Квантовая левитация (эффект мейснера): научное объяснение

Несколько советов и замечаний

Выводы катушки должны быть подключены так, чтобы создавать магнитное поле нужного направления. Проверить правильность их присоединения очень просто: если схема не работает, поменяйте местами провода.

Размеры магнита не слишком важны, но он должен быть достаточно сильным. Хорошо подойдет редкоземельный магнит, например, неодимовый.

Во избежание перегрева стабилизатора напряжения, обязательно установите его на радиатор. Выберите источник питания с напряжением 7 … 12 В, поскольку чем выше входное напряжение, тем больше нагревается стабилизатор напряжения 5 В.

Максимально допустимое входное напряжение датчика Холла равно 6 В, поэтому для питания схемы выбрано напряжение 5 В.

Если ваш магнит сильно вибрирует, или вообще не хочет левитировать, это может быть вызвано несколькими причинами, главной из которых является недостаточная толщина металлической пластины на катушке. Попробуйте добавить к ней еще несколько шайб. Возможно также, что датчик Холла смещен относительно центра катушки, или же зазор, установленный между катушкой и магнитом, слишком мал, и магнит нужно немного опустить регулировкой подстроечного резистора R2. (Это очень тонкая настройка). А может быть, катушка перекошена и установлена не вертикально.

Добавление мигающих RGB светодиодов сверху и снизу магнита создаст приятный эффект, если вы заставите левитировать какой-либо блестящий объект, такой, например, как шарик из алюминиевой фольги (Рисунки 10 и 11). Поскольку верхний светодиод находится ближе к объекту, желательно расширить угол его излучения, спилив линзу напильником.

Рисунок 10.	Установка мигающих цветных светодиодов создаст приятный эффект.

Рисунок 11.	Интересным левитирующим объектом может стать небольшой пропеллер с магнитом, прикрепленным в его центре.

Совсем другой эффект можно получить, изготовив небольшой пропеллер с прикрепленным в его центре магнитом. Я вырезал его из банки от Кока-Колы. Затем поместите под пропеллером плоскую свечку-таблетку или ароматическую масляную горелку, и поднимающийся поток теплого воздуха заставит левитирующий пропеллер вращаться. Для вращения пропеллера требуется совсем небольшая разница температур, и если воздух в помещении холодный, будет вполне достаточно тепла, выделяемого катушкой. Конечно же, если воздух теплый, это работать не будет.

В устройстве можно использовать катушку от ненужного соленоида, но предварительно необходимо убедиться в том, что потребляемый ею ток не перегрузит схему, поскольку многие соленоиды очень прожорливы.

Примеры магнитной левитации

Левитацию в магнитном поле можно проследить на принципе действия магнитной подушки. По такому принципу работают на транспорте маглевы. На ветках Шанхайского метро до сих пор ездят поезда, воздушная подушка которых организована с применением магнитного давления.

Маглев в Германии – поезд на магнитной подушке

Диамагнитная левитация тоже может служить подобным примером. Диамагнетики – вещества, которые на атомном уровне, под воздействием МП, намагничиваются в противоположном направлении. Их магнитная восприимчивость имеет встречную направленность действующего на них поля. Однако её величина мала. Диамагнетиком является и человек. Показателен такой опыт: в МП с индукцией от 11 Тл размещают человеческую руку. Между пальцами руки небольшому магниту возможно придать стабильное неподвижное положение и изменять его, не прикасаясь к нему.

Невозможность левитации в статическом электромагнитном поле

Согласно теореме Ирншоу, являющейся прямым следствием закона Гаусса, левитация статических объектов в статическом электромагнитном поле в вакууме невозможна. Теорема применима не только к точечным зарядам, но и к протяженным упругим телам и говорит, что их свободный подвес в электростатическом, магнитостатическом и (или) гравитационном поле будет всегда неустойчив. Теорема Ирншоу не применима к диамагнетикам, а также в электростатическом поле к телам, у которых диэлектрическая проницаемость меньше, чем у окружающей среды.

Тем не менее, в переменном поле электростатической квадрупольной линзы левитация возможна, например, заряженных пылинок, хотя при этом не обеспечивается стабилизация положения пылинок вдоль оси линзы, поскольку равновесие по этому направлению безразличное. Электростатическая фокусировка переменным электрическим полем применяется при фокусировке пучков заряженных частиц и по своей сути аналогична «маятнику Капицы».

