Слово «левитация» происходит от английского «levitate» — парить, подниматься в воздух. То есть левитация — это преодоление объектом гравитации, когда он парит и не касается опоры, не отталкиваясь при этом от воздуха, не используя реактивную тягу. С точки зрения физики, левитация — это устойчивое положение объекта в гравитационном поле, когда сила тяжести скомпенсирована и имеет место возвращающая сила, обеспечивающая объекту устойчивость в пространстве.
В частности магнитная левитация — это технология подъёма объекта с помощью магнитного поля, когда для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений используется магнитное действие на объект. Именно о магнитной левитации и пойдет речь в данной статье.
Магнитное удержание объекта в состоянии устойчивого равновесия можно реализовать несколькими способами. Каждый из способов имеет свои особенности, и к каждому можно предъявить претензии, вроде «это не настоящая левитация!», и так оно на самом деле и будет. Настоящая левитация в чистом виде недостижима.
Так, теорема Ирншоу доказывает, что, используя только ферромагнетики, невозможно устойчиво удерживать объект в гравитационном поле. Но несмотря на это, с помощью сервомеханизмов, диамагнетиков, сверхпроводников и систем с вихревыми токами возможно достичь подобие левитации, когда какой-нибудь механизм помогает объекту сохранять равновесие, когда тот поднят над опорой магнитной силой. Однако обо всем по порядку.
Электромагнитная левитация с системой слежения
Применив схему на базе электромагнита и фотореле можно заставить левитировать небольшие металлические предметы. Предмет будет парить в воздухе на некотором расстоянии от неподвижно закрепленного на стойке электромагнита. Электромагнит получает питание, пока фотоэлемент, закрепленный в стойке, не затенен парящим предметом, пока на него попадает достаточно света от неподвижно закрепленного контрольного источника, это значит, что объект нужно притянуть.
Когда объект достаточно приподнят, электромагнит отключается, поскольку в этом момент тень от перемещенного в пространстве объекта падает на фотоэлемент, перекрывая свет источника. Объект начинает падать, но упасть не успевает, так как снова включился электромагнит. Так, отрегулировав чувствительность фотореле, можно добиться эффекта, при котором объект будет как-бы висеть на одном месте в воздухе.
На самом деле объект непрерывно то падает, то вновь немного приподнимается электромагнитном. Получается иллюзия левитации. На этом принципе основана работа «левитирующих глобусов» — довольно необычных сувениров, где к глобусу прикреплена магнитная пластина, с которой и взаимодействует электромагнит, скрытый в подставке.
Диамагнитная левитация
Графитовый грифель от простого карандаша является диамагнетиком, то есть веществом, которое намагничивается против внешнего магнитного поля. В определенных условиях происходит полное вытеснение магнитного поля из материала диамагнетика, например графитовый грифель обладает высокой магнитной восприимчивостью, и начинает парить над неодимовыми магнитами даже при комнатной температуре.
Для устойчивости эффекта магниты следует собрать в шахматном порядке (полюса магнитов), тогда графитовый стержень не выскользнет из «магнитной ловушки» и будет левитировать.
Редкоземельный магнит с индукцией всего 1 Тл может висеть между пластинами висмута, а в магнитном поле с индукцией 11 Тл можно между пальцами стабилизировать «левитацию» маленького неодимового магнита, поскольку руки человека являются диамагнетиком, как и вода.
Известен достаточно широко распространенный опыт с левитирующей лягушкой. Животное аккуратно помещают над магнитом, который создает магнитную индукцию больше 16 Тл и лягушка, демонстрируя диамагнитные свойства, фактически зависает в воздухе на небольшом расстоянии от магнита.
Левитация магнита над сверхпроводником (эффект Мейснера)
Пластина из оксида иттрия-бария-меди охлаждается до температуры жидкого азота. В этих условиях пластина становится сверхпроводником. Если теперь положить неодимовый магнит на подставку над пластиной, а затем подставку из под магнита вытащить, то магнит зависнет в воздухе — будет левитировать.
Даже небольшой магнитной индукции порядка 1 мТл достаточно чтобы магнит, будучи положен на пластину, приподнялся над охлажденным высокотемпературным сверхпроводником на несколько миллиметров. Чем выше индукция магнита — тем выше он поднимется.
