Магнитна левитация - какво е това и как е възможно

Думата "левитация" идва от английското "levitate" - да се извисява, да се издига във въздуха. Тоест, левитацията е преодоляването от обекта на гравитацията, когато се извисява и не докосва опората, без отблъскване от въздуха, без използване на реактивно задвижване. От гледна точка на физиката, левитацията е стабилно положение на обект в гравитационно поле, когато гравитацията се компенсира и има възстановяваща сила, която осигурява на обекта стабилност в пространството.

По-специално, магнитната левитация е технологията на повдигане на предмет с помощта на магнитно поле, когато магнитното действие върху обект се използва за компенсиране на ускорението на гравитацията или всяко друго ускорение. Става дума за магнитната левитация, която ще бъде разгледана в тази статия.

Магнитното задържане на обект в състояние на стабилно равновесие може да се реализира по няколко начина. Всеки от методите има своите особености и към всеки може да се предявят претенции, като например „това не е истинска левитация!“, И така наистина ще бъде. Истинската левитация в чистия й вид е недостижима.

И така, теоремата на Ърншоу доказва, че с помощта само на феромагнетици е невъзможно стабилно да се държи предмет в гравитационно поле. Но въпреки това, с помощта на сервомеханизми, диамагнетика, свръхпроводници и системи с вихрови токове е възможно да се постигне прилика на левитация, когато някакъв механизъм помага на обекта да поддържа равновесие, когато е вдигнат над опората с магнитна сила. Обаче първо първо.

Електромагнитна левитация със система за проследяване

Прилагайки схема на базата на електромагнит и фотореле, можете да принудите левитация на малки метални предмети. Елементът ще плава във въздуха на известно разстояние от електромагнита, фиксиран на стелажа. Електромагнитът получава мощност, докато фотоклетката, монтирана в стелажа, е затъмнена от висящ обект, докато от нея не попадне достатъчно светлина от неподвижен контролен източник, което означава, че обектът трябва да бъде изтеглен.

Когато обектът е достатъчно повдигнат, електромагнитът се изключва, защото в този момент сянката от обекта, преместена в пространството, пада върху фотоклетката, блокирайки светлината на източника. Обектът започва да пада, но няма време да падне, тъй като електромагнитът се включва отново. Така че, като регулирате чувствителността на фоторелето, можете да постигнете ефект, при който обектът по някакъв начин да виси на едно място във въздуха.

Всъщност обектът постоянно пада, след това отново леко повдигнат от електромагнитния. Оказва се илюзията за левитация. Този принцип се основава на работата на „левитиращи глобуси“ - доста необичайни сувенири, при които към земното кълбо е прикрепена магнитна плоча, с която взаимодейства електромагнит, скрит в стойка.

Диамагнитна левитация

Графитното олово от обикновен молив е диамагнетик, тоест вещество, което се намагнетизира срещу външно магнитно поле. При определени условия магнитното поле се измества напълно от материала на диамагнита, например графитното олово има висока магнитна чувствителност и започва да се извисява над неодимови магнити дори при стайна температура.

За стабилност на ефекта, магнитите трябва да бъдат подредени (магнитни стълбове), след което графитният прът няма да се изплъзне от „магнитния капан“ и ще левитира.

Рядкоземен магнит с индукция само 1 T може да виси между бисмутови плочи, а в магнитно поле с индукция 11 T „левитацията“ на малък неодимов магнит може да се стабилизира между пръстите, тъй като човешките ръце са диамагнетик, подобно на вода.

Известен е доста разпространен опит с левитираща жаба. Животното се поставя внимателно над магнит, който създава магнитна индукция над 16 T, а жабата, демонстрирайки диамагнитни свойства, всъщност замръзва във въздуха на малко разстояние от магнита.

Левитация на магнит над свръхпроводник (ефект на Майснер)

Итриево-бариево-медната оксидна плоча се охлажда до температурата на течния азот. При тези условия плочата става свръхпроводник, Ако сега поставите неодимов магнит върху стойка над плочата и след това извадите стойката изпод магнита, тогава магнитът ще замръзне във въздуха - той ще левитира.

Дори малка магнитна индукция от порядъка на 1 mT е достатъчна, за да може магнитът, поставен върху плочата, да се издигне на няколко милиметра над охладения високотемпературен свръхпроводник. Колкото по-голяма е индукцията на магнита, толкова по-високо ще се издига.

Въпросът тук е, че едно от свойствата на свръхпроводника е изгонването на магнитното поле от свръхпроводящата фаза, а магнитът, отблъскващ се от това магнитно поле в обратна посока, плава нагоре и продължава да се извисява над охладения свръхпроводник, докато излезе от свръхпроводящото състояние.

Ледитация на Еди

Вихровите токове (токове на Фуко), индуцирани от редуващи се магнитни полета в масивни проводници, също са в състояние да поддържат обектите в левитиращо състояние. Например, намотка с променлив ток може да левитира върху затворен алуминиев пръстен, а алуминиев диск ще се задържи над намотка с променлив ток.

Обяснението тук е следното: според закона на Ленц токът, индуциран в диска или в пръстена, ще създаде такова магнитно поле, че посоката му ще възпрепятства причината за него, тоест във всеки период на колебания с променлив ток в индуктора ще се индуцира магнитно поле в обратна посока в масивния проводник , И така, масивен проводник или намотка с подходяща форма може да левитира през цялото време, докато променливият ток е включен.

Подобен механизъм на задържане възниква, когато неодимов магнит капка вътре в медна тръба - магнитното поле на индуцираните вихрови токове е насочено обратно на магнитното поле на магнита.