Диамагнетики: примеры магнитной левитации

Устойчивость

Мало только заставить предмет парить и зависать в воздухе. Необходимо добиться его устойчивого состояния, которое бывает:

  • статическое;
  • динамическое.

Два этих невесомых состояния имеют некоторые принципиальные различия.

Статическая

Равнодействующие силы, которые возвращают предмет в равновесное положение при любом его отклонении, обеспечивают статическую устойчивость.

Динамическая

Способность устройства, создающего левитацию, подавлять всевозможные вибрирующие движения обеспечивает динамическое устойчивое состояние. Так как само МП не имеет встроенного механизма подавления вибраций, то это делается дополнительно. Для этого используются варианты воздействия:

  • лобового сопротивления;
  • действия вихревых токов;
  • работа управляемых электромагнитов;
  • гашение вибрации с помощью инерционного демпфера.

Для работы электромагнитов в данном случае применяются БЭУ (блоки электронного управления), которые контролируют процесс смещения и вносят необходимую коррекцию в работу магнитов.

Левитация в условиях вихревых токов

Вихревые токи (токи Фуко), наводимые переменными магнитными полями в массивных проводниках также способны удерживать предметы в левитирующем состоянии. Например катушка с переменным током может левитировать над замкнутым кольцом из алюминия. А алюминиевый диск будет парить над катушкой с переменным током.

Объяснение здесь такое: по закону Ленца, индуцируемый в диске или в кольце ток будет создавать такое магнитное поле, что его направление станет препятствовать причине его вызывающей. То есть в каждый период колебаний переменного тока в индукторе, в массивном проводнике будет индуцироваться магнитное поле противоположного направления. Так, массивный проводник или катушка подходящий формы смогут левитировать все время пока включен переменный ток.

   Неодимовый магнит внутри медной трубы, магнитная левитация

Аналогичный механизм удержания проявляется, когда неодимовый магнит роняют внутри медной трубы — магнитное поле индуцированных вихревых токов направлено противоположно магнитному полю магнита.

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.

Научное объяснение опыта

Сверхпроводимость может быть достигнута лишь при очень низких температурах, поэтому сверхпроводник необходимо заранее охладить, например, при помощи высокотемпературных газов, таких как жидкий гелий или жидкий азот.

Затем на поверхность плоского охлажденного сверхпроводника помещают магнит. Даже в полях с минимальной магнитной индукцией, не превышающей 0,001 Тесла, магнит поднимается вверх над поверхностью сверхпроводника примерно на 7-8 миллиметров. Если постепенно увеличивать индукцию магнитного поля, расстояние между поверхностью сверхпроводника и магнитом будет увеличиваться все больше и больше.

Магнит буде продолжать левитировать до того момента, пока внешние условия не изменятся и сверхпроводник не потеряет свои сверхпроводящие характеристики.

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

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.

Литература

the following address Русский перевод письма.

Перевел З.К. Силагадзе, редактирование и подбор иллюстраций С.И.Блинников

Примечания:

1. Более подробная информация о магнитной левитации:

The Real Levitation.
2. Сверхпроводящая левитация:

Principles of superconducting levitation.
Superconducting Levitation.
3. Статью M.V. Berry , A.K. Geim, Eur. J. Phys. 18, 307 (1997) можно найти
здесь: Of Flying Frogs and Levitrons.

4. Другая статья M.V. Berry:

The Levitron: an adiabatic trap for spins.
5. Еще одна статья M. D. Simon et al.:

Spin stabilized magnetic levitation.
6. Популярно о магнитах и магнетизме:

Cool Experiments with Magnets.
7. Как поставить эксперименты по левитации дома:

A magnet in mid-air.
Diamagnetic Levitation Using Silver.
8. Интересная история создания игрушки Левитрона:

A Toy Story. &nbsp

An amazing invention, and a patent failure.
9. Поезд на магнитной подушке:

По рельсам с ускорением.
10. Магнитные подвесы в России:
Веб-страница Государственного Университета Аэрокосмического Приборостроения.

Электромагнитная левитация с системой слежения

Применив схему на базе электромагнита и фотореле можно заставить левитировать небольшие металлические предметы. Предмет будет парить в воздухе на некотором расстоянии от неподвижно закрепленного на стойке электромагнита. Электромагнит получает питание, пока фотоэлемент, закрепленный в стойке, не затенен парящим предметом, пока на него попадает достаточно света от неподвижно закрепленного контрольного источника, это значит, что объект нужно притянуть.

