[发明专利]一种磁浮陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及一种陀螺，特别涉及一种仅利用看不见的磁力悬浮于空中的陀螺。

背景技术

磁浮陀螺是一种包含许多物理知识的高科技玩具，也可以作为教具。其现象是：一个以小磁体为主要转动惯量的旋转着的陀螺，在没有任何其他外力的支持下悬浮在一块大的基底磁体的上方达几分钟，令人称奇。要指出的是，这种悬浮技术也应用于有磁矩的单个微观粒子(例如中子，单个原子等)的捕获，所以这种玩具的原理在物理学中也有其地位。

磁浮陀螺是美国人哈里根(见文献1)经过多年的研究发明的，在研发期间，许多科学家劝其不要浪费时间，说这是不可能成功的。因为恩绍(SamuelEarnshaw)早在1842年就证明：静态磁悬浮不可能实现。这就是著名的恩绍大定理(Earnshaw theorem，见文献2)。但静态磁悬浮毕竟太诱人了，没上过大学的哈里根却不信邪，坚持试验，最后用让陀螺旋转的方法在不违反恩绍大定理的情况下实现了悬浮。要指出的是，实现悬浮要满足许多条件：陀螺在基底磁体上方几十毫米的空中浮动，但稳定区域只有4毫米左右宽，陀螺必须呆在这一看不见摸不着的狭小区域中才能稳定悬浮。不仅如此，陀螺的重量必须精确到1％左右，轻则飞出，重则落地。陀螺的转动惯量和磁矩必须合适，加之陀螺的悬浮力还随环境温度的变化而变化，必须随时调整。使用者还要学会在基底磁体强烈的磁倾覆力下把陀螺转到一定的转速，快了慢了都不能稳定。从这点看，哈里根先生真是高人。天知道他怎么能在无数的失败中找出这么多条件的成功组合。

有的专利提出，美国人尼尔是第一个发明磁悬浮的人(见文献3)。这不符事实。因为尼尔不是让嵌有磁体的被悬浮的物体旋转，而是缓慢旋转基底磁体。这违反恩绍大定理，被浮物必然倾覆而跌落。所以尼尔的专利是无法实施的。

接着，美国人威廉姆.霍恩(William G.Hones)和他的在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室工作的父亲爱德华.霍恩(Edward W.Hones)对哈里根的发明作了改进，并申请了专利(见文献4)。

在这里需要指出，在以前中请的专利中有许多错误的观点。例如：

有的专利认为下凹的碟形基底磁体产生使陀螺稳定的向心力，这是误解。事实是(这里Z为垂直向上方向的坐标，X为水平方向坐标，Bx为磁通密度的水平分量，为偏微分算符)产生向心力，即是磁场的水平分量在垂直方向的梯度产生向心力，而不是磁场的方向会产生向心力，因为陀螺是作为一个磁偶极子悬浮在基底磁体产生的磁场中。

有的专利声称可以在被悬浮陀螺的下方接一个有长的摆杆的摆可以实现稳定悬浮，这是不能实现的，因为也这违反恩绍大定理。

有的专利断言，圆形周边的饼状基底磁体，不能使陀螺悬浮。这也不符合实实。文献[4]和我们的实验都证明圆形周边的基底磁体和其他周边形状的磁体悬浮得一样好。

有的专利声称，配重片必须用非磁性材料，我们的实验证明，用铁磁性材料的配重片悬浮效果也很好。

有的专利还用数学证明，被悬浮的磁体(本专利中称陀螺磁体)一定要是环形的，且其内径必须大于20毫米。我们的实验证明，不存在这种限制，即使内径为零，也一样能悬浮。

有的将基底磁体的磁场的中央弱化作为独立权项来申请专利。这是不合理和不合法的。原因有三：

因为任何一块多边形或圆形平面磁体，只要其厚度小于对角线或直径，则在均匀磁场中充磁后，由于退磁效应，中央的磁通密度必然小于其外围区域。也就是说，多边形或圆形平面磁体的中央磁场的弱化是磁体的物理特性，不是一种结构上的发明。

哈里根在他的专利(文献1，见说明书第一页的倒数第6行)中已指出，在一些实施例中，中央磁通密度的弱化是优先选择的方案。所以，基底磁体的中央弱化，已是前人公开的技术。

文献6的作者于1997年就指出，美国某家公司生产的磁浮陀螺的基底磁体的磁场是中央弱化的。所以，有人在2005年再以基底磁体中央弱化作为独立权项申请专利是将前人的已公开的专利内容再次申请专利。

除了上述问题外，现在市面上流行的磁浮陀螺也存在一些缺点。

第一，一般的悬浮高度不足30毫米，悬浮效果不够明显。若要稍微增加悬浮高度，则要大幅度增加基底磁体的体积。以致在价格上难以承受，携带和操作都不方便。