Эксперименты по левитации дома

До того, как сделать левитирующий магнит, можно выполнить небольшой опыт по созданию условий левитации дома. Для этого понадобятся:

• шесть кольцеобразных постоянных магнитов с внутренним диаметром 6-8 мм;
• обычный графитовый карандаш;
• подставка, выполненная из куска поролона размером 120*250 мм;
• упор из плексиглаза, оргстекла или другого прочного материала.

Два магнита размещают на карандаше через 100 мм друг от друга. На этом же расстоянии в поролоне закрепляют две пары идентичных магнитов. Тройка магнитов (два на опоре и один на карандаше) должна визуально составлять пирамиду. Регулируя расстояния между магнитами, добиваются левитации карандаша.

Левитация карандаша в домашних условиях

Использование МЛ

Применения МЛ не исчерпывается демонстрацией, где левитирующая лягушка подвешена в воздухе при помощи сильного МП. Небольшой перечень возможностей использования левитации с воздействием магнитного поля:

• на транспорте;
• в энергетике;
• в летательных аппаратах;
• ветряных генераторах;
• магнитных подшипниках.

Транспорт с магнитной левитацией

Основной плюс использования маглевов – экономный режим потребления энергии, за счёт снижения трения между рельсами и колёсами в традиционных вариантах. Основные затраты приходятся на преодоление сопротивления воздушных масс. Современное оформление вагонов, практическое отсутствие шумов и вибрации делают этот вид транспорта перспективным.

История супер поездов

В России не производят маглевы, но в Санкт-Петербурге подобные разработки грузовых поездов на магнитной подушке уже ведутся. Ученые создали прототип грузового маглева, в дальнейшем обещают сконструировать и пассажирский.

Страны лидеры – Китай и Япония, представляют свои разработки, которые работают уже не один год. Коммерческая скоростная линия в Шанхае позволяет перемещаться из одной точки в другую со скоростью более 430 км/ч.

Японский вариант

Скоростное первенство по праву достаётся японским поездам подобного типа. Весной 2015 года опытный экземпляр поезда установил рекорд на участке, построенном в префектуре Яманаси. Модель Синкансэн L0 развила на этом участке скорость 603 км/ч. Японцы ведут разработки ещё с 70-х годов прошлого века. Работы ведутся в институте ж/д техники (JRTRI), в тесном сотрудничестве с оператором Japan Railways.

Японский JR-Maglev

Магнитные подшипники

В лазерных установках и в оборудовании, где необходима высокая точность (оптические системы), нашли своё применение магнитные подшипники. Они обладают целой линейкой положительных качеств:

• отсутствие трения, потери равны нулю;
• повышенная скорость вращения;
• низкий коэффициент вибрации;
• возможность герметизации;
• автоматический электронный контроль.

Газовые турбины, электрогенераторы, работающие на высоких оборотах, криогенные установки – это только некоторые решения для использования таких подшипников.

Бесконтактный магнитный подшипник

Применение в энергетике

Избавление от трения в магнитных подшипниках позволяет говорить о применении магнитной левитации в энергетике. КПД газовых турбин на ТЭС (тепловых электрических станциях) повысился с применением таких деталей. Возможность контролировать и регулировать работу подшипниковых узлов высокооборотных генераторов тока позволила модернизировать и повысить коэффициент автоматизации процесса получения электроэнергии.

Летательные аппараты

Обычный вертолёт тоже можно назвать левитирующим объектом, однако силу земного притяжения он преодолевает с помощью воздушного потока, создаваемого лопастями. Летательные аппараты, использующие МП и движущиеся целенаправленно в разных плоскостях, – это ещё только будущее. В отличие от поездов, проблема конструктивного выполнения стороннего МП находится только в процессе поиска решения.

Самолёт на магнитной подушке

Использование МЛ в ветрогенераторах

Всё дело – в магнитной подвеске, которая значительно увеличивает срок службы генератора. При её наличии ветряная турбина требует гораздо меньших затрат в обслуживании.