   Левитирующий глобус

Когда объект достаточно приподнят, электромагнит отключается, поскольку в этом момент тень от перемещенного в пространстве объекта падает на фотоэлемент, перекрывая свет источника. Объект начинает падать, но упасть не успевает, так как снова включился электромагнит. Так, отрегулировав чувствительность фотореле, можно добиться эффекта, при котором объект будет как-бы висеть на одном месте в воздухе.

На самом деле объект непрерывно то падает, то вновь немного приподнимается электромагнитном. Получается иллюзия левитации. На этом принципе основана работа «левитирующих глобусов» — довольно необычных сувениров, где к глобусу прикреплена магнитная пластина, с которой и взаимодействует электромагнит, скрытый в подставке.

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

Основные типы магнитной левитации

Магнитное давление на объект, подлежащий «парению», осуществляется несколькими способами. Выделяют два типа подобной левитации:

  • EMS – электромагнитные конструкции;
  • EDS – электродинамические устройства.

Система EMS отличается нестабильным равновесным положением. Для обеспечения стабильности необходимо применять АСУ (автоматизированные системы управления) и осуществлять постоянный контроль. Притягивающая сила возникает между проводником из ферромагнетика и электрическими магнитами.

Системы типа EDS базируются на принципах появления вихревых токов в проводящих компонентах. Для того чтобы вихревые токи появились, необходимо действие переменного поля магнитной природы.

Важно! Системы EDS делятся на два вида взаимодействия. Первый – стационарные катушки вступают во взаимосвязь с магнитами, имеющими сверхпроводимость

Второй – изменения магнитных полей (МП) происходят в результате действия сил, которые генерирует переменный ток.

Силы отталкивания, которые используются в электродинамических системах, делают их инертно стабильными.

Постоянные магниты никогда не используются самостоятельно, только в гибридных установках. Это связано с тем, что постоянный магнит не может обеспечить стабильного положения ни в одной из степеней свободы, значит, без поддержки других сил воздействия на статичность положения тут не обойтись.

Интересно. Чтобы уйти от привязки к объектам из магнитных материалов и позволить системам работать с элементами другой структуры материалов, есть необычное решение – использование магнитных вставок (посредников).

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».

Диамагнитная левитация

Диамагнитная левитация имеет ту же природу что и эффект Мейснера (полное вытеснение магнитного поля из материала), она наблюдается при гораздо более сильных полях, но зато не требует предварительного охлаждения. Некоторые опыты доступны любителям. Например, редкоземельный магнит с индукцией около 1 Тл может висеть между двух пластин висмута. В поле с индукцией 11 Тл можно стабилизировать и удерживать маленький магнит в воздухе между пальцами не касаясь его.

