想肉眼看到磁場(chǎng)用激光打造一個(gè)吧

1、想肉眼看到磁場(chǎng)？用激光打造一個(gè)吧有沒(méi)有想過(guò)更直觀地觀察磁場(chǎng)？磁力，因其不可見(jiàn)，隔開(kāi)距離仍能作用，讓人們從童年時(shí)代 開(kāi)始著迷，真正的隔空魔術(shù)啊。松開(kāi)緊握的手心里捏著的磁鐵，你能很直觀感覺(jué)到磁場(chǎng)強(qiáng)度 與方向。但這個(gè)方法還不夠明確清晰：你很難從各種同一直 線(xiàn)上的力當(dāng)中將磁場(chǎng)力矩分離出來(lái)，而且如果你用手限制磁 鐵本身旋轉(zhuǎn)的話(huà)，有可能會(huì)誤判磁場(chǎng)方向。 （舉例來(lái)說(shuō)，如 果你旋轉(zhuǎn)磁鐵 180 度，就會(huì)使互相吸引變成排斥。 ）如果有 一個(gè)工具能將磁場(chǎng)外形可視化展現(xiàn)給他人，變成確實(shí)肉眼可 見(jiàn)那種的，你捏在手心的那種就做不到了。我希望做出像指南針那樣，但在三維空間里能指向任何方向 那種，不只局限于指南針的平面或僅

2、僅水平面那種。它應(yīng)當(dāng) 良好平衡，能在低摩擦力下圍繞著兩條垂直軸線(xiàn)上旋轉(zhuǎn)，并 能搭載強(qiáng)磁鐵在上面，足以克服任何圍繞軸線(xiàn)上的摩擦力， 利用磁場(chǎng)來(lái)修正自身位置。磁鐵本身能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，但要在中 央給定的范圍內(nèi)，直到它的磁極和原來(lái)的參照磁場(chǎng)線(xiàn)統(tǒng)一排 列為止。你能用類(lèi)似的器械來(lái)觀察復(fù)雜物體上磁場(chǎng)線(xiàn)的分布 和方向，就像磁浮裝置那樣。我所用的材料和工具激光切割器。用它可以制作一個(gè)磁力萬(wàn)向節(jié)那樣的指南針。 用其他切割工具類(lèi)似長(zhǎng)鋸也可以，但有激光切割器的話(huà)將會(huì) 快一些。1/4 英寸厚亞克力板。其他的材料，例如木材或纖維板也是 不錯(cuò)的替代品。 其他厚度亦可， 只要能承受 1/16 英寸直徑大 小的洞眼而不被破壞就行。

3、小型紅色激光二極管。只用低功率小于 5 毫瓦那種鐳射筆， 要不然會(huì)亮瞎你的眼！兩枚 1.5 伏紐扣電池。我將一枚小型 A23 電池 12 伏那種的 剪開(kāi)，得到 8 枚紐扣電池，這樣比其他店鋪買(mǎi)到的紐扣電池 還要便宜。（嗯，批發(fā)價(jià)的趕腳 , ）銼刀或者砂紙不含鐵的絲線(xiàn)， 1/16 英寸左右粗細(xì)。我用在五金鋪買(mǎi)到的黃 銅焊條代替。任何非磁性合金都能使用：黃銅、紫銅、普通 銅片、鋁片、大部分不銹鋼等等。 （補(bǔ)充：不銹鋼雖然含鐵， 實(shí)際上是鐵鉻合金，磁性很低很低。 ）很微細(xì)的鉆頭（千分之幾英寸那種） ，僅比絲線(xiàn)寬一點(diǎn)。 一小塊強(qiáng)力磁鐵（用激光儀器的話(huà)，就要四塊） 。我用了直 徑 1/4 英寸，高 1/

4、4 英寸的銣鐵硼稀土永磁體，等級(jí)為 N42 的。任何磁鐵都能勝任，只是強(qiáng)一點(diǎn)的磁鐵應(yīng)付轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力 的效果更好。萬(wàn)能的淘寶有不少磁鐵，只要搜索“銣鐵硼磁 鐵”即可。一些小段導(dǎo)線(xiàn)，比美制 22 碼細(xì)的那種，用來(lái)連接激光器和 電池。同時(shí)也需要烙鐵來(lái)焊接導(dǎo)線(xiàn)與激光二極管。 第一步：用不用激光指向？首先，我嘗試最簡(jiǎn)單那種自由轉(zhuǎn)動(dòng)的指南針效果不錯(cuò)，用的 是小型直徑 1/4 英寸，厚度 1/4 英寸的稀土磁鐵，淘寶上幾 毛錢(qián)一個(gè)那種。在組合成用作磁場(chǎng)映射的 8到 10英寸厚的 永磁體后，在兩個(gè)坐標(biāo)軸上旋轉(zhuǎn)良好。但這很小型，不容易 被發(fā)現(xiàn)。對(duì)于我個(gè)人實(shí)驗(yàn)沒(méi)問(wèn)題，但觀察萬(wàn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的效果 （決定將指向方向變成兩個(gè)

