Квантова левитация (ефект на майснер): научно обяснение

Левитацията е преодоляване на гравитацията, при което.. Субектът или обектът се намира в пространството без опора. Думата "левитация" идва от латинската Levitas, което означава "лекота".

Левитацията неправилно се отъждествява с полета, защото последният се основава на съпротивлението на въздуха, поради което птиците, насекомите и другите животни летят, а не левитират.

Левитация във физиката

Левитацията във физиката се отнася до стабилното положение на тяло в гравитационно поле, без то да докосва други обекти. Левитацията включва някои необходими и трудни за постигане условия:

• Сила, която може да компенсира гравитационното привличане и силата на тежестта.
• Силата, която може да направи тялото стабилно в пространството.

От закона на Гаус следва, че в статично магнитно поле статични тела или предмети не могат да левитират. Ако обаче промените условията, можете да постигнете левитация.

Квантова левитация

Широката общественост за първи път се запознава с квантовата левитация през март 1991 г., когато в научното списание Nature е публикувана интересна снимка. Дон Тапскот, директор на лабораторията за изследване на свръхпроводимостта в Токио, стоеше върху керамична свръхпроводима плоча, а между пода и плочата нямаше нищо. Снимката се оказва истинска, а плочата, която със стоящия върху нея директор тежи около 120 кг, може да левитира над пода благодарение на ефекта на свръхпроводимост, известен като ефект на Майснер-Оксенфелд.

Диамагнитна левитация

Това е наименованието, дадено на вида на окачването в магнитното поле на тяло, съдържащо вода, която сама по себе си е диамагнит, т.е. материал, чиито атоми са способни да се намагнитват срещу посоката на основното електромагнитно поле.

Диамагнитната левитация се дължи главно на диамагнитните свойства на проводниците, чиито атоми леко променят параметрите на движение на електроните в молекулите си под въздействието на външно магнитно поле, което води до появата на слабо магнитно поле, противоположно на основното. Ефектът на това слабо електромагнитно поле е достатъчен, за да преодолее силата на гравитацията.

За да демонстрират диамагнитна левитация, учените многократно са експериментирали с малки животни.

Този вид левитация е използван при експерименти с живи обекти. По време на експериментите жабите и мишките са приведени в състояние на суспендиране (левитация) във външно магнитно поле с индукция около 17 Тесла.

Съгласно третия закон на Нютон свойствата на диамагнетизма могат да се използват и обратно, т.е. за левитация на магнит в полето на диамагнетик или за стабилизирането му в електромагнитно поле.

Диамагнитната левитация е идентична по природа с квантовата левитация. Тоест, както и при ефекта на Майснер, има абсолютно изместване на магнитното поле от материала на проводника. Единствената малка разлика е, че диамагнитната левитация изисква много по-силно електромагнитно поле за постигането ѝ, но проводниците изобщо не трябва да се охлаждат, за да се постигне свръхпроводимост, какъвто е случаят с квантовата левитация.

В у дома е възможно да Могат да се проведат дори няколко експеримента за диамагнитна левитация, например с две пластини от бисмут (който е диамагнитен) може да се окачи магнит с ниска индукция, около 1 Тесла. Освен това в електромагнитно поле с индукция от 11 тесла е възможно да се стабилизира малък магнит, който е окачен, като се регулира положението му с пръсти, без изобщо да се докосва магнитът.

Често срещани диамагнити са почти всички благородни газове, фосфор, азот, силиций, водород, сребро, злато, мед и цинк. Дори човешкото тяло е диамагнит в правилното електромагнитно поле.

Магнитна левитация

Магнитната левитация е ефективен метод за повдигане на обект с помощта на магнитно поле. В този случай магнитното налягане се използва за компенсиране на гравитацията и свободното падане.

Според теоремата на Ирншов не е възможно да се задържи стабилно обект в гравитационно поле. Това означава, че левитацията при тези условия е невъзможна, но ако вземем предвид механизми на действие диамагнетизъм, вихрови токове и свръхпроводници, може да се постигне ефективна левитация.

Когато магнитната левитация създава подемна сила с механична подкрепа, това явление обикновено се нарича псевдолевитация.

Ефектът на Майснер

Ефектът на Майснер е процес на абсолютно изместване на магнитното поле от целия обем на проводника. Това обикновено се случва по време на прехода на проводник в свръхпроводящо състояние. Точно по това свръхпроводниците се различават от идеалните проводници - макар и двете да нямат съпротивление, магнитната индукция на идеалните проводници остава постоянна.

Това явление е наблюдавано и описано за първи път през 1933 г. от двама германски физици - Майснер и Оксенфелд. Ето защо квантовата левитация понякога се нарича ефект на Майснер-Оксенфелд.

От общите закони на електромагнитното поле следва, че при липса на в обема на проводника има само повърхностен ток, който заема пространството в близост до повърхността на свръхпроводника. При тези условия свръхпроводникът се държи като диамагнитен, но не е.

Ефектът на Майснер се разделя на пълен и частичен в зависимост от качеството на свръхпроводниците. Пълният ефект на Майснер се наблюдава, когато магнитното поле е напълно изместено.

Високотемпературни свръхпроводници

Съществуват малко чисти свръхпроводници. Повечето от техните материали със свръхпроводими свойства са сплави, които най-често имат само частичен ефект на Майснер.

В свръхпроводниците способността за пълно изместване на магнитното поле от обема му е тази, която разделя материалите на свръхпроводници първи и втори видове. Свръхпроводниците от първия тип са чисти вещества, като живак, олово и калай, които могат да демонстрират пълния ефект на Майснер дори при високи магнитни полета. Свръхпроводниците от втори тип най-често са сплави, но също и керамика или някои органични съединения, които в условията на високо индукционно магнитно поле са в състояние само частично да изместят магнитното поле от своя обем. Независимо от това, при условия на много ниска индукция на магнитното поле почти всички свръхпроводници, включително вторият тип, са способни на пълен ефект на Майснер.

Известно е, че няколкостотин сплави, съединения и няколко чисти материала притежават характеристиките на квантовата свръхпроводимост.

Опитът с ковчега на Мохамед

"Гробът на Мохамед" е вид трик за левитация. Това е името на експеримента, който ясно демонстрира ефекта на.

Според мюсюлманската легенда ковчегът на пророка Мохамед е бил окачен във въздуха, без никаква опора. Ето защо се нарича.

Научно обяснение на експеримента

Свръхпроводимост може да бъде постигната само при много ниски температури, така че свръхпроводникът трябва да бъде предварително охладен, например с високотемпературни газове, като течност хелий или течен азот.

След това върху повърхността на плоския охладен свръхпроводник се поставя магнит. Дори в полета с минимална магнитна индукция, по-малка от 0,001 Тесла, магнитът се издига на около 7-8 милиметра над повърхността на свръхпроводника. Ако постепенно увеличавате индукцията на магнитното поле, разстоянието между повърхността на свръхпроводника и магнита ще се увеличава все повече и повече.

Магнитът ще продължи да левитира, докато външните условия не се променят и свръхпроводникът не загуби своите свръхпроводникови характеристики.