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图中标注了一些输入和输出端口，其中VMS和GND是连接电源的正负极；EnB，In3和In4是连接从Arduino输送过来信号；输出到电机两端的接口则是产生电压驱动电机转动（在本章中是驱动线圈产生交变的电磁场），由于产生的电压是交变的，所以无所谓正负极。这块板子的核心芯片是图中央那块加着散热片的大个子，它的基本结构见图6.13。
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图6.13 L298N基本原理。取自ST半导体公司L298N数据手册
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从图6.13中可以看出，实际上它是两个完全相同的H桥电路，所以可以控制两个电机。我们这里只需要控制一个线圈，所以只用到了L298N功能的一半。把图6.13从中间劈开，我们只关注右边那一半，可以看到输入端In4、In3和 EnB。也可以看到输出端OUT3和OUT4，它们就是图6.12里面的输出到电机的端口。3个输入端通过与门两两相连，对H桥电路的4个“开关”，即此处的4个三极管进行控制。注意到EnB连接了4个与门，这表明如果EnB设置成低电压（即0V）的话，则所有与门的输出都变成了零（与门就相当于作乘法，只要它的一个输入端为零则输出为零）。这样所有的三极管都切断了，从而没有电压输出到电机两端。所以EnB又叫做B电机的使能端，要想让电机转动，它就要是高电压（5V），而如果要控制电机正转或者反转，则靠的是另外两个输入端。当EnB为高电压，同时In3为高电压，In4为低电压，则4个与门中左上角者输出高电压，所连接的三极管导通，左下角In3通过反相以后进入与门（注意到它和与门相接处有一个小圆圈，这表示反相，即In3为高电压时，进入到这个与门的是低电压），从而导致这个与门输出为低，所连接的三极管切断。同理分析，右上角与门输出为低，三极管切断；右下角与门输出为高，三极管导通。这样一来，OUT3就连接到了高电压，OUT4就连接到了低电压。容易得知，如果In3为低电压，In4为高电压，则OUT3连接到了低电压，OUT4连接到了高电压。这就实现了控制电机正反转动，或控制电流在线圈中正反流动。
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了解了这些，我们再来看看前面的程序。首先void setup那一段只不过是定义一些输出端口，这是Arduino编程的例行公事。第二段void loop是真正产生控制信号的程序。我把Arduino的输出口8和9连接到了L298N的In3和In4，用来控制线圈中电流流动方向；Arduino的输出口11连接到了L298N的EnB，这样这段程序就很容易理解了。首先让In3为高电压，In4为低电压，EnB为高电压，让电流朝一个方向流动；接下来的delay(15)表示电路保持这个状态15ms，然后让电流反向。这样在电磁铁中产生的磁场变换一个周期大概需要(15+15+x)ms，即三十多毫秒。之所以不是精确的30ms是因为程序中其他语句执行也需要时间。这样磁场变化的频率就是大约30Hz了。如果想要改变磁场变化的频率，可以通过修改delay的时间很方便地实现。
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Arduino和L298N是非常有用的电路板，读者朋友如果通过本章的制作熟悉了它们，在以后的实验中会起到很大的作用。
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[1].这个圣诞节的故事来自我看过的一本中文的法拉第传记，但是书名和作者已不可考，相信其他的法拉第传也应该会有这个故事。
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） [:1701074931]
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） 7 逆磁悬浮
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一分钟简介
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本章将介绍磁悬浮的基本原理，并着重介绍用逆磁性材料实现的悬浮。通过本章，你将了解如何用简单的逆磁材料比如铅笔芯，以及强磁铁来实现磁悬浮。本章还将介绍在逆磁悬浮方面的一些高科技的成果，例如如何把一只青蛙悬浮起来等。
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闲话基本原理
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2010年诺贝尔物理学奖得主之一的俄裔英籍物理学家Andrey Geim先生是个有趣的人。他是一位很典型的俄国大汉形象，稍胖而仍显干练的身躯足以抵御西伯利亚的冰天雪地，说英语时声调较低，语速较慢，带着河北口音（他生长在黄河以北的俄罗斯）。以前我在美国的亚利桑那大学物理系LeRoy教授门下学习的时候，我们和他有过研究上的合作。我见过他写给LeRoy教授的信，英文手写体颇为工整有力，这也许是因为他常年生活在传统气息浓郁的英国的缘故。而在美国，年轻一代很少有人的手写体具有审美的价值了（这与我们国家的情况相似）。有意思的是，后来我选修一门课，老师也是一位胖胖的、语速较慢的俄裔，他和Geim先生以前念研究生时是同屋的室友，他说Geim先生并不很聪明（原话是He was not bright），所以大家如果觉得自己不够天才，也不要放弃科学研究。我觉得他的说法是有道理的，他是一位博学的理论物理学家，而Geim先生是一个实验物理学家。大家如果看过情景喜剧《生活大爆炸》就知道，在物理学界的理论家（如剧中的Sheldon）眼中，实验物理学家（如剧中的Leonard）只不过是实现理论家的预言的“干粗活”的人。所以他认为Geim先生不够聪明也是正常的，如果够聪明也应该去做理论了。对于这种看法，实验物理学家们通常也不以为然，有时候开玩笑地说理论学家们看到铁和铝都区分不了。神韵上和两千年前那位嘲笑孔夫子“四体不勤，五谷不分”的老农有些相似了。