Дело здесь в том, что одно из свойств сверхпроводника — выталкивание магнитного поля из сверхпроводящей фазы, и магнит, отталкиваясь от этого магнитного поля противоположного направления как-бы всплывает и продолжает парить над охлажденным сверхпроводником до тех пор, пока он не выйдет из сверхпроводящего состояния.
Левитация в условиях вихревых токов
Вихревые токи (токи Фуко), наводимые переменными магнитными полями в массивных проводниках также способны удерживать предметы в левитирующем состоянии. Например катушка с переменным током может левитировать над замкнутым кольцом из алюминия, а алюминиевый диск будет парить над катушкой с переменным током.
Объяснение здесь такое: по закону Ленца, индуцируемый в диске или в кольце ток будет создавать такое магнитное поле, что его направление станет препятствовать причине его вызывающей, то есть в каждый период колебаний переменного тока в индукторе, в массивном проводнике будет индуцироваться магнитное поле противоположного направления. Так, массивный проводник или катушка подходящий формы смогут левитировать все время пока включен переменный ток.
Аналогичный механизм удержания проявляется, когда неодимовый магнит роняют внутри медной трубы — магнитное поле индуцированных вихревых токов направлено противоположно магнитному полю магнита.
В самом деле?
Некоторые вещи, как железные гвозди известны своими магнитными свойствами, но почему лягушки должны парить в магнитном поле? Хитрость заключается в том, чтобы получить сильное магнитное поле. Вы не можете просто использовать любой старый ферритовый магнит, чтобы заставить лягушку левитировать.
Лягушки, как и все вокруг и внутри нас, состоят из миллионов и миллиардов атомов. Каждый из этих атомов содержит электроны, которые находятся вокруг центрального ядра, но когда атомы находятся в магнитном поле, электроны слегка сдвигают их орбиты. Эти сдвиги дают атомам их собственное магнитное поле так, как когда лягушку помещают в очень сильном магнитном поле, она, по существу, состоит из множества крошечных магнитов. И в этом нет ничего особенного у лягушек. Все материалы — в том числе клубника, вода и золото — это ‘диамагнитны’ до некоторой степени, но некоторые из них более удобны для левитации, чем другие.
Лягушки удобны не только потому, что они имеют высокое содержание воды в организме, что является хорошим диамагнитным материалом, но также и потому, что они легко помещаются внутри трубчатого электромагнита. Электромагниты потребляют больше напряжение электрического тока, чтобы создать чрезвычайно сильное магнитное поле, которое таким образом намагничивает лягушку, — намагничивание в противоположном направлении по отношению к приложенному полю. Это означает, что намагниченная лягушка выталкивается вверх из области высокого магнитного поля, и взлетает.
Верь глазам своим:
Маленькая лягушка (жива!) И водный шар левитируют внутри Ø32mm вертикального канала горького соленоида в магнитном поле около 16 Тесла на Верховного Магнит лаборатории полевой Неймеген.
Образ высокотемпературного сверхпроводника левитирующей выше магнита в тумане жидкого азота вряд ли можно кого-то удивить в эти дни — это стало известно, что сверхпроводники являются идеальными диамагнетиками и магнитное поле должно изгнать их. С другой стороны, вложенные фотографии воды и лягушки зависания внутри магнита (не на борту космического корабля), несколько нелогичным и, возможно, займет много людей (даже физики) врасплох. Это первое наблюдение магнитной левитации живых организмов, а также первые снимки диамагнетиков левитировать в нормальной, комнатной температуры окружающей среды (если не брать в расчет историю о полете Гроб Мухаммеда как таких доказательств, конечно). На самом деле, можно левитировать магнитно каждый материал и все живое на земле в связи с всегда присутствует молекулярной магнетизма. Молекулярная магнетизм очень слаб (миллионов раз слабее ферромагнетизма) и, как правило, остается незамеченным в повседневной жизни, таким образом, создавая ложное впечатление, что материалы вокруг нас, в основном, немагнитных. Но все они магнитные. Это просто, что магнитные поля, необходимые для левитировать все эти «немагнитных» материалы должны быть примерно в 100 раз больше, чем в случае, скажем, сверхпроводников.
