Что такое магнитная левитация

Что такое магнитная левитация

X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

• Главная
• Список секций
• Физика
• Исследование явления магнитной левитации и ее применения

Исследование явления магнитной левитации и ее применения

Чефранова Т.В. 1

1 ГБОУ гимназия им. С. В. Байменова

Архирейская Т.Г. 1

1 ГБОУ гимназия им. С. В. Байменова

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение Магнитная левитация – одно из самых эффектных явлений, которое сейчас начинает входить в нашу повседневную жизнь. Причем используется она как для крупномасштабных значимых проектов – например, Маглев-поезд, удерживаемый над полотном дороги, движимый и управляемый силой электромагнитного поля ‒ так и для обычных сувениров. Магнитная левитация уже сейчас помогает реализовать по-настоящему фантастические проекты. Объект исследования: магнитные поля, создаваемые как постоянными магнитами, так и электромагнитами. Предмет исследования: явление магнитной левитации. Цель проекта: Исследование явления магнитной левитации и области ее применения. Задачи проекта: Изучить и проанализировать литературу о явлении магнитной левитации. Классифицировать виды левитации. Объяснить явление левитации с точки зрения физических законов. Воспроизвести явление левитации. Установить потенциальные возможности применения левитации. Создать презентацию и выступить на конференции. Гипотеза: предположим, что найденные способы магнитной левитации могут в большей степени использоваться в повседневной жизни и в современных устройствах. Методы исследования: 1) метод лингвистического описания, представленный такими приёмами, как сбор, обработка и интерпретация материала; 2) анализ изученных материалов; 3) эксперимент и наблюдение; 4) сравнение полученных данных; 5) обобщение. Актуальность Магнитная левитация – еще недостаточно изученное явление. Но уже сейчас открываются многообразные перспективы ее применения. Уменьшение силы трения, появление новых механизмов и даже преодоление земной гравитации – не это ли будущее? Основная часть Теоретическая часть Виды магнитной левитации Для начала давайте узнаем, что скрывается под термином Левитация. Итак, Левитация – это преодоление гравитации, в результате чего объект имеет статическое положение в пространстве, не имея опоры на твердую или жидкую поверхность. Магнитная левитация — это технология, за счет которой происходит подъем объекта магнитным полем, когда для компенсации гравитационного воздействия применяется магнитное воздействие на объект. В некоторых случаях подъёмная сила обеспечивается магнитной левитацией, но при этом есть механическая поддержка, дающая устойчивость. В этих случаях явление называется псевдолевитация. Однако она так же, если не еще более активно, применяется. Магнитная левитация используется в маглевах, магнитных подшипниках, маховиках, центрифугах для уменьшения или полного устранения сил трения. Помимо этого последнее время ее используют при презентации продукции для большей эффектности. На сегодняшний день существуют пять вариантов реализации магнитной левитации, а именно: 1. Электромагнитная левитация с отслеживающей системой (электродинамическая левитация). 2. Диамагнитная левитация. 3. Левитация магнита над сверхпроводником. 4. Левитация под воздействием вихревых токов. 5. Левитация с помощью постоянных магнитов. Электромагнитная левитация с отслеживающей системой Такой вариант электромагнитной левитации широко используется в сувенирной продукции. Так, например, довольно необычно выглядит глобус, который парит в подставке. А реализован такой вариант левитации следующим образом: В подставке закрепляется электромагнит, который соединен в общую цепь с фотореле. При этом пока фотоэлемент не закрыт от источника света, электромагнит работает и тем самым притягивает к себе глобус, как только фотоэлемент закрывается от источника света, электромагнит перестает работать и глобус начинает падать. Опустившись чуть ниже вновь открывается фотоэлемент, который включает электромагнит и глобус вновь подтягивается. Получается предмет не стоит на месте, а постоянно падает и опускается, но за счет того, что это происходит очень быстро, для человеческого глаза, кажется, что предмет просто подвешен в воздухе. Диамагнитная левитация В природе существуют такие вещества как диамагнетики, оные намагничиваются против воздействующего на них электромагнитного поля. И при определенных условиях диамагнетик, например, кусочек графита, полностью вытесняет магнитное поле на внешние слои и буквально парит над неодимовыми магнитами, расположенными под ним. При этом, чтобы стабилизировать положение графита магниты необходимо расположить в шахматном порядке. В таком случае стержень окажется в своеобразной ловушке из полей и будет левитировать. Если взять небольшой неодимовый магнит с индукцией от 11 Тл, то его можно заставить левитировать буквально в ваших руках. Так как вода так же является диамагнетиком. Достаточно