Переход транспорта любых видов на МЛ позволит в корне изменить транспортные системы. Кроме коллективного использования таких видов транспорта, возможен переход на индивидуальные системы передвижения человека. Экономия энергии, долговечность вращающихся механизмов, подъём и перемещение грузов – всё это в корне изменит структуру промышленных и сельскохозяйственных объектов, а также внешний облик планеты.

Сверхпроводимость и левитация

Основная статья:

Магнит левитирует над сверхпроводником, охлаждённым жидким азотом

В марте 1991 года научный журнал «Nature» опубликовал интересную фотографию: на снимке директор Токийской исследовательской лаборатории сверхпроводимости Дон Тапскотт стоял на блюде из сверхпроводящего керамического материала, и между ним и поверхностью пола был отчётливо виден небольшой зазор. Масса директора вместе с блюдом составляла 120 кг, что не мешало им парить над землёй. Это явление объясняется эффектом Мейснера, который не дает магнитному полю ни проникать внутрь сверхпроводящего образца, ни выходить из него, однако важную роль здесь играет также эффект пиннинга вихрей магнитного потока (вихрей Абрикосова). Причину устойчивости левитирующего магнита легко понять с помощью метода замороженных изображений.

Устойчивость

Статическая

Статическая устойчивость значит, что любое смещение из состояния равновесия заставляет равнодействующую силу выталкивать объект обратно в состояние равновесия.

Теорема Ирншоу окончательно доказала, что невозможно левитировать объект, используя только статичные макроскопические магнитные поля. Силы, действующие на любой парамагнетик в любой комбинации с гравитационными, электростатическими, и магнитостатическими сделают положение объекта в лучшем случае неустойчивым относительно одной оси и это может дать неустойчивое равновесие относительно всех осей. Тем не менее, существует несколько возможностей сделать левитацию реальной, на примере использования электронной стабилизации или диамагнетиков (так как Магнитная проницаемость меньше) может быть показано, что диамагнитные материалы устойчивы относительно как минимум одной оси и могут быть устойчивы относительно всех осей. Проводники имеют относительную проницаемость к переменным магнитным полям последнего, так что некоторые конфигурации, использующие магниты, работающие на переменном токе, устойчивы сами по себе.

Динамическая

Динамическая устойчивость проявляется в случаях, когда левитирующая система способна подавить любое возможное виброобразное движение.

Магнитные поля являются консервативными силами и поэтому в принципе не могут иметь встроенный способ подавления. Фактически, многие схемы левитации имеют недостаточное подавление. Таким образом, вибрации могут существовать и вывести объект за пределы зоны равновесия.

Подавление движения осуществляется несколькими способами:

• внешнее механическое подавление, например лобовое сопротивление
• использование вихревых токов (влияние на проводник полем)
• инерционный демпфер в левитируемом объекте
• электромагниты, управляемые посредством электроники

Диамагнитная левитация

Так называют тип пребывания в подвешенном состоянии в магнитном поле тела, содержащего воду, которая сама по себе является диамагнетиком, то есть материалом, атомы которого способны намагничиваться против направления основного электромагнитного поля.

В процессе диамагнитной левитации основную роль играют диамагнитные свойства проводников, атомы которых под действием внешнего магнитного поля слегка изменяют параметры движения электронов в их молекулах, что приводит к появлению слабого магнитного поля, противоположного по направлению основному. Эффекта этого слабого электромагнитного поля достаточно, чтобы преодолеть силу тяжести.

Чтобы продемонстрировать диамагнитную левитацию, ученые многократно проводили опыты на небольших животных.

Этот вид левитации использовался в экспериментах на живых объектах. Во время опытов во внешнем магнитном поле с индукцией около 17 Тесла было достигнуто подвешенное состояние (левитация) лягушек и мышей.

По третьему закону Ньютона, свойства диамагнетиков можно использовать и наоборот, то есть для левитации магнита в поле диамагнетика или для его стабилизации в электромагнитном поле.

Диамагнитная левитация по своей природе идентична квантовой левитации. То есть как и при воздействии эффекта Мейснера, происходит абсолютное вытеснение из материала проводника магнитного поля. Небольшим отличием является лишь то, что для достижения диамагнитной левитации необходимо значительно более сильное электромагнитное поле, однако при этом совершенно не нужно охлаждать проводники, чтобы добиться их сверхпроводимости, как в случае с квантовой левитацией.