Магнитная восприимчивость материалов

Магнитная восприимчивость χ для изотропных тел определяется выражением

χ = Y / H

Y намагниченность 1 г тела;
H напряженность внешнего намагниченного поля.
Материал t , °С χ · 10 6
Азот 18 -0.34
Алюминий 18 0.65
Алюминий сернокислый 18 -0.48
Алюминий хлористый 19 -0.6
Аммиак (газ) 16 -1.1
Аргон 18 -0.48
Ацетон 15 -0.58
Барий 20 0.91
Барий сернокислый -0.306
Барий хлористый 15 -0.41
Бензол 16.8 -0.71
Бериллий хлористый 17 -0.6
Висмут 18 -1.38
260 -1.02
Висмут бромистый 19 -0.33
Висмут иодистый 20 -0.49
Вода 10 -0.72
Водород 18 -1.98
Водород хлористый 22 -0.66
Воздух 20 24.2
Вольфрам 16 0.28
Гадолиний хлористый 18 91
Гадолиния окись 20 130.1
Гелий 18 -0.47
Глицерин 20 -0.54
Железа окись 20 189.1
Железо бромное 18 48
Железо сернокислое 19 74.2
Железо хлористое 17 101.2
Железо хлорное 20 86.2
Золото 18 -0.15
Золото -256.6 -0.13
Иридий 25 0.14
200 0.17
450 0.2
850 0.26
1150 0.31
Кадмий 18 -0.18
Калий 20 0.52
Калий бромистый -0.377
Калий железосинеродистый 21 7.08
Калий марганцевокислый 21 0.175
Калий хлористый 20 -0.52
Кальций 20 1.1
Кварц 20 -0.49
Кислород 20 106.2
Кислород жидкий -195 259.6
Кислород твердый -240 60
Кислота азотная 22 -0.467
Кислота серная 22 -0.44
Кислота уксусная 20 -0.53
Кобальт иодистый 18 32
Кобальт сернокислый 22 59.6
Кобальт хлористый 25 90.5
Кремний 20 -0.13
Литий 16 0.5
Магний 18 0.55
Магний бромистый 20 -0.57
Магний жидкий 700 0.55
Магний хлористый 12 0.58
Марганец 22 9.9
Марганец сернокислый 24 88.5
Марганец хлористый 24 107
Медь 18 -0.085
Молибден 18 0.04
Натрий 18 0.51
Натрий сернокислый 16 -0.86
Натрий хлористый 18 -0.5
Неон 18 -0.33
Нефть 15–20 ок. -0,8
Никель бромистый 18 19
Никель сернокислый 15.9 26.7
Никель хлористый 24 44.7
Никеля закись 48.3
Олово 18 0.025
Олово двуххлористое -0.34
Олово жидкое 400 -0.036
Олово серое 18 -0.35
Палладий 18 5.4
200 4.6
750 2.6
1230 1.7
Парафин 20 ок. -0,5
Платина 18 1.1
250 0.66
700 0.45
1220 0.3
Ртуть 18 -0.19
Ртуть твердая -80 -0.15
Свинец 16 -0.11
Свинец бромистый 20 -0.28
Свинец жидкий 330 -0.08
Свинец иодистый 19 -0.33
Свинец хлористый 15 -0.32
Сера ромб 18 -0.49
Сера жидкая 113 -0.49
Сера жидкая 220 -0.49
Серебро 16 -0.2
Спирт бутиловый -0.74
Спирт метиловый -3 -0.65
Спирт этиловый 19 -0.74
Стекло (крон) -0.9
Сурьма 16 -0.87
Сурьма жидкая 800 -0.49
Сурьма треххлористая 15 -0.36
Сурьмы трехокись 14 -0.19
Тантал 18 0.87
820 0.77
Углекислота 18 -0.42
Углерод алмаз 18 -0.49
400 -0.51
1200 -0.56
Углерод графит 20 -3.5
-170 -6
600 -2
1000 -1.3
Фосфор белый 20 -0.9
Хлор жидкий -60 -0.57
Хлороформ 15 -0.49
Хром 18 3.6
1100 4.2
Хром сернокислый 21 29.5
Хром хлористый 19 44.3
Хрома трехокись 17 0.51
Цинк 18 -0.157
Цинк бромистый 19 -0.4
Цинк жидкий 450 -0.09
Цинк сернокислый -0.48
Цинк хлористый 22 -0.47
Шеллак -0.3
Эбонит 20 0.6
Эрбий 18 22
Этилацетат 6 -0.607
Этилен 20 -1.6
Этилен хлористый -0.602
Эфир этиловый 20 -0.77

Вещества — диамагнетики

Магнитная восприимчивость некоторых диамагнетиков (в нормальных условиях)
Вещество Магнитная восприимчивость, χ·10-6
Азот, N2 −12,0
Водород, Н2 −4,0
Германий, Ge −7,7
Кремний, Si −3,1
Вода (жидкая), Н2O −13,0
Поваренная соль, NaCI −30,3
Ацетон, С3Н6О −33,8
Глицерин, С3Н8О3 −57,1
Нафталин, С10Н8 −91,8
Висмут, Bi, металл −170
Пиролитический графит, П, С −85
Пиролитический графит, ⊥, С −450

Диамагнетики: инертные газы, азот, водород, кремний, фосфор, висмут, цинк, медь, золото, серебро, а также многие другие, как органические, так и неорганические, соединения.

Человек в магнитном поле ведет себя как диамагнетик, то есть отталкивается от магнитного поля.

Антиферромагнетики — магнитные моменты вещества направлены противоположно и равны по силе. Антиферромагнетики практически не притягиваются и ведут себя как слабые парамагнетики.