освещен эксперимент с «летающей» лягушкой. Когда маленькое земноводное располагалось над магнитом с индукцией больше 16 Тл и буквально зависало над поверхностью на незначительном расстоянии от магнита. Сверхпроводник и левитация магнита – эффект Мейснера Еще одной разновидностью магнитной левитации является так называемый эффект Мейснера. Суть данного эффекта заключена в следующем: Берется пластина из иттрия-бария-меди и охлаждается с помощью жидкого азота. При такой сверхнизкой температуре металл становится сверхпроводником. И теперь если положить сверху магнит с индукцией от 1мТл, то он будет левитировать. При этом, чем выше будет индукция, тем на большую высоту поднимется магнит. Фишка этого эффекта заключена в том, что у сверхпроводника есть такое интересное свойство как выталкивание магнитного поля из сверхпроводящей фазы. И магнит, отталкиваясь от образованного магнитного поля обратной направленности, зависает в воздухе. И этот процесс будет продолжаться ровно до того момента пока охлажденный металл не покинет фазу сверхпроводящего состояния. Левитация и вихревые токи Вихревые токи или токи Фуко, которые наводятся в достаточно больших проводниках, переменным магнитным полем, так же вполне могут удерживать предметы в левитирующем состоянии. Допустим, если взять катушку и разместить под ней замкнутый контур из алюминия, то, пропуская переменный ток через катушку, мы увидим, как она будет парить над диском. В этом варианте левитации используется закон Ленца. Согласно ему, создаваемый в катушке либо кольце ток создает такое магнитное поле, направление которого будет противодействовать силе, создавшей его. То есть в каждый момент времени в катушке или диске будет формироваться магнитное поле противоположного направления. Таким образом, предмет будет удерживаться в подвешенном положении, пока включен переменный ток. Данный же эффект наблюдается, когда неодимовый магнит роняют в медную трубку. Магнитное поле, индуцируемое в медной трубке, противодействует магнитному полю магнита и тем самым замедляет его падение. Возможное появление проблем 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. Подъемные силы левитации 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 магнитного поля. Исходя из этого, можно, применив формулу, рассчитать магнитное давление P_mag.: P_mag = B 2 /2µ₀, где: B – магнитная индукция, Тл; µ₀ – магнитопроницаемость в вакууме, µ₀ = 4π×10 −7 Н·А −2 . Искомая сила на 1 м 2 поверхности (P_mag) измеряется в Паскалях. 4. Возможности применения магнитной левитации. a) Маглев, или магнитная левитация, — это способ транспортировки, который подвешивает, направляет и приводит в движение транспорт, в основном поезда, используя магнитную левитацию. Данный способ быстрее и тише, чем в случае использования колеса. b) Магнитный подшипник — элемент опоры осей, валов и других деталей, работающих на принципе магнитной левитации. В результате опора является механически бесконтактной. В целом различают пассивные и активные магнитные подшипники. Но если активные магнитные подшипники уже получили определенное распространение, то пассивные подшипники (где магнитное поле создается высокоэнергетическими постоянными магнитами, например, NdFeB) только на стадии разработки. c) Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии или для создания инерционного момента как это используется на космических аппаратах. d) Центрифу́га — устройство, использующее центробежную силу. Представляет собой механизм, обеспечивающий вращение объекта приложения центробежной силы. Применяются для разделения газообразных, жидких или сыпучих тел разной плотности, а также в других случаях, требующих имитации повышенной силы тяжести. e) Сувениры и обычные предметы. Практическая часть В ихревые потоки Фуко Шаг 1: намотать 2 катушки разные по диаметру так, чтобы одна катушка свободно помещалась в другую. Длина проволоки должна быть одинаковой. К онцы должны выходить вниз в одном месте. Витки должны плотно прилегать друг к другу. Шаг 2: Закрепить катушки скотчем и изолентой. Закрепить катушки на вращающейся поверхности. Шаг 3: Установить металлический стержень в центр вращающейся поверхности Шаг 4: Подключить катушки параллельно к источнику переменного тока так, чтобы электрический ток шел у катушек в разных направлениях. Шаг 5: Начать вращение, включить источник тока Ш аг 6: Поместить сверху деталь из алюминия. Левитрон П омните популярную игрушку из 90-х «Левитрон»? Это волчок, который висит в воздухе за счет магнитных сил. Попробуем сделать сами такую игрушку из подручных материалов и понаблюдаем за магнитной левитацией. Нам потребуются следующие материалы: Деревянная доска, карандаш, изоляционная лента, пластиковые или латунные шайбы, почтовые бумажные, пластиковые или картонные открытки. Тринадцать дисковых неодимовых магнитов размерами 12х3 мм, марки N52; один широкий кольцевой размерами 20 (наружный диаметр) х 10 (внутренний диаметр) мм, марки N42. Шаг 1: Раскладка в игрушке «Левитрон», которая была популярна в 90-х годах, и которая больше не продается (или продается?), использовались два специальных керамических кольцевых магнита. Мы же с вами сделаем игрушку, используя несколько стандартных неодимовых магнитов. Как сделать левитрон с подставкой своими руками? В первую очередь, распечатайте на принтере макет, изображенный выше. Он нужен для разметки отверстий под установку магнитов. Обязательно проверьте размеры с помощью линейки. Затем вырежьте макет по квадратной разметке. Вам будет интересно Шаг 2: Вырезаем деревянное основание Вырежьте деревянную заготовку такого же размера, как и бумажный макет. Вы можете использовать для изготовления основания любой пиломатериал, но его толщина должна быть не менее 6 мм. Шаг 3: Переносим макет на основание. Далее приклейте бумажный макет к деревянному блоку. С помощью сверла Форстнера диаметром 12 мм накерните центр в каждом круге. Это необходимо для последующего точного сверления отверстий. Шаг 4: Сверлим отверстия. Чтобы получились качественные отверстия с плоским дном, для сверления используйте сверло Форстнера диаметром 12 мм. Установите на сверлильном станке глубину сверления так, чтобы дно отверстия находилось чуть ниже верхней поверхности блока. Нужно, чтобы магниты располагались как можно ближе к поверхности. Во время сверления макет должен оставаться наклеенным на деревянный блок, чтобы сверление было более точным. Шаг 5: Устанавливаем магниты Отверстия просверлены. Пора вставлять магниты. Они должны быть обращены одним из полюсов вверх. Установим их северным полюсом вниз. Чтобы определить, где северная, а где южная стороны, используйте маркированный магнит D68PC-RB или другой способ. Возьмите стопку марки N52 и вставьте по одному в каждое отверстие. Используйте что-нибудь для проталкивания их вглубь отверстий. Можете воспользоваться деревянным дюбелем. Во время установки, поместите блок на стальную пластину, чтобы магниты удерживались на дне отверстий. Убедитесь, что магниты располагаются как можно глубже в отверстиях Левитатора. Шаг 6: Делаем волчок. Отрежьте карандаш длиной примерно 40 мм. У него должен быть заострен конец. Намотайте на карандаш изоленту, чтобы увеличить диаметр для установки внутрь кольцевого магнита. Разместите кольцевой магнит на карандаше так, чтобы северный полюс был обращен вниз (в сторону острого конца карандаша). Для увеличения веса волчка, наденьте на него несколько пластмассовых шайб. Впоследствии вам придется экспериментировать с весом и высотой центра тяжести волчка, чтобы он работал так, как надо. Для этого может потребоваться очень много времени. Шаг 7: Тестируем. Отрежьте кусок пластика или картона, чтобы сделать платформу. Платформа укладывается поверх основания с магнитами. Волчок раскручивается на этой платформе, затем платформа с волчком поднимается, чтобы волчок попал в «магнитную яму». Вес волчка также является ключевым фактором. В устройстве есть некая «яма», то есть зона, магнитное поле в центре которой немного слабее, чем у краев. Чтобы волчок оставался в этой яме, вам нужно либо добавить ему вес, либо снизить его. Если волчок сразу вылетает, то вам, вероятно, нужно добавить ему веса. Если волчок не отрывается от платформы, возможно, он слишком тяжелый. Также нужно убедиться, что высота платформы выбрана правильно. Если волчок плохо вращается, попробуйте подложить бумажки или картонки под платформу. К сожалению, воссоздать данный вид статического равновесия не удалось, т.к. элементы данной конструкции требуют точного размещения. Динамическое равновесие В свою очередь установление динамического равновесия не требует высокой точности. Достаточно лишь устранить возможность переворачивания магнита. Заключение Магнитная левитация на основании магнитов мало где применяется и требует серьезной отладки. Гораздо большее распространение получила левитация с использованием электромагнитов или же с точкой опоры. Однако и они дают большое преимущество в выигрыше силы, так как силы трения сопротивления уменьшаются в несколько раз. Стабильная левитация предметов так же требует достаточно сложных установок и подготовительных работ, а заставить какой-либо предмет парить лишь с помощью постоянных магнитов сложно. Однако, решив проблему со стабильностью левитации, а также мобильностью устройства это явление может стать незаменимой частью нашей жизни. Список используемой литературы и источников 1.»ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО» Авт. Митио Каку 2.Магнитная левитация// Ампероф – 2019.- URL: https://amperof.ru/teoriya/magnitnaya-levitaciya.html 3.Магнитная левитация// Электросам – 2019. — URL : https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/magnitnaia-levitatsiia/ 4.Магнитная левитация // Мастерклуб – 2019. URL : https :// masterclub . online / topic /16595- magnitnaya — levitatsiya 5. Eric Laithwaite: Magnetic River 1975// — 2019.- URL: https://www.youtube.com/watch?v=OI_HFnNTfyU&list=PLiHpOTx-jQudTV5YuN8WheYX_C2OPvW5i&t=2s