5、萬(wàn)向環(huán)旋轉(zhuǎn)方向）是如此的棒， 以至于我要為此加上便于直觀理解的藝術(shù)效果，及尋找多點(diǎn) 讓方向指向更有效的方法。 加上一個(gè)大箭頭是可行的，但我希望這個(gè)自轉(zhuǎn)指南針小一 些，這樣就能放進(jìn)一個(gè)小空間里。于是，我打算加多一個(gè)激 光器用來(lái)指向方向。激光器體積還是很小，對(duì)整個(gè)自由旋轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)也是一樣，但激光束本身會(huì)是個(gè)很有效的指向箭 頭。另外，在煙霧器的輔助下，它的展示效果將很炫目。激 光嘛，天生就該搭配煙霧器的。在尺寸上權(quán)衡的結(jié)果是，加上激光器和所需的電池，還要額 外增添磁鐵來(lái)使得內(nèi)部萬(wàn)向環(huán)變得對(duì)稱(chēng)，還能使萬(wàn)向環(huán)本身 擁有更多轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。最后它能在標(biāo)定角度前不斷來(lái)回振蕩。 無(wú)需多言，用在這里的激光器應(yīng)當(dāng)是最

6、小功率那種。 注意：使用激光要注意眼睛安全。激光對(duì)眼睛有害。在這個(gè)加工過(guò)程當(dāng)中，我用了很低功率的 紅色激光二極管， 1 毫瓦。我非常強(qiáng)烈反對(duì)使用大功率激光 器，因?yàn)樗皇侵苯咏?jīng)由用戶(hù)控制。整個(gè)作品本身是讓激光 束旋轉(zhuǎn)移動(dòng)到一個(gè)未知方向即磁場(chǎng)指向方向。用這樣一 個(gè)低功率激光器，在激光掃過(guò)或射入你的眼睛時(shí)，你能選擇 閉眼或用手遮擋眼睛。而用大功率激光器的話(huà)，激光掃過(guò)眼 睛時(shí)往往會(huì)在比閉眼反應(yīng)更快的時(shí)間內(nèi)對(duì)眼睛造成不可逆 損傷。激光有危險(xiǎn)，使用需謹(jǐn)慎。好的眼睛將伴你度過(guò)未來(lái) 讀教程的時(shí)光。第二步：設(shè)計(jì)萬(wàn)向環(huán)的內(nèi)部圓環(huán)外緣尺寸取決于在內(nèi)環(huán)要裝載的東西。最初我做的小型 萬(wàn)向環(huán)只是裝在一顆直徑 1/4 英

7、寸磁鐵，所以?xún)?nèi)環(huán)僅僅讓亞 克力夾住磁鐵， 及緊握住兩條作為旋轉(zhuǎn)中樞的直徑1/16 英寸銅線(xiàn)。而在第二個(gè)版本當(dāng)中，就是這個(gè)教程的，我用了小型 激光器、兩枚電池，還有一些磁鐵。將萬(wàn)向環(huán)設(shè)計(jì)成能?chē)@著中央兩個(gè)軸心旋轉(zhuǎn)，而圍繞著軸心 的環(huán)形結(jié)構(gòu)是平衡的，這樣重力就不會(huì)使它旋轉(zhuǎn)時(shí)最終停在 一個(gè)特定方向上。我用對(duì)稱(chēng)法來(lái)達(dá)至平衡就是將所有東 西繞著旋轉(zhuǎn)中心均等放置（最簡(jiǎn)單的辦法） 。我將唯一一個(gè) 部件，激光器放置在中央，其他所有多于一個(gè)的零件就平均 分配在周?chē)ò▋擅?1.5 伏紐扣電池，用作激光器的 3伏 電源）。本來(lái)想用兩枚磁鐵的，但這么一來(lái)激光指向器在其 中一個(gè)軸線(xiàn)上的重量就會(huì)拖磁鐵的后腿，于是我用