Металл Хим. символ Атомный номер Плотн. г/(см^3) Тплав. °С Уд. теплоемк. Дж/(кг*°К) Уд. теплопр. Вт/(м*°К) Тепл. коэф лин. расш. (10^6)/°К Число Бринеля Уд. сопрот. мкОм*м Магнитные свойства
Алюминий Al 13 2.7 660 923 218 21 25 0.026 Парамагнетик
Барий Ba 56 3.75 710 285 19 4.2 0.5 Парамагнетик
Берилий Be 4 1.84 1280 1800 184 12 61 0.041 Диамагнетик
Ванадий V 23 6.11 1900 503 31 8.3 64 0.248 Парамагнетик
Висмут Bi 83 9.8 271 126 8.4 13.3 9.6 1.16 Диамагнетик
Вольфрам W 74 19.3 3400 142 167 4.4 262 0.055 Парамагнетик
Гадолиний Gd 64 7.89 1310 8.8 9.7 1.4 Ферромагнетик
Галлий Ga 31 5.92 30 336 29.3 18.1 6.1 0.136 Диамагнетик
Гафний Hf 72 13.29 2220 138 22 5.9 173 0.351 Парамагнетик
Железо Fe 26 7.87 1540 453 73.3 10.7 50 0.097 Ферромагнетик
Золото Au 79 19.3 1063 134 312 14 18 0.0225 Диамагнетик
Индий In 49 7.3 156 239 72 28.4 0.9 0.09 Диамагнетик
Иридий Ir 77 22.4 2410 130 146 6.5 170 0.054 Парамагнетик
Иттрий Y 39 4.47 1525 310 14.6 9.3 60 0.65 Парамагнетик
Кадмий Cd 48 8.65 320.9 231 92.8 29 21 0.074 Диамагнетик
Калий K 19 0.86 63 754 97 83.3 0.04 0.065 Парамагнетик
Кальций Ca 20 1.53 851 650 98 18.5 17 0.04 Парамагнетик
Кобальт Co 27 8.85 1500 445 69.5 13.5 102 0.064 Ферромагнетик
Лантан La 57 6.18 920 188 13.8 5.2 37 0.568 Парамагнетик
Литий Li 3 0.53 180 3285 71 56 0.086 Парамагнетик
Магний Mg 12 1.74 651 1040 170 27 30 0.045 Парамагнетик
Марганец Mn 25 7.44 1244 477 66.7 22.3 196 1.85 Антиферромагн.
Медь Cu 29 8.92 1083 386 406 16.6 35 0.017 Диамагнетик
Молибден Mo 42 10.2 2620 272 150 5.3 153 0.05 Парамагнетик
Натрий Na 11 0.97 98 1220 134 72 0.07 0.042 Парамагнетик
Никель Ni 28 8.96 1453 440 75.5 13.2 68 0.068 Ферромагнетик
Ниобий Nb 41 8.57 2470 268 50 7.2 75 0.15 Парамагнетик
Олово Sn 50 7.29 231.9 226 63.1 23 5.2 0.113 Парамагнетик
Осмий Os 76 22.5 3000 129 4.6 400 0.095 Парамагнетик
Палладий Pd 46 12.02 1552 243 70.7 9.5 46 0.108 Парамагнетик
Платина Pt 78 21.45 1773 134 71.1 9.5 40 0.098 Парамагнетик
Рений Re 75 21.02 3180 138 52 6.7 135 0.214 Парамагнетик
Родий Rh 45 12.48 1970 247 88 8.5 102 0.043 Парамагнетик
Ртуть Hg 80 13.5 -39 138 7.9 182 0.958 Диамагнетик
Рубидий Rb 37 1.53 39 335 35.6 90 0.022 0.12 Парамагнетик
Рутений Ru 44 12.4 2250 239 9.1 220 0.075 Парамагнетик
Свинец Pb 82 11.34 327 130 35 28.3 3.9 0.19 Диамагнетик
Серебро Ag 47 10.49 960.5 235 453 18.6 25 0.015 Диамагнетик
Скандий Sc 21 3 1540 545 11.3 11.4 75 0.66 Парамагнетик
Стронций Sr 38 2.63 770 737 21 14 0.227 Парамагнетик
Таллий Tl 81 11.85 303 147 35 28 2.7 0.18 Диамагнетик
Тантал Ta 73 16.6 3000 150 50 6.6 47 0.124 Парамагнетик
Титан Ti 22 4.52 1670 550 21.9 8.1 73 0.47 Парамагнетик
Торий Th 90 11.6 1750 113 37 11.5 41 0.13 Парамагнетик
Уран U 92 19.05 1130 26.7 14 244 0.3 Парамагнетик
Хром Cr 24 7.19 1900 462 88.6 6.2 114 0.13 Антиферромагн.
Цезий Cs 55 1.9 28 220 18.4 97 0.015 0.19 Парамагнетик
Церий Ce 58 6.78 795 210 10.9 7.1 20 0.75 Парамагнетик
Цинк Zn 30 7.14 419.5 336 113 30 42 0.059 Диамагнетик
Цирконий Zr 40 6.5 1855 277 29.5 6.3 66 0.41 Парамагнетик

