Magnetická levitace - co to je a jak je to možné

Slovo „levitace“ pochází z anglického „levitátu“ - stoupat, stoupat do vzduchu. To znamená, že levitace je překonání gravitačním předmětem, když stoupá a nedotýká se podpory, aniž by tlačila ze vzduchu, bez použití tryskového pohonu. Z pohledu fyziky je levitace stabilní poloha objektu v gravitačním poli, když je gravitace kompenzována a existuje obnovovací síla, která dodává objektu stabilitu v prostoru.

Zejména, magnetická levitace je technologie zvedání objektu pomocí magnetického pole, když se magnetická akce na objekt použije ke kompenzaci zrychlení gravitace nebo jiného zrychlení. V tomto článku se budeme zabývat magnetickou levitací.

Magnetická retence objektu ve stavu stabilní rovnováhy může být realizována několika způsoby. Každá z metod má své vlastní zvláštnosti a lze na ně uplatnit nároky, jako například „toto není skutečná levitace!“, A tak to opravdu bude. Skutečná levitace v její čisté podobě je nedosažitelná.

Earnshawova věta tedy dokazuje, že při použití pouze feromagnetů je nemožné stabilně držet objekt v gravitačním poli. Ale i přes to lze pomocí servomechanismů, diamagnetik, supravodičů a systémů vířivých proudů dosáhnout zdání levitace, když nějaký mechanismus pomůže objektu udržet rovnováhu, když je nad podporou magnetickou silou. Nejdříve však první.

Elektromagnetická levitace se sledovacím systémem

Použitím obvodu založeného na elektromagnetu a fotorelayi můžete vynutit levitaci malých kovových předmětů. Předmět bude vznášet ve vzduchu v určité vzdálenosti od elektromagnetu připevněného na stojanu. Elektromagnet přijímá energii, dokud fotobunka namontovaná ve stojanu nezakrývá prudce rostoucí objekt, dokud z něj nedostane dostatek světla z pevného ovládacího zdroje, což znamená, že objekt musí být vytažen.

Když je objekt dostatečně zdvižen, elektromagnet se vypne, protože v tuto chvíli dopadá stín z objektu, který se pohybuje v prostoru, na fotobuňku, což blokuje světlo zdroje. Objekt začíná padat, ale nemá čas na pád, protože elektromagnet je znovu zapnutý. Úpravou citlivosti foto relé tak můžete dosáhnout efektu, při kterém bude objekt nějak viset na jednom místě ve vzduchu.

Ve skutečnosti objekt neustále klesá a poté je elektromagnetem opět mírně zvednut. Ukázalo se, že jde o iluzi levitace. Tento princip je založen na práci „vznášejících se koulí“ - spíše neobvyklých suvenýrů, kde je k planetě připevněna magnetická deska, se kterou interaguje elektromagnet skrytý ve stojanu.

Diamagnetická levitace

Olovnatý grafit z jednoduché tužky je diamagnet, tj. Látka, která je magnetizována proti vnějšímu magnetickému poli. Za určitých podmínek je magnetické pole zcela přemístěno z materiálu diamagnetu, například grafitové olovo má vysokou magnetickou susceptibilitu a začíná stoupat nad neodymové magnety i při pokojové teplotě.

Pro zajištění stability je třeba magnety rozložit (magnetické póly), potom grafitová tyč nebude vyklouznout z „magnetické pasti“ a bude levitovat.

Mezi destičkami bizmutu může viset magnet vzácných zemin s indukcí pouze 1 T a v magnetickém poli s indukcí 11 T lze mezi prsty stabilizovat „levitaci“ malého neodymového magnetu, protože lidské ruce jsou diamagnetem jako voda.

Je známa poměrně rozšířená zkušenost s levitující žábou. Zvíře je pečlivě umístěno nad magnetem, který vytváří magnetickou indukci více než 16 T, a žába vykazující diamagnetické vlastnosti ve vzduchu v krátké vzdálenosti od magnetu skutečně mrzne.

Levitace magnetů nad supravodičem (Meissnerův efekt)

Destička z oxidu yttria, barya a mědi se ochladí na teplotu kapalného dusíku. Za těchto podmínek deska se stává supravodičem. Pokud nyní položíte neodymový magnet na stojan nad deskou a poté stojan vytáhnete z pod magnetem, magnet zavěsí ve vzduchu - levituje.

I malá magnetická indukce řádově 1 mT postačuje k tomu, aby magnet, když je umístěn na desce, zvedl několik milimetrů nad chlazený vysokoteplotní supravodič. Čím vyšší je indukce magnetu, tím vyšší bude stoupat.

Jde o to, že jednou z vlastností supravodiče je vytlačení magnetického pole z supravodivé fáze a magnet odpuzující z tohoto magnetického pole v opačném směru vznáší se a stále stoupá nad ochlazeným supravodičem, dokud neopustí supravodivý stav.

Eddyho současná levitace

Vířivé proudy (Foucaultovy proudy) indukované střídavým magnetickým polem v masivních vodičích jsou také schopny udržovat objekty v levitujícím stavu. Například cívka se střídavým proudem se může vznášet nad uzavřeným hliníkovým prstencem a hliníkový disk se bude vznášet nad cívkou se střídavým proudem.

Vysvětlení je následující: podle Lenzova zákona proud indukovaný v disku nebo v kruhu vytvoří takové magnetické pole, že jeho směr bude bránit jeho příčině, to znamená, že v každém období kolísání střídavého proudu v induktoru bude v masivním vodiči indukováno magnetické pole opačného směru. . Takže mohutný vodič nebo cívka vhodného tvaru může levitovat po celou dobu, kdy je střídavý proud zapnutý.

K podobnému retenčnímu mechanismu dochází, když neodymový magnet kapka uvnitř měděné trubky - magnetické pole indukovaných vířivých proudů je směrováno proti magnetickému poli magnetu.