Просмотров работы: 1506

Где используется магнитная левитация

Левитация (от латинского слова levitas = легкость) — это парение в воздухе без каких-либо механических средств.

Магнитная левитация основана на притяжении или отталкивании объектов электромагнитом. Когда по проводнику протекает электрический ток, вокруг него создается магнитное поле. Это поле тем сильнее, чем больше ток протекает через проводник.

В настоящее время термин «магнитная левитация» стал использоваться в самых разных контекстах: от левитирующих игрушек и подвешивания небольшого стационарного объекта лабораторного масштаба, чтобы он был изолирован от вибраций его окружения (изолирующая платформа), до крупномасштабных мобильных механизмов, таких как транспортные средства на магнитной подвеске, способные перевозить людей и материалы до скоростей в несколько сотен километров в час.

Игрушка — левитирующий шар

В зависимости от характера применения может потребоваться некоторая степень физического контакта. Однако если физический контакт необходимо полностью исключить, как в случае с очень скоростными автомобилями, то, помимо подвески, функции поперечного наведения, тяги, торможения, передачи энергии и управления системой должны обеспечиваться одними бесконтактными средствами.

Магнитная левитация используется при бесконтактной плавке, в магнитных подшипниках, в некоторых аэродинамических трубах, в поездах на магнитной подушке и для демонстрации некоторых товаров.

Поезд на магнитной подвеске

Механизмы магнитной левитации

Существует несколько механизмов магнитной левитации, которые за последние несколько десятилетий привлекли большое внимание исследователей и широкой общественности из-за их потенциального применения в высокоскоростном общественном транспорте и высокоскоростных подшипниках.

Двумя хорошо изученными формами магнитной левитации являются электромагнитная левитация и левитация на основе сверхпроводника. Одна форма левитации нуждается в активной подаче энергии для поддержания левитации, а другая требует криогенных температур для ее достижения.

Простейший бесконтактный магнитный подвес

Малоизвестная форма магнитной левитации, называемая диамагнитной левитацией, является единственной формой пассивной левитации, которая возможна при комнатной температуре.

Диамагнитная левитация возможна из-за слабого отталкивания диамагнетиков. Эти материалы в изобилии встречаются в природе.

Еще менее известная альтернативная форма диамагнитной левитации, называемая диамагнитно стабилизированной магнитной левитацией, используется в сборе энергии на основе низкочастотной вибрации для потенциального питания беспроводных датчиков для целей мониторинга состояния механических конструкций.

Магнит над сверхпроводящей пластиной

Примеры использования магнитной левитации

1. Бесконтактная плавка металла

Техника бесконтактной плавки получила развитие после 1950 г. При частотах порядка десятков кГц и мощностях в несколько кВт можно поднять в воздух меньшее количество металла, а при нагреве вихревыми токами добиться плавления при левитации без опасности загрязнения расплавленного металла плавильным тиглем.

В простейшей схеме индукционная катушка имеет форму конуса и выполнена из металлической трубки, по которой протекает охлаждающая жидкость. Можно также использовать защитную атмосферу.