Будь объект будет или не будет левитировать в магнитном поле B определяется балансом между магнитной силы F = M ∇ B и тяжести мг = ρV г , где ρ -плотность материала, V -объем и г = 9,8 / с 2 . Магнитный момент М = ( χ / μ 0 ) В.Б. , так что F = ( χ / μ 0 ) Б.В. ∇ B = ( χ / 2μ 0 ) В ∇ B 2 . Таким образом, вертикальный градиент поля ∇ B 2 , необходимое для левитации должен быть больше, чем 2μ 0 ρ г / χ. Молекулярные восприимчивости χ обычно являются 10 -5 для диамагнетиков и 10 -3 для парамагнетиков и, так как ρ чаще всего несколько г / см 3 , их магнитной левитации требуется полевые градиенты
1000 и 10 Т 2 / м соответственно. Принимая л = 10 см как типичный размер сильного поля магнитов и ∇ B 2
B 2 / л в качестве оценки, мы находим, что поля порядка 1 и 10Т достаточно, чтобы вызвать левитации пара-и диамагнитных. Этот результат не должен быть сюрпризом, потому что, как мы знаем, магнитные поля менее 0.1T может левитировать сверхпроводник (χ = -1) и, из приведенных выше формул, магнитная сила увеличивается B 2.
Андрей Гейм, лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года (совместно с Константином Новосёловым), как один из первооткрывателей графена.
https://sharboom.ru европа уно трейд воздушные шары.
Шнобелевская премия 2000 по физике
Эксперимент с летающей лягушкой
Дело было так. Андре Гейм и Майкл Берри опубликовали исследование "Летающие лягушки и левитроны" в "Юропен джорнал оф физикс", т.18, 1997, с.307-313. "Если лягушка изначально находится в состоянии равновесия, то на нее не действуют никакие силы. При изменении формы (например, шарообразная форма меняется на эллипсоид) индуцированный дипольный момент тоже меняется, и соотношение сил уже не равно нулю; тогда лягушка слегка смещается, начинает колебаться вокруг другой точки. Повторяя этот маневр при минимальной частоте колебаний, лягушка покидает зону стабильности".
Из объяснений Майкла Берри: "Удивительно в первый раз смотреть на лягушку, парящую в воздухе вопреки гравитации. Ее держат силы магнетизма. Источником силы служит мощный электромагнит. Он способен вытолкнуть лягушку вверх, потому, что лягушка тоже является магнитом, хотя и слабым. По своей природе лягушка не может быть магнитом, но она намагничивается полем электромагнита — это называется "индуцированным диамагнетизмом". Большинство веществ обладают диамагнетизмом, и Андре удалось подвергнуть левитации многие предметы, включая каплю воды и лесной орех.
В принципе человека тоже можно подвергнуть магнитной левитации, как и лягушку: ведь мы в основном состоим из воды. Поле не должно быть более сильным, но оно должно быть достаточно велико, чтобы вместить человека, а этого пока достичь не удалось. У меня нет причин полагать, что такая левитация может быть бесполезной или как-то повредить человеку, но, естественно, в этом никто не может быть уверен. Тем не менее я бы охотно согласился левитировать первым".
За свою магнитную левитацию Андре Гейм и Майкл Берри удостоены Шнобелевской премии в области физики за 2000 год.
Шнобелевская премия — 1997 — метеорология
В свете того факта, что сила, необходимая для выдергивания перьев, варьируется в широком диапазоне самым причудливым и непредсказуемым образом и зависит от состояния курицы и ее реакции на окружающую обстановку, — феномен ощипывания являет собой сомнитель
подробнее
Шнобелевская премия — 1994 — психология
Ли Куан Ю, бывший премьер-министр Сингапура, психолог-практик, использовавший методы негативного стимулирования, за тридцатилетнюю работу по изучению воздействия мер наказания на три миллиона граждан Сингапура за то, что они плевались, жевали жвачку и кор
подробнее
Марк Абрахамс, Шнобелевские премии, М., «ACT»; «ACT МОСКВА»; «Транзит-книга», 2006 г.