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mise
à jour le 18/02/2022 |
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Ce petit montage permet de toucher du doigt le phénomène de la sustentation électromagnétique, dont le principe de base est le même que celui des Maglev allemands et japonais, pourvus de systèmes beaucoup plus élaborés que celui-ci. Quoi qu'il en soit, il est tout de même étonnant d'imaginer que, d'après les théories actuelles, ce sont des particules aussi immatérielles que les photons qui maintiennent cette balle de ping-pong et cette bille d'acier en équilibre. Et que dire des trains cités plus haut ! C'est vrai aussi que les gravitons qui attirent ces objets vers le bas sont des particules encore plus mystérieuses, qu'aucune expérience n'a réussi à mettre en évidence à ce jour !
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Comment
une balle de ping-pong peut-elle être attirée par un champ
magnétique? Le "secret"  ,
deux aimants au Néodyme (W-05-G de Supermagnete )
mis bout à bout et collés à l'intérieur... |
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Le
dispositif est en principe très simple : |
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Le
problème est que si l'on réalise un tel dispositif,
il ne fonctionne pas ... en effet,
le corps suspendu n'étant soumis à aucun frottement mécanique, à part
celui de l'air qui est négligeable, les oscillations ont tendance à s'amplifier
rapidement et finissent par provoquer le décrochage de l'objet
: pour obtenir un comportement stable, il faut agir sur le signal électrique
de façon à limiter l'amplitude du mouvement C'est ce que fait le schéma suivant en allant du repère A au repère D, on trouve dans l'ordre : - un pont diviseur de tension constitué d'une résistance et d'une photodiode : au point A apparaît le signal de correction de position qui est appliqué ensuite à un LM324 monté en suiveur (ou en adaptateur d'impédance) - brochage du LM324 (pdf) - un réseau RC qui, en fonction de la fréquence d'oscillation de l'objet, crée un déphasage variable du signal que l'on retrouve au point B et qui tend à diminuer l'amplitude des oscillations (dernières courbes en bas de cette page) - enfin un second LM324 qui amplifie suffisamment le signal modifié (point C) pour que le Darlington final travaille quasiment en commutation (point D) |
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Ci-dessous,
une série de courbes mettant en évidence les déphasages
entre les différents points de mesure, ainsi que les phénomènes
d'hystérésis dus au noyau ferromagnétique de l'électroaimant.
La tension au point A est fonction de la position de la partie supérieure
de la sphère dans un faisceau
laser : 1 V ≈ 1/10 mm. (cliquer pour agrandir) |
points
A et B |
points
A et D |
point
A et capteur à effet Hall posé sur l'électroaimant |
point
D et capteur à effet Hall posé sur l'électroaimant |
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Accrochage
et stabilisation d'une balle de ping-pong
(cliquer pour agrandir)
1
- en la soulevant jusqu'à ce qu'elle soit attirée par
l'électroaimant |
2
- en la laissant tomber vers son niveau d'équilibre |
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Ces deux relevés sont intéressants, car ils montrent comment se réalise l'amortissement en moins d'1/10 de seconde : dès que la balle commence à monter, l'alimentation se coupe, et dès qu'elle amorce sa descente, la tension se rétablit Cette action à contretemps du champ magnétique assure la stabilité du dispositif : le principe est un peu le même que pour une balançoire dont l'amplitude augmente tant que les poussées accompagnent le mouvement, et qui au contraire diminue lorsque les poussées sont désynchronisées (on peut vérifier l'efficacité du dispositif en débranchant le condensateur...) |
| le guide de fabrication du module version 3 est disponible au téléchargement dans la boutique lévitation |
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Maquette de train à sustentation magnétique de type Maglev
Le
dispositif est constitué de 2 modules de sustentation magnétique
version 3, montés bout à bout
Les deux modules sont assemblés mécaniquement par deux vis et
il faudra prendre la précaution de filtrer l'alimentation électrique
par un condensateur électrochimique d'une centaine de µF. La
fréquence de fonctionnement des deux modules n'étant pas
forcément identique, ni synchrone, les appels de courant d'un module
sont assez importants pour influer sur le comportement de l’autre.
Autre modification, sur chaque module, le condensateur C1 de 47 nF passe à 22 nF. Ceci a pour but d'augmenter la fréquence de fonctionnement. Si vous n'avez pas de condensateur de 22 nF, vous pouvez utiliser deux condensateurs de 47 nF en série. La distance entre le noyau de l'électroaimants et le rail doit être ramenée à environ 1 mm. Il faut régler la barrière lumineuse en conséquence. C'est avec cette valeur que le fonctionnement est le plus stable.
La masse de l'ensemble est de 189 g avec les piles et il consomme environ 7
W
La température des bobines peut atteindre 90 °C
Ci-dessous,
une
seconde version alimentée par 4 batteries Lithium-Polymère
600mAh - 3,7V montées en série.
La tension d'alimentation du montage
est donc de 14,8 V.
Le montage consommant environ 400 mA, l'autonomie théorique
devrait dépasser une
heure.
En pratique la maquette décroche du rail au bout de 25 min...
Troisième version équipée
cette fois de 5 batteries LiPo de 600mAh totalisant donc 18,5V.
Destinée à évoluer à une
bonne distance du sol, cette maquette est à présent équipée
d'arceaux de sécurité !!!...
Prochaine évolution : faire circuler cette maquette en circuit
fermé, équipée d'un système
de propulsion...
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Ci-dessous
des images thermographiques du modèle en fonctionnement.
On remarque que les éléments les plus sollicités sont
les 2 bobines L1 et
les 2 résistances R7 (1/4W) qui alimentent les leds infrarouges LED1.
L'une des bobines L1 est plus chaude que l'autre,
probablement
dû à une différence de distances par
rapport au tube.
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Pour terminer quelques réalisations d'étudiants en classe prépa pour leur TIPE
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