Также с использованием технологии магнитной левитации была разработана новая система испарения для нанесения алюминия на полосовую сталь.

Поскольку расплавленный алюминий вызывает коррозию, идея заключалась в том, чтобы подвесить расплавленный алюминий с помощью левитации, что позволит устранить эту проблему и уменьшит затраты на замену тиглей или лотков с резистивным нагревом.

Лабораторная печь на магнитной подушке для отливок высокой чистоты и воспроизводимости

2. Бесконтактное перемещение изделий

Мелкосерийное производство и часто меняющийся характер продукции предъявляют повышенные требования к логистике. Неудобные конвейерные ленты можно заменить электромагнитным полем. Магнитная левитация позволяет перемещать и позиционировать транспортные тележки.

Эта технология обеспечивает плотность размещения тележек в четыре раза выше, чем другие системы. Тележки также можно использовать в качестве управляемых и интерполируемых осей на отдельных рабочих станциях.

Например, траектория каретки может повторять контур ЧПУ, при этом обрабатывающий инструмент не меняет своего положения.

При этом система очень проста в настройке. Передовые алгоритмы гарантируют, что тележки следуют оптимальным траекториям, никогда не сталкиваются и минимизируют потребление энергии.

3. Бесконтактные подшипники

В магнитном подшипнике механическая нагрузка захватывается магнитной левитацией, поэтому движущиеся части не касаются друг друга. Это приводит к очень низкому трению, исключает механический износ материалов и позволяет подшипнику иметь очень высокие скорости вращения.

Пассивные магнитные подшипники основаны на постоянных магнитах, не требуют каких-либо усилий для стабилизации, но их конструкция сложна. Поэтому большинство магнитных подшипников относятся к активному типу, в них используются электромагниты, при работе они потребляют электрическую энергию и управляются датчиками положения, обеспечивающими их устойчивость.

Бесконтактные магнитные подшипники можно найти в некоторых промышленных приложениях, например, в электрических генераторах, на нефтеперерабатывающих заводах и при переработке природного газа, в центрифугах для обогащения урана или в турбомолекулярных вакуумных насосах.

Магнитные подшипники безмасляной турбины на заводе по производству этилена и пропилена

Магнитная левитация была успешно применена к инерциальным датчикам для повышения их чувствительности к вибрациям окружающей среды.

В некоторых областях, таких как мониторинг строительных конструкций, требуются очень чувствительные датчики ускорения и наклона с высоким разрешением при низких ускорениях (обычно менее 1G) и умеренных частотах (обычно менее 20 Гц) или очень малых наклонах (обычно менее 1 °).

Приборы, доступные в настоящее время для таких измерений, представляют собой либо очень высокоточные приборы (следовательно, очень дорогие), используемые в сейсмологии и физике земного шара, либо более дешевые продукты, не обладающие необходимой чувствительностью и имеющие большие диапазоны измерений как по частоте, так и по интенсивности.

Такая ситуация значительно затрудняет актуализацию строительных норм в сейсмических зонах, а также изучение сложного явления взаимодействия грунт-конструкция в зонах риска.

Левитация сейсмической массы инерциального датчика освобождает его конструкцию от всех ограничений, создаваемых механической связью между инерционной массой и основанием устройства, которые делают современные измерительные приборы такими сложными и такими дорогими.

5. Левитирующий транспорт

Название Маглев (аббревиатура: магнитная левитация) было принято для поездов, левитирующих с помощью магнитных сил, хотя применение магнитной левитации не ограничивается поездами.

Для транспортных средств на магнитной подвеске широко использовались две основные конструкции системы подвески на магнитной подвеске. Первый использует силу притяжения между магнитами и ферромагнитными металлами и называется системой электромагнитной подвески. Другой использует силу отталкивания, создаваемую магнитами, движущимися относительно электрических проводников, и называется системой электродинамической подвески.

По рельсам движутся поезда на магнитной подушке, а магнитные системы обеспечивают как подъемную, так и движущую силу.

Это значительно снижает трение и данная система позволяет достигать высоких скоростей транспортировки. Движение поезда плавное и бесшумное по сравнению с классическим железнодорожным транспортом.

В маглевах на боковинах направляющего пути установлены «восьмифигурные» катушки левитации. Когда бортовые сверхпроводящие магниты проходят с высокой скоростью примерно в нескольких сантиметрах ниже центра этих катушек, внутри катушек индуцируется электрический ток, который затем временно действует как электромагниты. В результате существуют силы, которые толкают сверхпроводящий магнит вверх, и силы, одновременно тянущие их вверх, тем самым поднимая в воздух механизм маглев.