8、了4 個(gè)小磁鐵組合成一個(gè)大磁鐵。當(dāng)然，所有磁鐵同向串聯(lián)。 第三步：設(shè)計(jì)萬(wàn)向環(huán)的中間和外緣部分 這里，你要將 3 個(gè)零件嵌套在一起外部軛， 或者叫做環(huán)， 中間的環(huán)，還有內(nèi)部的圓盤(pán)。中間的圓盤(pán)在垂直軸上有旋轉(zhuǎn) 接口，連接在內(nèi)部的圓盤(pán)。在另一軸水平軸上的接口就連到 外緣的軛上。在嵌套零件和旋轉(zhuǎn)部件之間保留一些空間，那么它們就不會(huì) 干涉到旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，但在旋轉(zhuǎn)軸上盡可能緊湊些。我在下面附 上內(nèi)、中、外環(huán)的 .dxf 文檔。innergimbal.dxf 21 KB midgimbal.dxf 19 KB inner.dxf 20 KBoutergimbal.dxf) 19 KBmid.dxf 18 KB

9、outer.dxf 19 KB 第四步：激光切割零件 用長(zhǎng)鋸手工切割萬(wàn)向環(huán)也可以，只是用激光切割就能更快、 更方便和更精確完成作品。經(jīng)過(guò)了好幾次重復(fù)切割，量度了 允許細(xì)縫寬度，那么磁鐵、激光器和電池就能正好壓入，緊 貼它們的位置。要使所有零件如你所愿有正好的尺寸，你需要對(duì)草圖進(jìn)行校 正，選定激光切割路徑，考慮好激光束或切口寬度，這牽涉 到切割形狀和測(cè)量草圖尺寸與零件尺寸的差距，然后再調(diào)整 草圖。這其實(shí)很簡(jiǎn)單，只要在腦子里記住哪個(gè)零件是要留意 的：里面的還是外部的。這一步將確定在草圖內(nèi)，根據(jù)允許 細(xì)縫寬度增加零件尺寸還是減少它。根據(jù)你的目的調(diào)整特定 切口尺寸。而這個(gè)調(diào)整也是很容易的，只要你在 i

10、nventor 內(nèi) 將零件看作參數(shù)模型，將其更新到 excel 的參數(shù)文件內(nèi)。將 excel 文件中 “允許細(xì)縫寬度” 這一行數(shù)據(jù)更新到模型上， 輸 出新的 .DXF 文件到激光切割器上即可。 第五步：如果要用激光筆，就準(zhǔn)備一些電池我有滿(mǎn)滿(mǎn)一罐小 型紅激光二極管，就像鉛筆橡皮那么大小，都封裝在黃銅柱 型封裝內(nèi)。在淘寶上它們也是便宜貨，這個(gè)大小用在這個(gè)作 品上很合適。但是它們只有裸線(xiàn)接口，而且沒(méi)有電池座。我 需要用某種方法為它們供電，但又不能通過(guò)橋接飛線(xiàn)繞過(guò)軸 心而影響旋轉(zhuǎn)。我也不想通過(guò)環(huán)形結(jié)構(gòu)由外部電源或電池座 從軸心兩個(gè)端點(diǎn)輸電到激光器上。我只能將電池放在內(nèi)環(huán)， 和激光器在一起。我在亞克力板

11、邊緣上就用激光切割了一些 凹槽，用來(lái)放置電池。嗯，那種電池？ 我有一些最小的助聽(tīng)器電池， 但不幸的是很多都沒(méi)電了。 1.5 伏紐扣電池比起前者來(lái)說(shuō)更貴。 不過(guò)當(dāng)我找到了一枚 A23 電 池 12 伏特那種的，讓我想起來(lái)在里面也許有不少紐扣電池 包含在里面。 嘿，還真說(shuō)中了。 比起市場(chǎng)上紐扣電池的售價(jià)， 這個(gè)成本才只有四分之一。它們比助聽(tīng)器電池大，但我改動(dòng) 了一些設(shè)計(jì)來(lái)切合它的需求。 第六步：準(zhǔn)備不含鐵成分的絲線(xiàn)，在萬(wàn)向環(huán)上鉆旋轉(zhuǎn)中樞軸 線(xiàn)不能含鐵，這樣在用這個(gè)指南針來(lái)探測(cè)時(shí)，它就不會(huì)被磁 鐵所吸引。 我用了些從焊接工具店買(mǎi)到的 1/16英寸銅棒， 而 純銅或鋁材也能勝任這樣工作。絲線(xiàn)旋轉(zhuǎn)暢順這

