Levitazione magnetica: cos'è e come è possibile

La parola "levitazione" deriva dall'inglese "levitare" - per librarsi, per salire in aria. Cioè, la levitazione è il superamento da parte dell'oggetto di gravità quando si alza e non tocca il supporto, mentre non spinge via dall'aria, senza usare la propulsione a getto. Dal punto di vista della fisica, la levitazione è una posizione stabile di un oggetto in un campo gravitazionale, quando la gravità viene compensata e c'è una forza di ripristino che fornisce all'oggetto stabilità nello spazio.

In particolare, la levitazione magnetica è la tecnologia di sollevamento di un oggetto mediante un campo magnetico, quando un'azione magnetica sull'oggetto viene utilizzata per compensare l'accelerazione di gravità o qualsiasi altra accelerazione. Si tratta di levitazione magnetica che sarà discussa in questo articolo.

La ritenzione magnetica di un oggetto in uno stato di equilibrio stabile può essere realizzata in diversi modi. Ognuno dei metodi ha le sue peculiarità e si possono fare affermazioni su ciascuno di essi, come "questa non è una vera levitazione!", E così sarà davvero. La vera levitazione nella sua forma pura è irraggiungibile.

Quindi, il teorema di Earnshaw dimostra che, usando solo ferromagneti, è impossibile trattenere stabilmente un oggetto in un campo gravitazionale. Nonostante ciò, con l'aiuto di servomeccanismi, diamagnetici, superconduttori e sistemi a correnti parassite, è possibile ottenere una parvenza di levitazione quando alcuni meccanismi aiutano l'oggetto a mantenere l'equilibrio quando viene sollevato sopra il supporto dalla forza magnetica. Tuttavia, per prima cosa.

Levitazione elettromagnetica con sistema di tracciamento

Applicando un circuito basato su un elettromagnete e un fotorelay, è possibile forzare la levitazione di piccoli oggetti metallici. L'articolo galleggerà in aria ad una certa distanza dall'elettromagnete fissato sul rack. L'elettromagnete riceve energia fino a quando la fotocellula montata nel rack non viene oscurata da un oggetto impennato, fino a quando una luce sufficiente non proviene da una fonte di controllo fissa, il che significa che l'oggetto deve essere tirato.

Quando l'oggetto è sufficientemente sollevato, l'elettromagnete viene spento, poiché in questo momento l'ombra dall'oggetto spostato nello spazio cade sulla fotocellula, bloccando la luce della sorgente. L'oggetto inizia a cadere, ma non ha il tempo di cadere, poiché l'elettromagnete si riaccende. Quindi, regolando la sensibilità del relè fotografico, è possibile ottenere un effetto in cui l'oggetto si bloccherà in qualche modo in un punto nell'aria.

In effetti l'oggetto cade costantemente, quindi di nuovo leggermente sollevato dall'elettromagnetico. Si scopre l'illusione della levitazione. Questo principio si basa sul lavoro dei "globi levitanti" - souvenir piuttosto insoliti, in cui una piastra magnetica è attaccata al globo, con cui un elettromagnete, nascosto in un supporto, interagisce.

Levitazione diamagnetica

Il piombo di grafite di una semplice matita è un diamagnet, cioè una sostanza che viene magnetizzata contro un campo magnetico esterno. In determinate condizioni, il campo magnetico viene completamente spostato dal materiale della diamagnet, ad esempio il piombo di grafite ha un'alta suscettività magnetica e inizia a salire sopra i magneti al neodimio anche a temperatura ambiente.

Per stabilità dell'effetto, i magneti dovrebbero essere sfalsati (poli del magnete), quindi l'asta di grafite non scivolerà fuori dalla "trappola magnetica" e si leviterà.

Un magnete in terre rare con un'induzione di solo 1 T può essere sospeso tra le piastre di bismuto e in un campo magnetico con un'induzione di 11 T, la "levitazione" di un piccolo magnete al neodimio può essere stabilizzata tra le dita, poiché le mani umane sono un diamagnet, come l'acqua.

È nota un'esperienza abbastanza diffusa con una rana levitante. L'animale viene posizionato con cura sopra un magnete, che crea un'induzione magnetica di oltre 16 T, e la rana, dimostrando proprietà diamagnetiche, in realtà si congela nell'aria a breve distanza dal magnete.

Levitazione magnetica su un superconduttore (effetto Meissner)

La piastra di ossido di ittrio-bario-rame viene raffreddata alla temperatura dell'azoto liquido. In queste condizioni, il piatto diventa un superconduttore. Se ora metti un magnete al neodimio su un supporto sopra la piastra e quindi estrai il supporto da sotto il magnete, il magnete si congela nell'aria - si levita.

Anche una piccola induzione magnetica dell'ordine di 1 mT è sufficiente affinché il magnete, quando posizionato sulla piastra, si alzi di qualche millimetro al di sopra del superconduttore raffreddato ad alta temperatura. Maggiore è l'induzione del magnete, maggiore sarà il suo aumento.

Il punto qui è che una delle proprietà di un superconduttore è l'espulsione del campo magnetico dalla fase superconduttiva e il magnete, respingendo da questo campo magnetico della direzione opposta, galleggia e continua a librarsi sopra il superconduttore raffreddato fino a quando lascia lo stato superconduttore.

Levitazione della corrente parassita

Le correnti parassite (correnti di Foucault) indotte dall'alternanza di campi magnetici in conduttori di massa sono anche in grado di mantenere gli oggetti in uno stato di levitazione. Ad esempio, una bobina a corrente alternata può levitare su un anello di alluminio chiuso e un disco di alluminio passa sopra una bobina a corrente alternata.

La spiegazione qui è questa: secondo la legge di Lenz, la corrente indotta nel disco o nell'anello creerà un campo magnetico tale che la sua direzione ne impedirà la causa, cioè in ogni periodo di oscillazioni di corrente alternata nell'induttore, un campo magnetico della direzione opposta verrà indotto nel massiccio conduttore . Quindi, un conduttore massiccio o una bobina di forma adatta possono levitare continuamente mentre la corrente alternata è accesa.

Un meccanismo di ritenzione simile si verifica quando magnete al neodimio cadere all'interno di un tubo di rame: il campo magnetico delle correnti parassite indotte è diretto di fronte al campo magnetico del magnete.