Lewitacja magnetyczna - co to jest i jak to możliwe

Słowo „lewitacja” pochodzi od angielskiego „lewitacja” - szybować, wznosić się w powietrze. Oznacza to, że lewitacja jest przezwyciężeniem przez grawitację, gdy szybuje ona i nie dotyka podpory, nie odpychając się od powietrza, bez użycia napędu odrzutowego. Z punktu widzenia fizyki lewitacja jest stabilną pozycją obiektu w polu grawitacyjnym, gdy grawitacja jest kompensowana i występuje siła przywracająca, która zapewnia obiektowi stabilność w przestrzeni.

W szczególności lewitacja magnetyczna jest technologią podnoszenia przedmiotu za pomocą pola magnetycznego, gdy działanie magnetyczne na przedmiot służy do kompensacji przyspieszenia grawitacyjnego lub dowolnego innego przyspieszenia. Chodzi o lewitację magnetyczną, która zostanie omówiona w tym artykule.

Zatrzymanie magnetyczne obiektu w stanie stabilnej równowagi można zrealizować na kilka sposobów. Każda z metod ma swoją specyfikę i można do niej wysunąć roszczenia, takie jak „to nie jest prawdziwa lewitacja!”, I tak naprawdę będzie. Prawdziwa lewitacja w czystej postaci jest nieosiągalna.

Twierdzenie Earnshaw udowadnia, że ​​przy użyciu tylko ferromagnesów niemożliwe jest stabilne trzymanie obiektu w polu grawitacyjnym. Ale pomimo tego, za pomocą serwomechanizmów, diamagnetiki, nadprzewodników i systemów wiroprądowych, można osiągnąć pozory lewitacji, gdy jakiś mechanizm pomaga obiektowi utrzymać równowagę, gdy jest podnoszony ponad podpórkę przez siłę magnetyczną. Najpierw jednak pierwsze.

Lewitacja elektromagnetyczna z systemem śledzenia

Stosując obwód oparty na elektromagnesie i fotoprzekaźniku, możesz wymusić lewitację małych metalowych przedmiotów. Przedmiot będzie unosił się w powietrzu w pewnej odległości od elektromagnesu zamocowanego na stojaku. Elektromagnes otrzymuje energię, dopóki fotokomórka zamontowana w stojaku nie zostanie zasłonięta przez szybujący obiekt, dopóki wystarczająca ilość światła nie dostanie się z niego ze stałego źródła sterowania, co oznacza, że ​​obiekt należy pociągnąć.

Gdy obiekt zostanie wystarczająco podniesiony, elektromagnes jest wyłączany, ponieważ w tym momencie cień z obiektu poruszanego w przestrzeni pada na fotokomórkę, blokując światło źródła. Obiekt zaczyna spadać, ale nie ma czasu na upadek, ponieważ elektromagnes zostaje ponownie włączony. Tak więc, dostosowując czułość przekaźnika foto, możesz osiągnąć efekt, w którym obiekt w jakiś sposób zawiesi się w jednym miejscu w powietrzu.

W rzeczywistości obiekt ciągle spada, a następnie ponownie nieznacznie unosi się przez pole elektromagnetyczne. Okazuje się, że złudzenie lewitacji. Zasada ta opiera się na pracy „lewitujących globów” - raczej niezwykłych pamiątek, w których do kuli ziemskiej przymocowana jest płyta magnetyczna, z którą oddziałuje elektromagnes ukryty w stojaku.

Lewitacja diamagnetyczna

Ołów grafitowy z prostego ołówka to diamagnet, czyli substancja namagnesowana pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. W pewnych warunkach pole magnetyczne jest całkowicie przemieszczane z materiału diamagnetycznego, na przykład ołów grafitowy ma wysoką podatność magnetyczną i zaczyna szybować ponad magnesami neodymowymi nawet w temperaturze pokojowej.

Aby uzyskać stabilność efektu, magnesy powinny być ułożone naprzemiennie (bieguny magnetyczne), a następnie pręt grafitowy nie wyślizgnie się z „pułapki magnetycznej” i będzie lewitował.

Magnes ziem rzadkich o indukcji tylko 1 T może wisieć między płytkami bizmutu, a w polu magnetycznym o indukcji 11 T „lewitację” małego magnesu neodymowego można ustabilizować między palcami, ponieważ ludzkie ręce są diamagnetem, podobnie jak woda.

Znane jest dość powszechne doświadczenie z lewitującą żabą. Zwierzę umieszcza się ostrożnie nad magnesem, który wytwarza indukcję magnetyczną powyżej 16 T, a żaba, wykazując właściwości diamagnetyczne, wisi w powietrzu w niewielkiej odległości od magnesu.

Lewitacja magnesu nad nadprzewodnikiem (efekt Meissnera)

Płyta z tlenku itru-baru i miedzi jest schładzana do temperatury ciekłego azotu. W tych warunkach płyta staje się nadprzewodnikiem. Jeśli teraz umieścisz magnes neodymowy na stojaku nad płytą, a następnie wyciągniesz stojak spod magnesu, wówczas magnes zamarznie w powietrzu - będzie lewitować.

Wystarczy nawet niewielka indukcja magnetyczna rzędu 1 mT, aby magnes umieszczony na płytce wzniósł się o kilka milimetrów nad schłodzony nadprzewodnik wysokotemperaturowy. Im wyższa indukcja magnesu, tym wyższy będzie wzrost.

Chodzi tutaj o to, że jedną z właściwości nadprzewodnika jest wydalenie pola magnetycznego z fazy nadprzewodzącej, a magnes odpychający od tego pola magnetycznego w przeciwnym kierunku unosi się i unosi ponad chłodzonym nadprzewodnikiem, dopóki nie opuści stanu nadprzewodzącego.

Lewitacja prądami wirowymi

Prądy wirowe (prądy Foucaulta) indukowane przez przemienne pola magnetyczne w masywnych przewodnikach są również w stanie utrzymywać obiekty w stanie lewitującym. Na przykład cewka prądu przemiennego może unosić się nad zamkniętym aluminiowym pierścieniem, a aluminiowa tarcza unosi się nad cewką prądu przemiennego.

Wyjaśnienie jest następujące: zgodnie z prawem Lenza prąd indukowany w dysku lub w pierścieniu wytworzy takie pole magnetyczne, że jego kierunek będzie zakłócał jego przyczynę, to znaczy w każdym okresie oscylacji prądu przemiennego w cewce indukcyjnej pole magnetyczne o przeciwnym kierunku będzie indukowane w przewodzie masywnym . Tak więc masywny przewodnik lub cewka o odpowiednim kształcie może lewitować przez cały czas, gdy prąd przemienny jest włączony.

Podobny mechanizm retencyjny występuje, gdy magnes neodymowy wpaść do miedzianej rury - pole magnetyczne indukowanych prądów wirowych jest skierowane przeciwnie do pola magnetycznego magnesu.