，如果我们用电磁体拉起一块永磁体，然后在它们相互靠近即将接触的之时减小电流，永磁体实际上会悬浮在空中！于是我做了一个可以悬浮的地球仪……

在制作之前，我参考不同版本的悬浮项目，它们各有优缺点，也会存在一些问题，主要是稳定性欠佳。你们可以了解一下。
1、https://www.instructables.com/id/Levitron-electromagnetic-Levitation-Device/ 使用了霍尔开关，升力较小，约为一克。
2、https://www.instructables.com/id/Homemade-Levitation-Machine/ 使用了微控制器，其他组件很难实现。
3、GreatScott 制作的项目，在稳定性上也遇到了问题，可能是因为他将霍尔传感器放置在悬浮物体的下方，而不是靠近电磁铁。

我采用一些常见的元件来搭建这个项目。经过参考多个版本，我取长补短并且为增强悬浮的稳定性，我做出以下推断：
1、使用线性霍尔探头。因为霍尔开关过于灵敏，导致升力非常弱。
2、将霍尔探头安装在电磁铁内部或附近使用，这将使电路保持高频率振荡并产生有效的 PWM 信号。
3、提高电源的稳定性来应对感应以及开关，否则线圈电流消耗的波动会影响感测电路的电源电压，这可能会使悬浮力不稳定。

最后项目结果显示，这是一个强大而稳定的悬浮器。它可以轻松浮起 50gr 的磁铁并带有 50gr 的有效负载，它没有产生晃动或振荡。

整个项目并不难，但它需要花一些时间来完成焊接和缠绕电磁体的工作。

材料清单

45m 的 0.4mm（AWG26）漆包线 × 若干
0.1mm/0.004" 线轴 × 若干
9V 1A 电源 × 1
DC-DC 可调变压器 × 1（至少为 2A 工作）
7805 稳压器 × 1
1μF 陶瓷电容器 × 2
IRLZ44N MOS × 1
1N4007 二极管 × 1
SS49E 线性霍尔探头 × 1
LM358 运算放大器 × 1
10kOhm 微调电位器 × 1
10kOhm 电阻 × 2
纸板 × 若干
热熔胶 × 若干
厚纸条（1.3x3x90cm） × 若干
圆形钕磁铁（直径20mm，厚3mm） × 2
球形物体 × 1

设计电路

电路的设计并不复杂。下面将详细地为大家讲解一下：
1、当磁场高于阈值时关闭电磁体，当磁场低于阈值时打开电磁体。
电磁体和永磁体都会对测量场产生影响。电磁铁产生的磁场会低于阈值，因此在没有磁铁悬浮的情况下，电磁铁完全断开。但是在附近有永磁体的情况下，磁场的总和将超过阈值，电路会闭合，随即又会断开。

2、电路将会快速的振荡，从而产生 PWM 信号。PWM 信号的占空比将取决于磁铁的位置。如果距离很远，占空比会变大；如果距离很近，占空比会变小。磁体的拉力因此会平稳变化，并且被悬空的物体将会静止。

3、这种方式的 PWM 信号的频率完全取决于线圈对电压变化的反应速度。其时间常数由线圈的电感 L 和电阻 R 给出。所以我推算出的式子为：L=6mH，R=6Ohm，tau=L/R=1ms。
实际上，用“示波器”检查霍尔探头的输出时，发现 O（1kHz） 的 PWM 信号。当我推或拉磁铁时，看到此信号的占空比发生变化。

4、该电路使用 LM358 运算放大器作为比较器。所涉及的频率 O（1kHz） 足够慢，因此不需要专用的比较器。值得注意的是该运算放大器不是轨对轨的。如果要保持正常工作，输入必须低于Vcc~1.5V，输出不会高于Vcc~1.5V。检查后发现，3.5V 完全可以接通 IRLZ44N。

5、有两个“信号”指标需要注意。一是探头输出连接到运算放大器的正输入值。二是负输入可以在 0~2.5V 之间调节。
因此，当探头的输出变低时，磁体将闭合。

6、可以通过微调电位器设置阈值，这也就意味着可以使用该微调器来调整线圈和提升的磁体之间的距离。

制作线圈

1、你可以买到现成的电磁铁，通常包含一个铁芯和一个铁块，直接使用到需要磁场的地方。

我使用直径为 0.4mm（AWG26）的 45m 漆包线。重量为53克，电阻为 6.2 欧姆。它已在 CRT TV 中校正线圈。

2、线轴里装有 10m 0.1mm 的线轴，外径为 30mm，内部为 16mm，左右壁之间的距离为 13mm。如果缠绕的紧密，线轴可容纳 16 层的 30 个绕组。如果没有，那么绕组只能完成一半，磁铁的效果将会很弱。
为了更紧密的缠绕绕组，请使用无锐角的干净电线并保持良好的张力。确保所有绕组紧密缠绕，没有间隙。

3、当绕组完成后，使用胶带将线圈的电线固定。在两端预留 5 或 10cm 的电线，并用锉刀或砂纸在末端 1cm 处剔除绝缘漆。

4、测试磁铁。电阻值在 5-10Ohm 之间为宜。如果偏低，请使用更大的电流和低电压。如果偏高，主电源要用 12V 替换掉 9V。

5、通电激活线圈，检查是否能悬浮起磁铁。尝试找到合适的电压，使线圈能够很好地升起，而且不会过热。对于我的项目来说，4-5V 的电压效果就很好，可提供约为 0.8A 的电流。

制作支架

由于面包板不适用于有电流通过的线圈。因此，将所有东西都安装在支架上比较合适。该项目的支架是由厚纸板制作的。它会非常的坚固而且易于搭建。

1、将纸板切割成五块长条，其中三块长为 20cm，两块长为 15cm。

2、支架的底座要约宽一些，需要两块较长纸板，提供稳定的基础。将较短的两根长条垂直粘贴在两侧。最后较长的纸块粘贴在顶部。

你可以根据自己的需求来制定支架的规格。

安装探针

项目中霍尔探头的型号是 SS49E，价格便宜，灵敏度范围在 +-100mT（+-1000Gauss）。探头安装在磁体内部或磁体下方，以便让线圈产生高频脉冲宽度调制 PWM 信号，探头对电磁体产生的磁场将至关重要。探头需要处理后再放入电磁体内。

1、切割一块圆柱型的泡沫块，再将圆柱体应紧密安装在电磁铁的孔内。厚度应约为 8mm。

2、将针脚弯曲成 90 度并将其穿过一个塑料圆筒，带标记的那一面朝下。

3、用漆包线将探头连接到其他电子设备。因为线很细，很容易穿过磁铁顶部，然后在粘贴在底部。为电线标记颜色以便区分，红线为 +5V，黑线为接地，蓝色为信号线，然后用锉刀或砂纸剔除两端末端 5mm 处的绝缘漆。

4、将探针的导线和电线的末端涂上锡后焊接起来。再将探针放置在磁体的中心轴上。将磁铁放在顶部和底部之间的中间位置，可以得到不错的效果。

安装、焊接线圈及其他组件

如图所示，安装组件。

1、将带有探头的线圈粘在支架的顶部，线圈上线头的方向朝后面伸展。

2、将组件粘到支架的背面并焊接。将运算放大器和微调电位器的引脚弄平。

3、先焊接电源线，随后检查稳压器，运算放大器和探头上的电源供电是否良好。然后再焊接其他的连接。


4、打开开关，使用微调器设置阈值。首先，请确保在附近没有磁体时激活磁体。然后再检查当产生北极磁性时，开关是否关闭。这些就是实现悬浮的条件了。现在可以使用微调锅来调节悬浮物体的高度。