Поезда на маглеве не нуждаются в двигателе и, следовательно, не производят выбросов. Они быстрее, тише и плавнее, чем традиционные транспортные средства.

Энергия, необходимая для их левитации, обычно не составляет большого процента от общего энергопотребления. На самом деле, большая часть энергии используется для преодоления сопротивления воздуха, что характерно для любого высокоскоростного поезда.

Поезда на маглеве отличаются высокой закупочной ценой, но относительно низкими эксплуатационными расходами. Сегодня этот вид транспорта регулярно курсирует только в трех странах: Японии, Китае и Южной Корее.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Что такое диамагнитная левитация и как это возможно

Диамагнитная левитация — это явление, при котором диамагнетики, то есть вещества, слабо отталкивающиеся магнитным полем, могут парить над сильным постоянным или переменным магнитом. Это происходит из-за того, что диамагнетики создают внутри себя противоположное магнитное поле, которое компенсирует силу тяжести.

Диамагнитная левитация может быть наблюдена с помощью различных материалов, таких как вода, висмут, пиролитический графит, а также с живыми организмами, такими как лягушки, растения и даже человек. Для этого необходимо использовать магниты с высокой индукцией, порядка нескольких тесла.

Диамагнитная левитация имеет много потенциальных применений в науке и технологии, таких как создание сверхпроводящих устройств, магнитных подвесов, биомедицинских исследований и других. Однако она также представляет собой интересный и занимательный физический эксперимент, который можно провести дома или в школе.

Для начала имеет смысл упомянуть классический эффект Мейснера, при котором из объема проводника, пребывающего в сверхпроводящем состоянии, полностью вытесняется магнитное поле, в которое он помещен.

Так, если над охлажденной до критической температуры пластиной из оксида иттрия-бария-меди, ставшей в этих условиях сверхпроводником, разместить магнит, то он сможет парить в воздухе, преодолевая силу тяжести.

Оксид иттрия-бария-меди имеет критическую температуру 93К, поэтому жидкого азота с его 77,4 К с избытком хватает для сообщения пластине нужной температуры, при которой она становится сверхпроводником.

Суть эффекта Мейснера состоит в том, что наведенное в пластине из сверхпроводника магнитное поле будет вытеснено и направлено навстречу магнитному полю постоянного магнита. По этой причине, пока сверхпроводник является таковым (что обусловлено его температурой), магнит сможет продолжать над ним парить.

Но существует и другой эффект, называемый диамагнитной левитацией. Этот эффект внешне очень похож на эффект Мейснера. Более того, природа диамагнитной левитации — та же, что и у эффекта Мейснера.

Напомним, что диамагнетики — это такие вещества, которые намагничиваются против направления внешнего магнитного поля, при этом степень намагничивания зависит от магнитной восприимчивости вещества.

Однако, в отличие от эффекта Мейснера, для демонстрации и наблюдения диамагнитной левитации не нужно ничего охлаждать, ведь проявление диамагнитных свойств у известных веществ не требует их нахождения при низких температурах.

Так, диамагнитная левитация при комнатной температуре в качестве единственного и главного условия для своего проявления требует лишь относительно сильного внешнего магнитного поля.

Диамагнитная левитация используется во многих экспериментах, где она служит для компенсации земной гравитации и позволяет таким образом имитировать условия невесомости в наземной лаборатории. Рассмотрим несколько таких экспериментов.

Наблюдение диамагнитной левитации

Если взять небольшой неодимовый магнит с индукцией в 1 Тл и разместить его между двумя кусками висмута, так, чтобы висмут перекрывал магнит сверху и снизу, то магнит сможет парить в этой щели, преодолевая силу земного притяжения.

Для справки: магнитная восприимчивость висмута в 9,5 раз больше, чем у золота и в 52,5 раза больше, чем у меди (см. таблицу выше).

При такой же магнитной индукции в 1 Тл кусок графитового стержня от простого карандаша можно устойчиво подвесить в воздухе над неодимовыми магнитами, расставленными так, чтобы их полюса располагались в шахматном порядке.

Пирографиту (графит особой структуры с магнитной восприимчивостью около 95*10 -5 ) для парения над магнитами достаточно еще меньшей индукции — всего 0,5 Тл.

