Квантова левітація (ефект Мейснера): наукове пояснення
Опубликованно 18.08.2019 05:05
Левітація – це подолання сили тяжіння, при якій суб'єкт або об'єкт знаходиться в просторі без опори. Слово «левітація» походить від латинського Levitas, що означає «легкість».
Левітацію неправильно прирівнювати до польоту, тому що останній заснований на опорі повітря, саме тому птахи, комахи та інші тварини літають, а не левитируют. Левітація у фізиці
Левітація у фізиці відноситься до стійкого положення тіла в гравітаційному полі, при цьому тіло не повинно стосуватися інших об'єктів. Левітація увазі деякі необхідні і неосяжні умови: Сила, яка здатна компенсувати гравітаційне тяжіння та силу тяжіння. Сила, яка здатна забезпечити стійкість тіла в просторі.
З закону Гауса випливає, що у статичному магнітному полі статичні тіла або об'єкти не здатні до левітації. Проте якщо змінити умови, то можна досягти левітації. Квантова левітація
Широкій публіці про квантової левітації вперше стало відомо в березні 1991 року, коли в науковому журналі Nature було опубліковано цікаве фото. На ньому директор Токійській дослідної лабораторії з надпровідності Дон Тапскотт стояв на керамічній надпровідної пластини, а між підлогою і пластиною не було нічого. Фотографія виявилася справжньою, а пластина, яка разом з стоячою на неї директором важила близько 120 кілограмів, могла левітіровать над підлогою завдяки ефекту надпровідності, відомому як ефект Мейснера-Оксенфельда. Диамагнитная левітація
Так називають тип перебування в підвішеному стані в магнітному полі тіла, що містить воду, яка сама по собі є диамагнетиком, тобто матеріалом, атоми якого здатні намагнічуватися проти напрямку основного електромагнітного поля.
В процесі диамагнитной левітації основну роль відіграють діамагнітні властивості провідників, атоми яких під дією зовнішнього магнітного поля злегка змінюють параметри руху електронів в їх молекулах, що призводить до появи слабкого магнітного поля, протилежної за напрямом основного. Ефекту цього слабкого електромагнітного поля достатньо, щоб подолати силу тяжіння.
Щоб продемонструвати диамагнитную левітацію, вчені багаторазово проводили досліди на невеликих тварин.
Цей вид левітації використовувався в експериментах на живих об'єктах. Під час дослідів у зовнішньому магнітному полі з індукцією близько 17 Тесла було досягнуто підвішений стан (левітація) жаб і мишей.
По третьому закону Ньютона, властивості діамагнетиків можна використовувати і навпаки, тобто для левітації магніту в поле диамагнетика або для його стабілізації в електромагнітному полі.
Диамагнитная левітація за своєю природою ідентична квантової левітації. Тобто як і при дії ефекту Мейснера, відбувається абсолютне витіснення з матеріалу провідника магнітного поля. Невеликою відмінністю є лише те, що для досягнення диамагнитной левітації необхідно значно більше сильне електромагнітне поле, однак при цьому зовсім не потрібно охолоджувати провідники, щоб добитися їх надпровідності, як у випадку з квантової левитацией.
В домашніх умовах можна навіть поставити кілька дослідів з диамагнитной левітації, наприклад, при наявності двох пластин вісмуту (який є диамагнетиком) можна встановити в підвішений стан магніт з невисокою індукцією, близько 1 Тл. Крім того, в електромагнітному полі з індукцією в 11 Тесла можна стабілізувати в підвішеному стані невеликий магніт, регулюючи його положення пальцями, при цьому абсолютно не торкаючись магніту.
Часто зустрічаються діамагнетиками є практично всі інертні гази, фосфор, азот, кремній, водень, срібло, золото, мідь і цинк. Навіть людське тіло є диамагнетиком в правильному електромагнітному магнітному полі. Магнітна левітація
Магнітна левітація – це ефективний метод підняття об'єкта з використанням магнітного поля. У цьому випадку магнітне тиск використовується для компенсації сили тяжіння і вільного падіння.
Згідно з теоремою Ирншоу, не можна утримувати об'єкт у гравітаційному полі стійко. Тобто левітація при таких умовах неможлива, однак якщо взяти до уваги механізми дії діамагнетиків, вихрових струмів і надпровідників, то можна досягти ефективної левітації.
Якщо магнітна левітація забезпечує підйомну силу при механічної підтримки, таке явище прийнято називати псевдолевитацией. Ефект Мейснера
Ефект Мейснера – це процес абсолютного витіснення магнітного поля з усього об'єму провідника. Зазвичай це відбувається в процесі переходу провідника в надпровідний стан. Саме цим надпровідники відрізняються від ідеальних – при тому, що в обох опір відсутній, магнітна індукція ідеальних провідників залишається незмінною.
Вперше це явище спостерігали і описали в 1933 році двоє німецьких фізиків – Мейснер і Оксенфельд. Саме тому іноді квантову левітацію називають ефектом Мейснера-Оксенфельда.
Із загальних законів електромагнітного поля випливає, що при відсутності в об'ємі провідника магнітного поля в ньому є тільки поверхневий струм, який займає простір біля поверхні надпровідника. При цих умовах надпровідник веде себе так само, як і диамагнетик, при цьому таким не будучи.
Ефект Мейснера поділяють на повний і частковий, в залежності від якості надпровідників. Повний ефект Мейснера спостерігається, коли магнітне поле повністю витісняється. Високотемпературні надпровідники
В природі мало чистих надпровідників. Більшість їх матеріалів, що володіють властивостями надпровідності, є сплавами, у яких найчастіше спостерігається лише частковий ефект Мейснера.
В надпровідниках саме здатність повністю витісняти магнітне поле зі свого обсягу поділяє матеріали на надпровідники першого та другого типів. Надпровідниками першого типу є чисті речовини, наприклад, ртуть, свинець і олово, здатні навіть при високих магнітних полях продемонструвати повний ефект Мейснера. Надпровідники другого типу – найчастіше сплави, а також кераміка або деякі органічні сполуки, які в умовах магнітного поля з високою індукцією здатні лише на часткове витіснення магнітного поля з свого обсягу. Тим не менш в умовах дуже малої індукції магнітного поля практично всі надпровідники, у тому числі і другого типу, здатні на повний ефект Мейснера.
Відомо кілька сотень сплавів, з'єднань і кілька чистих матеріалів, що володіють характеристиками квантової надпровідності. Досвід «Труна Магомета»
«Труна Магомета» – це своєрідний фокус з левитацией. Так називали досвід, наочно демонструє ефект.
Згідно з мусульманською легендою, труну пророка Магомеда знаходився в повітрі в підвішеному стані, без будь-якої опори і підтримки. Саме тому досвіду таку назву. Наукове пояснення досвіду
Надпровідність може бути досягнута лише при дуже низьких температурах, тому надпровідник необхідно заздалегідь охолодити, наприклад, за допомогою високотемпературних газів, таких як рідкий гелій або рідкий азот.
Потім на поверхню плоского охолодженого надпровідника поміщають магніт. Навіть у полях з мінімальною магнітною індукцією, що не перевищує 0,001 Тесла, магніт піднімається вгору над поверхнею надпровідника приблизно на 7-8 міліметрів. Якщо поступово збільшувати індукцію магнітного поля, відстань між поверхнею надпровідника і магнітом буде збільшуватися все більше і більше.
Магніт буде продовжувати левітіровать до того моменту, поки зовнішні умови не зміняться і надпровідник не втратить свої надпровідні характеристики.
Надія Чиканчі
Категория: Новости
