Magnetisk levitation - vad är det och hur är det möjligt

Ordet "levitation" kommer från det engelska "levitate" - att sväva, att stiga upp i luften. Det vill säga, levitation är övervinning av tyngdobjektet när det svävar och inte vidrör stödet, utan att stöta från luften, utan att använda jetframdrivning. Från fysikens synvinkel är levitation ett stabilt läge för ett objekt i ett gravitationsfält, när tyngdkraften kompenseras och det finns en återställningskraft som ger objektet stabilitet i rymden.

Speciellt är magnetisk levitation tekniken för att lyfta ett föremål med hjälp av ett magnetfält, när magnetisk verkan på ett objekt används för att kompensera för tyngdkraften eller annan acceleration. Det handlar om magnetisk levitation som kommer att diskuteras i den här artikeln.

Magnetisk retention av ett objekt i ett tillstånd av stabilt jämvikt kan realiseras på flera sätt. Var och en av metoderna har sina egna särdrag, och påståenden kan göras till var och en, till exempel "detta är inte verklig levitation!", Och så kommer det verkligen att bli. Sann levitation i dess rena form är ouppnåelig.

Så, Earnshaw-teoremet bevisar att det endast är möjligt att använda ett ferromagnet att hålla ett föremål stabilt i ett gravitationsfält. Men trots detta, med hjälp av servomekanismer, diamagnetik, superledare och virvelströmssystem, är det möjligt att uppnå en uppenbarelse av levitation när någon mekanism hjälper föremålet att upprätthålla jämvikt när det höjs över stödet med magnetisk kraft. Men först saker först.

Elektromagnetisk levitation med spårningssystem

Genom att använda en krets baserad på en elektromagnet och en fotoreläge kan du skapa små metallföremål. Föremålet flyter i luften på ett avstånd från den elektromagnet som är fixerad på stativet. Elektromagneten får effekt tills fotocellen monterad i racket döljs av ett svävande föremål tills dess att tillräckligt med ljus kommer från den från en fast kontrollkälla, vilket innebär att objektet måste dras.

När objektet är tillräckligt höjt stängs elektromagneten av, för i detta ögonblick faller skuggan från objektet som flyttas i rymden på fotocellen, vilket blockerar källans ljus. Objektet börjar falla, men har inte tid att falla, eftersom elektromagneten slås på igen. Så, genom att justera fotolägens känslighet, kan du uppnå en effekt där objektet på något sätt kommer att hänga på en plats i luften.

I själva verket faller objektet ständigt, sedan åter upp något av det elektromagnetiska. Det visar sig illusionen av levitation. Denna princip bygger på arbetet med ”levitating globes” - ganska ovanliga souvenirer, där en magnetplatta är fäst vid jordklotet, med vilken en elektromagnet, dold i ett stativ, interagerar.

Diamagnetisk levitation

Grafitledning från en enkel penna är en diamagnet, det vill säga ett ämne som magnetiseras mot ett yttre magnetfält. Under vissa förhållanden är magnetfältet helt förskjutet från diamagnetens material, till exempel har grafitledning en hög magnetisk känslighet och börjar sväva över neodymmagneter även vid rumstemperatur.

För effektens stabilitet bör magneterna förskjutas (magnetpoler), då kommer grafitstången inte att glida ut ur "magnetfällan" och kommer att levitera.

En sällsynt jordartsmagnet med en induktion på endast 1 T kan hänga mellan vismutplattor, och i ett magnetfält med en induktion av 11 T kan "levitation" av en liten neodymmagnet stabiliseras mellan fingrarna, eftersom mänskliga händer är en diamagnet, som vatten.

En ganska utbredd upplevelse med en levande groda är känd. Djuret placeras försiktigt över en magnet, som skapar en magnetisk induktion på mer än 16 T, och grodan, som visar diamagnetiska egenskaper, fryser i luften på kort avstånd från magneten.

Magnet levitation över en superledare (Meissner-effekt)

Yttrium-barium-kopparoxidplattan kyls till temperaturen för flytande kväve. Under dessa förhållanden, plattan blir en superledare. Om du nu lägger en neodymmagnet på ett stativ ovanför plattan och sedan drar ut stativet under magneten, så fryser magneten i luften - den kommer att levitera.

Till och med en liten magnetisk induktion i storleksordningen 1 mT räcker för att magneten, när den placeras på plattan, ska stiga några millimeter över den kylda högtemperatur-superledaren. Ju högre induktion av magneten, desto högre kommer den att stiga.

Poängen här är att en av egenskaperna hos en superledare är utdrivningen av magnetfältet från den superledande fasen, och magneten, som avvisar från detta magnetfält i motsatt riktning, flyter upp och fortsätter att sväva över den kylda superledaren tills den lämnar det superledande tillståndet.

Eddy Current Levitation

Virvelströmmar (Foucault-strömmar) inducerade av växlande magnetfält i massiva ledare kan också hålla föremål i ett levitatillstånd. Exempelvis kan en växelströmspole töms över en stängd aluminiumring, och en aluminiumskiva kommer att sväva över en växelströmspole.

Förklaringen här är denna: enligt Lenzs lag kommer strömmen som induceras i skivan eller i ringen att skapa ett sådant magnetfält att dess riktning kommer att hindra orsaken till det, det vill säga i varje period med växelströmsvängningar i induktorn kommer ett magnetfält i motsatt riktning att induceras i den massiva ledaren . Så en massiv ledare eller spole med lämplig form kan levitera hela tiden medan växelströmmen är på.

En liknande retentionsmekanism uppstår när neodymmagnet släpp in i ett kopparrör - magnetfältet i de inducerade virvelströmmarna är riktat mittemot magnetens magnetfält.