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闲话少说，书归正传。前面介绍Geim先生并不是因为他获得了2010年的诺贝尔奖，而是因为2000年他和著名的理论物理学家Michael Berry先生一起获得了Ig Nobel奖，暂且翻译成搞笑诺贝尔奖吧。这个奖每年授予世界上在自然科学、和平和经济领域的做出杰出搞笑成果的人们（大多是正经的学者）。获奖的成果首先要使人发笑，然后要引人深思，所以是非常有难度的。那么Geim和Berry两位先生当年做出了什么成果可以获此殊荣呢？这便是与本章相关的内容：他们用强磁场把一只青蛙浮在了半空中！
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在Geim先生的获奖感言里[1]，他详细地叙述了自己做这个实验的前因后果。我觉得这无论是对于科学家还是非科学家都是很有意思的一个故事，于是我把它加以整理写在了下面。
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Geim先生当时的研究工作是关于各种物质在强磁场下的反应，除了做正经八百的研究以外，每个星期五他的实验室里会有一个“疯狂物理实验之夜（Crazy Friday Night Experiments）”，他们会尝试各种看起来很不靠谱的实验点子。比如研究为什么壁虎可以趴在墙上而不掉下来；研究能不能用一根透明胶带把石墨不停地分离，直到剩下一层原子等，当然很多疯狂实验都没有成功，但是也有极少数的几个成功了。刚刚提到的壁虎的研究使得他们发明了一种壁虎胶带，可以很牢固地吸附在各种复杂的表面，而关于石墨的研究使得他们获得了2010年的正牌诺贝尔物理学奖。了解了这些，他们悬浮青蛙的实验就显得再正常不过了。
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强磁场物理学的研究一般需要冷却到极低的温度，一般是零下270℃。我们知道零下273 ℃是所谓的绝对零度，即自然界的物质不可能比这个温度更低了，可见零下270 ℃也是一个不容易达到的温度，这样就使得强磁场下的物理现象只能在实验室里被极少数科学家欣赏到。Geim先生是一位有着“独乐乐，不如众乐乐”思想的人，所以他想找到一种可以在室温下就能演示的强磁现象，这样大家都能欣赏到科学的魅力了。为此他处处留意这方面的文献，平时也常常思考这个问题。1996年前后，他读到一篇由日本科学家写的文章，观察到了一种叫做“摩西效应（Moses Effect）”的现象：如果在一小盆水底下放置极强的磁场（10T以上），盆中的水会分开到盆的边缘，盆的中间位于强磁场上方的部分是没有水的（见图7.1）。之所以叫做摩西效应，是因为根据圣经故事，公元前13世纪犹太人的先知摩西带领过着奴隶生活的犹太人逃离埃及，渡过红海，来到如今的中东地区。当他率领犹太人来到红海之滨时，面对滔滔的海水和后面即将到来的追兵，他祈求上帝把海水劈开，在海底开辟一条逃生的道路。果然，红海的海水向两旁退去，一条大路呈现出来，这样摩西和犹太人才得以渡过红海。这个用强磁场使水分开的实验与摩西的神迹略有相似，故得名为“摩西效应”了。
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图7.1 摩西效应示意图
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这个实验很让Geim先生激动，这不正是他一直想找的那种室温下的强磁效应吗！由于日本科学家的文章中并没有解释为什么会有这种效应，他决定自己试一试。当时，他工作的强磁场实验室有一台类似于导电螺线管的强磁装置，于是他舀了一勺水，小心地倒进产生20T强磁场的螺线管。此时他也不知道会发生什么情况，结果是非常令人震惊的，这一勺水悬浮在了螺线管内，形成了一个完美的小球。就像在没有重力的太空中一样！图7.2是从上往下俯视螺线管口拍摄的一张照片，中间偏右的那个小球就是水珠。
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这真是太神奇了！Geim先生按耐住激动的心情，以科学家的本能开始思考现象背后更深一层的原理。究竟是什么力量把这颗水珠浮在了空中呢？他和几个同事讨论和计算了十多分钟，终于明白了，这力来自于水的抗磁性（我们在第5章有过讨论）。当外加磁场足够强时，这个微弱的抗磁力也足以平衡水的重力，而让它悬浮在空中。
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确信自己理解了这个实验现象的原理，Geim先生才手舞足蹈地跑出实验室，拉住楼道里的同事们说：“我用磁场把水珠浮在了空中！”接下来的一个多星期，他的实验室里游客络绎不绝。这些整天与高科技前沿打交道的物理学家们看到这一幕，无不惊叹。