mise à jour
le 14/08/05
dispositif expérimental de suspension magnétique
 

ce petit bricolage permet, pour quelques euros, de toucher du doigt le phénomène de la suspension électromagnétique, dont le principe de base est le même que celui de ces prototypes de trains allemands et japonais, probablement pourvus de systèmes plus élaborés que celui-ci ...;o)

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 ... c’est vrai aussi que les gravitons qui tirent ces objets vers le bas sont des particules encore plus mystérieuses, qu’aucune expérience n’a réussi à mettre en évidence à ce jour

... et que dire des trains cités plus haut !

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 ) collés à l’intérieur

 

le dispositif est très simple :
1 - un électroaimant fixé sur un support attire l’aimant introduit dans la balle de ping-pong
2 - une barrière lumineuse constituée d’un pointeur laser et d’une photodiode, dont le courant, une fois amplifié, contrôle l’électroaimant

son principe :
lorsque la balle est située sous le faisceau lumineux, elle est attirée vers le haut, elle coupe le faisceau, l’attraction s’arrête, la balle redescend et le cycle recommence

 

 

le problème c’est que si l’on réalise ce montage tel quel, il ne fonctionnera 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 - si l’on veut 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 :

- 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 adaptateur d’impédance)

- ensuite, un réseau RC qui, en fonction de la fréquence d’oscillation de l’objet, crée un déphasage du signal au point B, ce qui va diminuer l’amplitude des oscillations (dernières courbes 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)

 

schéma : R (47K) doit être réglée pour avoir à la fois Vb = 0,1V quand le faisceau est coupé, et Vb=1,5V dans le cas contraire - R (47K) est réglée ici à environ 50% soit 26 K ohms - l’électroaimant est extrait d’un relais 12V-20A d’automobile

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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 le faisceau laser : 1V ≈ 1/10 mm)
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 de la balle de ping-pong :

1 - en la soulevant jusqu’à ce qu’elle soit attirée par l’électroaimant
 
2 - en la laissant tomber vers son niveau d’équilibre
 
     

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 rétablie

l’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 impulsions sont désynchronisées (on peut vérifier facilement l’efficacité du dispositif en débranchant simplement le condensateur)

 

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applications possibles :

- en connectant l’oscilloscope aux bornes de l’électroaimant et en regardant la largeur des impulsions positives, on s’aperçoit que ce petit montage se comporte comme un sismographe d’une certaine sensibilité - par exemple, une résistance d’1/4 W (0,3 g) lâchée de 5 cm au-dessus de l’établi (masse totale estimée à 20 kg), provoque une secousse tout-à-fait visible à l’écran

- profitant de l’absence de frottements mécaniques, il est possible de réaliser un anémomètre également assez sensible - en remplaçant la sphère par une petite roue à aubes à trois pales, on arrive facilement à la faire tourner en soufflant dans sa direction depuis une distance de deux à trois mètres (ci-contre)

- enfin, j’espérais pouvoir obtenir un radiomètre en peignant en noir les pales de l’anémomètre et en l’éclairant puissamment - le rotor tourne bien sur près d’un tour, puis malheureusement s’arrête et revient en arrière - il semblerait que cette amorce de rotation ne soit pas due à l’action directe de la lumière, mais plus simplement à des mouvements de convection causés par le puissant projecteur halogène utilisé ...
( je l’ai appris depuis, ces moulins à photons ne se décident à fonctionner que pour une pression atmosphérique inférieure à 300 µ de Hg (site de JM Laugier - autre site : "How does a light-mill work ?") - c’est 20 fois plus faible encore que la pression atmosphérique à la surface de Mars ...)