12、點(diǎn)很重要，于是你要在剪下絲線(xiàn)長(zhǎng)度后環(huán)繞 末端，要不然就無(wú)法旋轉(zhuǎn)暢順。將這么小的絲線(xiàn)固定并打磨 圓滑很難， 但我找到一個(gè)有效辦法， 將絲線(xiàn)夾在一個(gè)鉆頭上， 慢速旋轉(zhuǎn)鉆頭， 將絲線(xiàn)末端墊在銼刀或砂紙上。 成了： 圓滑、 暢順、沒(méi)有毛刺。我用的線(xiàn)直徑 0.061 英寸，于是我在萬(wàn)向環(huán)上使用 0.062 英 寸的鉆頭鉆出中軸。確保在指定的軸線(xiàn)與中樞同軸，不然的話(huà)萬(wàn)向環(huán)就不能很好 旋轉(zhuǎn)。但是，鉆頭往往不夠長(zhǎng)，無(wú)法完全鉆穿這個(gè)零件。有 個(gè)折中辦法，就是修改激光切割文件，加多一個(gè)直徑 0.010 英寸洞眼在中軸洞眼位置。 這么一來(lái)， 我只需將鉆頭按下去， 確保它與旋轉(zhuǎn)軸重合就可以了。第七步：包裹萬(wàn)向環(huán)旋轉(zhuǎn)部

13、分，特別是中樞軸線(xiàn)有些時(shí)候，激光切割器不能很好切割垂直邊緣部件。如果你 的零件是平行四邊形的話(huà)，它們將纏繞在一起，以至于不能 很順利旋轉(zhuǎn)。在鉆了中軸洞眼后，我用銼刀在中軸洞眼處打 磨了亞克力邊緣，使之不被纏繞。第八步：在旋轉(zhuǎn)端點(diǎn)滴一滴油，加工關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)線(xiàn)其中一段應(yīng)固定起來(lái)，而另一端能夠滑動(dòng)。將旋轉(zhuǎn)針 腳潤(rùn)滑一下然后插入旋轉(zhuǎn)洞眼內(nèi)，用一條膠帶或一滴熱熔膠 在外緣固定起來(lái)，避免它們滑脫。在用手工將它們旋轉(zhuǎn)，將粘得比較牢的部件從萬(wàn)向環(huán)上松開(kāi) 的時(shí)候，懸在我頭上的一條壓縮空氣管提醒了我。我想，用 它會(huì)比較容易松開(kāi)那些連接部位吧。接著，我不慎將氣泵以 60000rpm 的轉(zhuǎn)速啟動(dòng)，也就是將 90 個(gè)大氣壓

14、的空氣直接貼 著萬(wàn)向環(huán)作用，還給了 3 秒鐘沖擊時(shí)間。萬(wàn)向環(huán)在和中間的 環(huán)解體了，像下雨般嘩啦啦地灑下一片零件。在這之前，它 就像發(fā)瘋的松鼠那樣旋轉(zhuǎn)，發(fā)出 2 千赫茲的噪聲，轉(zhuǎn)速也許 有 60000rpm 吧。外緣和內(nèi)部的激光座奇跡般生還下來(lái)。 謝天謝地， 1）我當(dāng)時(shí)戴著保護(hù)眼罩， 2）我之前激光切割了 另一個(gè)備份萬(wàn)向環(huán)，所以很快我就能修復(fù)好損傷部分。作為 額外的收獲，身邊的人都為那滑稽的聲音樂(lè)了一會(huì)： “嗚 （空氣管）咿 （空氣渦輪的滑音 /萬(wàn)向環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)） 喀嗒嘭騰嘩啦啦 , （亞克力環(huán)解體，零件四散） ” 在這之后， 我把空氣管放遠(yuǎn)一點(diǎn)操作， 讓它不要轉(zhuǎn)得那么快。 其實(shí)，將它同時(shí)吹向兩個(gè)軸心也是不錯(cuò)的做法。 第九步：連接電池到激光器 這看起來(lái)不太好看，對(duì)此我有點(diǎn)慚愧。但我想優(yōu)先功能化， 所以就沒(méi)在工程外做過(guò)多修飾了。我將導(dǎo)線(xiàn)在激光切割的小 槽內(nèi)連到電池上， 只需用 V 型銼刀稍微打磨鄰近的亞克力凹 槽面即可。單股美制 22 碼連接線(xiàn)就足夠了，如果凹槽是逐 漸減少深度，那么導(dǎo)線(xiàn)會(huì)夾在亞克力和電池之間，完成有效 連接。需要注意的是，紐扣電池外殼是正極，而負(fù)極在底部 凹槽內(nèi)