В домашних условиях можно даже поставить несколько опытов по диамагнитной левитации, например, при наличии двух пластин висмута (который является диамагнетиком) можно установить в подвешенное состояние магнит с невысокой индукцией, около 1 Тл. Кроме того, в электромагнитном поле с индукцией в 11 Тесла можно стабилизировать в подвешенном состоянии небольшой магнит, регулируя его положение пальцами, при этом совершенно не касаясь магнита.

Часто встречающимися диамагнетиками являются практически все инертные газы, фосфор, азот, кремний, водород, серебро, золото, медь и цинк. Даже человеческое тело является диамагнетиком в правильном электромагнитном магнитном поле.

Техническая левитация

Собственно, магнитная разновидность относится к более обширному термину преодоления гравитационного притяжения. Итак, техническая левитация: обзор методов (очень краткий).

С магнитной технологией мы вроде бы немного разобрались, но существуют еще электрический метод. В отличие от первого, второй может быть использован для манипуляций с изделиями из разнообразных материалов (в первом случае – только намагниченных), даже диэлектриков. Разделяется также электростатическая и электродинамическая левитация.

Возможность частиц под воздействием света осуществлять движение была предугадана еще Кеплером. А существование давления света доказано Лебедевым. Движение частицы в направлении источника света (оптическая левитация) именуется положительным фотофорезом, а в обратном направлении – отрицательным.

Левитация аэродинамическая, отличаясь от оптической довольно широко применима в технологиях дня нынешнего. Кстати, «подушка» — один из ее разновидностей. Простейшая воздушная подушка получается очень легко — в подложке-носителе сверлятся множество отверстий и через них продувается сжатый воздух. При этом воздушная подъемная сила уравновешивает массу предмета, и тот парит в воздухе.

Последний известный науке на данный момент способ – левитация с использованием акустических волн.

Как сделать левитирующий магнит своими руками

Такой магнит называют левитрон. Его возможно изготовить своими руками, для этого необходимы:

• катушка индуктивности от старого телевизора;
• транзисторы S9018 и IRF540N;
• два сопротивления по 1 кОм (0, 5 Вт);
• датчик Холла от ненужного DVD ROM или CD ROM дисковода (на схеме SSE);
• железный болт диаметром 8 мм;
• полоска пластика для обеспечения зазора.

Электрическая схема устройства левитрона

Важно! Питание устройства подбирается с помощью регулируемого источника питания. Транзисторы устанавливаются на радиаторы

Болт служит сердечником катушки и вставляется внутрь неё.

Конструкция представляет собой вертикальную колонну, внизу которой в магнитном поле левитирует кусочек плоского магнита.

Магнитная левитация – вполне реальный процесс, который отвечает всем законам физики. Результаты разработок, как личного характера, так и творческих достижений специализированных лабораторий, делают ставку на реальную «магнитную подушку» для движения технического прогресса.

Схема простого магнитного левитрона

В простейшем случае схема выглядит так:

• Электромагнит — намотан на винт около 800 витков провода 0,5 мм.
• Лазерная указка обычная 5 мВт
• Блок питания трансформатор 50 Вт 12 В
• Выпрямительный мост 10 А

Что касается объекта, на него действуют две силы: первая — это сила создаваемая гравитацией земли, вторая — из магнитного поля созданного электромагнитом. Обе силы будут направлены друг на друга.

Теоретически, достаточно регулировать ток протекающий через электромагнит, чтобы создать постоянное магнитное поле которое будет генерировать силу, равную силе гравитации. Там будет некая точка в пространстве где металлический объект будет подниматься в воздух. На практике это невозможно, потому что даже минимальное нарушение этого состояния может привести к падению или притяжению объекта электромагнитом, поэтому необходимо установить соответствующий контроллер, который будет отвечать за управление электромагнитом.

Диамагнитная левитация

Графитовый грифель от простого карандаша является диамагнетиком, то есть веществом, которое намагничивается против внешнего магнитного поля. В определенных условиях происходит полное вытеснение магнитного поля из материала диамагнетика, например графитовый грифель обладает высокой магнитной восприимчивостью, и начинает парить над неодимовыми магнитами даже при комнатной температуре.

Для устойчивости эффекта магниты следует собрать в шахматном порядке (полюса магнитов), тогда графитовый стержень не выскользнет из «магнитной ловушки» и будет левитировать.

   Диамагнитная левитация

Редкоземельный магнит с индукцией всего 1 Тл может висеть между пластинами висмута. А в магнитном поле с индукцией 11 Тл можно между пальцами стабилизировать «левитацию» маленького неодимового магнита, поскольку руки человека являются диамагнетиком, как и вода.

Известен достаточно широко распространенный опыт с левитирующей лягушкой. Животное аккуратно помещают над магнитом, который создает магнитную индукцию больше 16 Тл и лягушка, демонстрируя диамагнитные свойства, фактически зависает в воздухе на небольшом расстоянии от магнита.

Схема улучшенного магнитного левитрона

Вот ещё одна модель левитрона, то есть системы, используемой для наблюдения явления магнитной левитации.

Схема и электронная часть изменена и адаптирована. Вся система состоит из 4 плат, на одной собственно блок питания, то есть выпрямительный мост 6 А — этого достаточно, хотя он немного нагревается, фильтрующий конденсатор и стабилизатор 7805. На второй плате датчики света и фоторезисторы. На третьей плате, подключенной к электромагниту, установлен диод для защиты от скачков напряжения возникающих в электромагните и светодиод, для визуализации протекающих токов. Последняя имеет выключатель и светодиоды рабочего состояния. Платы соединены соответствующими проводами. Везде использовались разъемы Goldpin или подобные. Вот печатные платы:

Лазер, точнее лазерный диод, удален от индикатора на несколько сантиметров вместе с системой защиты. Размещенные на подвижном вверх-вниз кронштейне, позволяющем установить высоту барьера, фотоэлементы также регулируются. Электромагнит — винт M10x90 мм, медный провод 0,9 мм толщиной и длинной 130 м. Электромагнит имеет около 1500 витков в 19 слоях, сопротивление чуть более 4 Ома, длина его 75 мм и диаметр 50 мм. Боковые кольца вырезаны из оргстекла.

Какой выбрать

Для начала нужно раздобыть подходящий сверхпроводник. Открыватели высокотемпературной сверхпроводимости запекали смесь оксидов в специальной печи, но для простых опытов мы рекомендуем купить готовые сверхпроводники. Они выпускаются в виде поликристаллической керамики, текстурированной керамики, сверхпроводящих лент первого и второго поколения.

Поликристаллическая керамика стоит недорого, но и параметры у нее далеки от рекордных: уже небольшие магнитные поля и токи могут разрушить сверхпроводимость. Ленты первого поколения тоже не поражают своими параметрами. Совсем другое дело — текстурированная керамика, она имеет наилучшие характеристики. Но для развлекательных опытов она неудобна, хрупка, деградирует со временем, и самое главное — найти ее в свободной продаже довольно сложно. А вот ленты второго поколения оказались идеальным вариантом для максимального числа наглядных опытов. Этот высокотехнологичный продукт умеют производить всего четыре компании в мире, в том числе российская «СуперОкс»

И, что весьма важно, свои ленты, сделанные на основе GdBa2Cu3O7-x, они готовы продавать в количестве от одного метра, чего как раз хватает для проведения наглядных научных экспериментов

Сверхпроводящая лента второго поколения имеет сложную структуру из множества слоев различного назначения. Толщина некоторых слоев измеряется нанометрами, так что это самые настоящие нанотехнологии.

Летательные аппараты

В проблеме, как осуществить магнитную левитацию, напрашивается резонный вопрос: когда же, наконец, будет изготовлен и представлен прогрессивному человечеству полноценный летательный аппарат, в котором будет использована левитация магнитная? Ведь косвенные свидетельства, что подобные «НЛО» существовали, имеются. Взять, к примеру, индийские «виманы» древнейшей эпохи или уже более близкие к нам во временном соотношении гитлеровские «дисколеты», использующие, в том числе и электромагнитные способы организации подъемной силы. Сохранились примерные чертежи и даже фото действующих моделей. Вопрос остается открытым: как воплотить все эти идеи в жизнь? Но дальше не слишком жизнеспособных опытных образцов у современных изобретателей дело пока не идет. А может, это еще слишком секретная информация?

