Magnētiskā levitācija - kas tas ir un kā tas ir iespējams

Vārds "levitation" nāk no angļu valodas "levitate" - planēt, pacelties gaisā. Tas ir, levitācija ir gravitācijas objekta pārvarēšana, kad tas paceļas un nepieskaras atbalstam, vienlaikus neizstumjoties no gaisa, neizmantojot reaktīvo dzinēju. No fizikas viedokļa levitācija ir objekta stabila pozīcija gravitācijas laukā, kad gravitācija tiek kompensēta un notiek atjaunojošs spēks, kas objektam nodrošina stabilitāti telpā.

Jo īpaši magnētiskā levitācija ir objekta pacelšanas tehnoloģija, izmantojot magnētisko lauku, kad magnētiskā iedarbība uz objektu tiek izmantota, lai kompensētu smaguma paātrinājumu vai jebkuru citu paātrinājumu. Šajā rakstā tiks runāts par magnētisko levitāciju.

Objekta magnētisko aizturi stabila līdzsvara stāvoklī var realizēt vairākos veidos. Katrai no metodēm ir savas īpatnības, un katrai no tām var izteikt pretenzijas, piemēram, “šī nav īsta levitācija!”, Un tā tas tiešām būs. Patiesa levitācija tīrā veidā nav pieejama.

Tātad, Earnshaw teorēma pierāda, ka, izmantojot tikai feromagnētus, nav iespējams stabili noturēt objektu gravitācijas laukā. Bet, neskatoties uz to, ar servomehānismu, diamagnētikas, supravadītāju un virpuļstrāvas sistēmu palīdzību ir iespējams panākt levitācijas līdzību, kad kāds mehānisms palīdz objektam saglabāt līdzsvaru, kad tas ar magnētiskā spēka palīdzību tiek pacelts virs atbalsta. Tomēr vispirms ir pirmās lietas.

Elektromagnētiskā levitācija ar izsekošanas sistēmu

Izmantojot ķēdi, kuras pamatā ir elektromagnēts un fotorelejs, jūs varat piespiest mazu metāla priekšmetu levitāciju. Prece peldēs gaisā kaut kādā attālumā no uz statīva piestiprinātā elektromagnēta. Elektromagnēts saņem enerģiju, līdz statīvā ievietoto fotoelementu aizsedz planējošs priekšmets, līdz no fiksēta vadības avota no tā nokļūst pietiekami daudz gaismas, kas nozīmē, ka objekts ir jāvelk.

Kad objekts ir pietiekami pacelts, elektromagnēts tiek izslēgts, jo šajā brīdī ēnā no kosmosā pārvietotā objekta krīt uz fotoelementa, bloķējot avota gaismu. Objekts sāk krist, bet tam nav laika nokrist, jo elektromagnēts atkal tiek ieslēgts. Tātad, pielāgojot foto releja jutīgumu, jūs varat sasniegt efektu, kurā objekts kaut kādā veidā karājas gaisā vienā vietā.

Faktiski objekts pastāvīgi krīt, pēc tam to atkal nedaudz paaugstina elektromagnētiskais elements. Izrādās levitācijas ilūzija. Šis princips ir balstīts uz “levitējošo globusu” darbu - diezgan neparastiem suvenīriem, kur zemeslodei ir piestiprināta magnētiskā plāksne, ar kuru mijiedarbojas statīvā paslēptais elektromagnēts.

Diamagnētiskā levitācija

Grafīta svins no vienkārša zīmuļa ir diamagnēts, tas ir, viela, kas tiek magnetizēta pret ārēju magnētisko lauku. Noteiktos apstākļos magnētiskais lauks tiek pilnībā izspiests no diamagnēta materiāla, piemēram, grafīta svina magnētiskā jutība ir augsta un tas sāk planēt virs neodīma magnētiem pat istabas temperatūrā.

Lai panāktu efekta stabilitāti, magnēti jāsadala (magnēta stabi), tad grafīta stienis neizslīd no “magnētiskā slazda” un izplūst.

Retzemju magnēts, kura indukcija ir tikai 1 T, var pakārties starp bismuta plāksnēm, un magnētiskajā laukā ar indukciju 11 T mazā neodīma magnēta “levitācija” var tikt stabilizēta starp pirkstiem, jo ​​cilvēka rokas ir diamagnēts, tāpat kā ūdens.

Ir zināma diezgan izplatīta pieredze ar levitējošo vardi. Dzīvnieku uzmanīgi novieto virs magnēta, kas rada magnētisko indukciju vairāk nekā 16 T, un varde, demonstrējot diamagnētiskās īpašības, faktiski sasalst gaisā nelielā attālumā no magnēta.

Magnēta levitācija virs supravadītāja (Meissnera efekts)

Itrija-bārija-vara oksīda plāksne tiek atdzesēta līdz šķidrā slāpekļa temperatūrai. Šajos apstākļos plāksne kļūst par supra vadītāju. Ja jūs tagad novietosit neodīma magnētu uz statīva virs plāksnes un pēc tam izvilkt statīvu no zem magnēta, tad magnēts gaisā sasalst - tas izdalīsies.

Pat ar nelielu magnētisko indukciju 1 mT apjomā ir pietiekami, lai magnēts, novietojot uz plāksnes, paceltos dažus milimetrus virs atdzesēta augstas temperatūras supravada. Jo augstāka ir magnēta indukcija, jo augstāks tas palielināsies.

Šeit runa ir par to, ka viena no supravadītāja īpašībām ir magnētiskā lauka izstumšana no supravadošās fāzes, un magnēts, sākot no šī pretējā virziena magnētiskā lauka, peld uz augšu un turpina planēt virs atdzesētā supravadītāja, līdz tas atstāj supravadošo stāvokli.

Virpuļstrāvas levitācija

Virpuļstrāvas (Foucault strāvas), ko izraisa mainīgi magnētiskie lauki masveida vadītājos, arī spēj noturēt priekšmetus levitējošā stāvoklī. Piemēram, maiņstrāvas spole var levitēt virs slēgta alumīnija gredzena, un alumīnija disks atradīsies virs maiņstrāvas spoles.

Šeit izskaidrojums ir šāds: saskaņā ar Lenca likumu diskā vai gredzenā inducētā strāva radīs tādu magnētisko lauku, ka tā virziens kavē tā cēloni, tas ir, katrā induktīvās maiņstrāvas svārstību periodā masīvajā vadītājā tiek ierosināts pretēja virziena magnētiskais lauks. . Tātad masīvs, piemērotas formas vadītājs vai spole var visu laiku levitēt, kamēr ir ieslēgta maiņstrāva.

Līdzīgs aiztures mehānisms rodas, ja neodīma magnēts kritums vara caurules iekšpusē - inducēto virpuļstrāvu magnētiskais lauks ir vērsts pretēji magnēta magnētiskajam laukam.