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.

Магнитная левитация

Магнитная левитация – это эффективный метод поднятия объекта с использованием магнитного поля. В этом случае магнитное давление используется для компенсации силы тяжести и свободного падения.

Согласно теореме Ирншоу, нельзя удерживать объект в гравитационном поле устойчиво

То есть левитация при таких условиях невозможна, однако если принять во внимание механизмы действия диамагнетиков, вихревых токов и сверхпроводников, то можно достичь эффективной левитации

Если магнитная левитация обеспечивает подъемную силу при механической поддержке, такое явление принято называть псевдолевитацией.

Диамагнетизм

Диамагнетизм отмечает умение объекта формировать магнитное поле, вступающее в сопротивление к внешнему. Поэтому они не притягиваются, а отталкиваются, что приводит к таким поразительным вещам, как левитация диамагнитного материала, если его установить над мощным магнитом.

Пиролитический углерод, левитирующий над постоянным магнитом

По большей части диамагнетизм присутствует во всех материалах, и он всегда слабо влияет на реакцию материала по отношению к магнитному полю. У всех проводников заметен эффективный диамагнетизм, если магнитное поле меняется.  К примеру, сила Лоренца на электронах заставит их циркулировать вокруг вихревых токов. Далее токи создадут индуцированное магнитное поле, сопротивляющееся перемещению проводника.

Магнит и магнитные поля
  • Электрические токи и магнитные поля
  • Постоянные магниты
  • Линии магнитного поля
  • Геомагнетизм
Магниты
Магнитная сила на движущемся электрическом заряде
  • Величина магнитной силы
  • Направление магнитной силы: Правило правой руки
Движение заряженной частицы в магнитном поле
  • Электрические и магнитные силы
  • Постоянная скорость формирует прямую линию
  • Круговое движение
  • Спиральное движение
  • Примеры и приложения
Магнитные поля, магнитные силы и проводники
  • Эффект Холла
  • Магнитная сила на токопроводящем проводнике
  • Вращательный момент на токовой петле: прямоугольный и общий
  • Закон Ампера: создание магнитного поля в длинной прямой проволоке
  • Магнитная сила между двумя параллельными проводниками
Применение магнетизма
  • Масс-спектрометр
  • Ферромагнетизм
  • Парамагнетизм и диамагнетизм
  • Соленоиды, токовые петли и электромагниты

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.

Эффект Мейснера

Эффект Мейснера – это процесс абсолютного вытеснения магнитного поля из всего объема проводника. Обычно это происходит в процессе перехода проводника в сверхпроводящее состояние. Именно этим сверхпроводники отличаются от идеальных – при том, что у обоих сопротивление отсутствует, магнитная индукция идеальных проводников остается неизменной.

Впервые это явление наблюдали и описали в 1933 году двое немецких физиков – Мейснер и Оксенфельд. Именно поэтому иногда квантовую левитацию называют эффектом Мейснера-Оксенфельда.

Из общих законов электромагнитного поля следует, что при отсутствии в объеме проводника магнитного поля в нем присутствует только поверхностный ток, который занимает пространство у поверхности сверхпроводника. При этих условиях сверхпроводник ведет себя так же, как и диамагнетик, при этом таковым не являясь.

Эффект Мейснера разделяют на полный и частичный, в зависимости от качества сверхпроводников. Полный эффект Мейснера наблюдается, когда магнитное поле вытесняется полностью.

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.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделитесь с друзьями:
Добавить комментарий

Нажимая на кнопку "Отправить комментарий", я даю согласие на обработку персональных данных и принимаю политику конфиденциальности.

Adblock
detector