Высокотемпературные сверхпроводники

В природе мало чистых сверхпроводников. Большинство их материалов, обладающих свойствами сверхпроводимости, являются сплавами, у которых чаще всего наблюдается лишь частичный эффект Мейснера.

В сверхпроводниках именно способность полностью вытеснять магнитное поле из своего объема разделяет материалы на сверхпроводники первого и второго типов. Сверхпроводниками первого типа являются чистые вещества, например, ртуть, свинец и олово, способные даже при высоких магнитных полях продемонстрировать полный эффект Мейснера. Сверхпроводники второго типа – чаще всего сплавы, а также керамика или некоторые органические соединения, которые в условиях магнитного поля с высокой индукцией способны лишь на частичное вытеснение магнитного поля из своего объема. Тем не менее в условиях очень малой индукции магнитного поля практически все сверхпроводники, в том числе и второго типа, способны на полный эффект Мейснера.

Известно несколько сотен сплавов, соединений и несколько чистых материалов, обладающих характеристиками квантовой сверхпроводимости.

Левитация магнита над сверхпроводником (эффект Мейснера)

Пластина из оксида иттрия-бария-меди охлаждается до температуры жидкого азота. В этих условиях пластина становится сверхпроводником. Если теперь положить неодимовый магнит на подставку над пластиной, а затем подставку из под магнита вытащить, то магнит зависнет в воздухе — будет левитировать.

Даже небольшой магнитной индукции порядка 1 мТл достаточно чтобы магнит, будучи положен на пластину, приподнялся над охлажденным высокотемпературным сверхпроводником на несколько миллиметров. Чем выше индукция магнита — тем выше он поднимется.

   Левитация магнита над сверхпроводником

Дело здесь в том, что одно из свойств сверхпроводника — выталкивание магнитного поля из сверхпроводящей фазы, и магнит, отталкиваясь от этого магнитного поля противоположного направления как-бы всплывает и продолжает парить над охлажденным сверхпроводником до тех пор, пока он не выйдет из сверхпроводящего состояния.

Подъёмная сила

Преодоление земного притяжения заставляет левитирующий объект зависать в воздухе. В случае МЛ сила, заставляющая это сделать, – магнитное поле, действующее на него. Кроме того, существует способность магнетиков и систем, собранных с их использованием, воздействовать друг на друга. Сила, с которой они либо притягиваются, либо отталкиваются, зависит от магнитной поверхности и создаваемого ими МП.

Исходя из этого, можно, применив формулу, рассчитать магнитное давление P mag

P mag = B2/2µ0,

где:

• B – магнитная индукция, Тл;
• µ0 – магнитопроницаемость в вакууме, µ0 = 4π×10−7 Н·А−2.

Искомая сила на 1 м2 поверхности (Pmag) измеряется в Паскалях.

Левитирующий магнит – результат действия подъёмной силы МП

Механическая конструкция

Прибор был сделан из оргстекла, сначала он должен был быть алюминиевым, но так дешевле и как оказалось это удобный материал для обработки. Элементы которые должны были быть закруглены, после нагревания зажигалкой могли быть согнуты под углом 90 градусов.

Схема начала работать правильно с первого запуска. После регулировки напряжения на обоих фоторезисторах потенциометрами всё стала полностью устойчивым к внешним условиям освещения. Во время работы через соленоидные катушки максимально протекает ток около 2 А, это вызывает довольно высокий нагрев BD911, но например с помощью BUZ90 или 6N60 можно уменьшить нагрев, ведь их сопротивление включенное невелико. На испытании через час обнаружили, что температура радиатора не превышает 90 градусов, поэтому достаточно пассивного охлаждения, мостовой выпрямитель и 7805 также немного нагреваются, у них есть небольшие радиаторы. Единственный недостаток, который появился после долгой работы устройства это то, что дешевые лазеры после получаса непрерывного освещения теряют интенсивность света.

В принципе левитрон подходит для непрерывной работы, правильно держит мелкие и крупные объекты, сила электромагнита действительно высока, если установить большой винт напротив него и притянуть — его будет трудно снять. Даже удалось поднять большой подшипник весом почти 0,3 кг, он левитировал примерно в пол сантиметрах от магнита. В общем смело делайте устройство — схема реально рабочая!