Если взять маленький магнит, который может уместиться между пальцами, да такой, чтобы он обладал индукцией в 11 Тл, то этот магнит можно стабилизировать в левитирующем состоянии просто разместив его между пальцами.

Вода — известный диамагнетик. Внешнее магнитное поле влияет на движение электронов в ее молекулах. В результате у воды появляется слабое собственное магнитное поле, направление которого противоположно приложенному внешнему.

Эффект диамагнитного отталкивания воды в сильном магнитном поле, когда становится возможным преодолеть силу тяжести, можно наблюдать в известных экспериментах с левитирующей лягушкой (в лягушке есть достаточно воды) и левитирующей каплей воды из лаборатории Университета Неймегена (Нидерланды).

В их экспериментах применялось магнитное поле от катушки Биттера со внутренним диаметром 32 мм с индукцией около 16 Тл. Оригинальная работа, проведенная исследователями института, была впервые опубликована в Physics World в апреле 1997 года.

Условия возможности диамагнитной левитации

Для того, чтобы диамагнитный объект смог левитировать в магнитном поле с неким градиентом напряженности, необходим определенный баланс между силой F, действующей на диамагнетик со стороны магнитного поля, и силой тяжести mg.

Иными словами, сила тяжести должна быть скомпенсирована магнитной силой в вертикальном направлении.

Магнитная сила, действующая на диамагнетик, и зависящая как от вертикального градиента магнитной индукции, так и от магнитной восприимчивости, вычисляется через магнитный момент следующим образом:

Соответственно, для левитации должно выполняться условие:

Учитывая, что магнитная восприимчивость большинства известных диамагнетиков имеет порядок 10 -5 , а плотность — порядка нескольких г/м 3 , получаем необходимый градиент поля от 1000 до 10000 Тл/м. Приняв размер для вычисления градиента B за 10 см, получаем, что для левитации диамагнетиков достаточно магнитной индукции от 1 до 10 Тл.

Однако, для достижения таких высоких значений магнитной индукции и градиента поля необходимы сильные постоянные магниты или электромагниты с большим током. Кроме того, диамагнетики обладают свойством анизотропии, то есть их магнитная восприимчивость зависит от направления магнитного поля. Это означает, что диамагнетик может левитировать только в определенном положении относительно магнита.

Для обеспечения устойчивости левитации необходимо также учитывать силы, возникающие при смещении диамагнетика в горизонтальном направлении. Если эти силы стремятся вернуть диамагнетик в положение равновесия, то левитация называется статически устойчивой. Если же эти силы отталкивают диамагнетик от положения равновесия, то левитация называется статически неустойчивой и требует дополнительных механизмов стабилизации, таких как вращение, колебание или обратная связь.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Магнитная левитация — что это такое и как это возможно

Слово «левитация» происходит от английского «levitate» — парить, подниматься в воздух. То есть левитация — это преодоление объектом гравитации, когда он парит и не касается опоры, не отталкиваясь при этом от воздуха, не используя реактивную тягу. С точки зрения физики, левитация — это устойчивое положение объекта в гравитационном поле, когда сила тяжести скомпенсирована и имеет место возвращающая сила, обеспечивающая объекту устойчивость в пространстве.

В частности магнитная левитация — это технология подъёма объекта с помощью магнитного поля, когда для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений используется магнитное действие на объект. Именно о магнитной левитации и пойдет речь в данной статье.

Магнитное удержание объекта в состоянии устойчивого равновесия можно реализовать несколькими способами. Каждый из способов имеет свои особенности, и к каждому можно предъявить претензии, вроде «это не настоящая левитация!», и так оно на самом деле и будет. Настоящая левитация в чистом виде недостижима.

Так, теорема Ирншоу доказывает, что, используя только ферромагнетики, невозможно устойчиво удерживать объект в гравитационном поле. Но несмотря на это, с помощью сервомеханизмов, диамагнетиков, сверхпроводников и систем с вихревыми токами возможно достичь подобие левитации, когда какой-нибудь механизм помогает объекту сохранять равновесие, когда тот поднят над опорой магнитной силой. Однако обо всем по порядку.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

• Почему взрываются аккумуляторы
• Комната для беспроводной зарядки устройств Disney — как это работает
• Безлопастные турбины — новый вид ветрогенераторов

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Интересные факты, Интересные электротехнические новинки

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика

Поделитесь этой статьей с друзьями: