Lewitacja to pokonanie grawitacji, w której podmiot lub przedmiot znajduje się w przestrzeni bez wsparcia. Słowo „lewitacja” pochodzi z łacińskiego Levitas, co oznacza „lekkość”.
Lewitację nie należy utożsamiać z lotem, ponieważ ten ostatni opiera się na oporze powietrza, dlatego ptaki, owady i inne zwierzęta latają, a nie lewitują.
Lewitacja w fizyce
Lewitacja w fizyce odnosi się do stabilnej pozycji ciała w polu grawitacyjnym, podczas gdy ciało nie powinno dotykać innych obiektów. Lewitacja implikuje pewne konieczne i trudne warunki:
- Siła, która może zrównoważyć przyciąganie grawitacyjne i siłę grawitacji.
- Siła, która może zapewnić stabilność ciała w przestrzeni.
Z prawa Gaussa wynika, że w statycznym polu magnetycznym ciała lub obiekty statyczne nie są zdolne do lewitacji. Jeśli jednak zmienisz warunki, możesz osiągnąć lewitację.
Lewitacja kwantowa
Ogólna opinia publiczna po raz pierwszy dowiedziała się o lewitacji kwantowej w marcu 1991 roku, kiedy w czasopiśmie naukowym Nature opublikowano interesujące zdjęcie. Pokazywał on dyrektora Tokyo Superconductivity Research Laboratory, Dona Tapscotta, stojącego na ceramicznej płycie nadprzewodzącej, a między podłogą a płytą nie było nic. Zdjęcie okazało się prawdziwe, a płyta, która wraz ze stojącym na niej reżyserem ważyła około 120 kilogramów, mogła unosić się nad podłogą dzięki efektowi nadprzewodnictwa znanemu jako efekt Meissnera-Ochsenfelda.
Lewitacja diamagnetyczna
Jest to nazwa rodzaju unoszenia się w polu magnetycznym ciała zawierającego wodę, które samo w sobie jest diamagnesem, to znaczy materiałem, którego atomy mogą być namagnesowane w kierunku przeciwnym do kierunku głównego pola elektromagnetycznego pole.
W procesie lewitacji diamagnetycznej główną rolę odgrywają właściwości diamagnetyczne przewodników, których atomy pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego nieznacznie zmieniają parametry ruchu elektronów w ich cząsteczkach, co prowadzi do pojawienia się słabego pola magnetycznego przeciwnego do głównego. Efekt tego słabego pola elektromagnetycznego wystarczy do pokonania grawitacji.
Aby zademonstrować lewitację diamagnetyczną, naukowcy wielokrotnie przeprowadzali eksperymenty na małych zwierzętach.
Ten rodzaj lewitacji był używany w eksperymentach na żywych obiektach. Podczas eksperymentów wzewnętrzne pole magnetyczne o indukcji około 17 Tesli, osiągnięto stan zawieszenia (lewitacji) żab i myszy.
Zgodnie z trzecim prawem Newtona właściwości diamagnesów można wykorzystać odwrotnie, to znaczy do unoszenia magnesu w polu diamagnesu lub do stabilizacji go w polu elektromagnetycznym.
Lewitacja diamagnetyczna ma identyczny charakter jak lewitacja kwantowa. Oznacza to, że podobnie jak w przypadku efektu Meissnera, następuje absolutne przemieszczenie pola magnetycznego z materiału przewodnika. Jedyną niewielką różnicą jest to, że aby uzyskać lewitację diamagnetyczną, potrzebne jest znacznie silniejsze pole elektromagnetyczne, jednak wcale nie jest konieczne chłodzenie przewodników w celu uzyskania ich nadprzewodnictwa, jak ma to miejsce w przypadku lewitacji kwantowej.
W domu możesz nawet przeprowadzić kilka eksperymentów z lewitacją diamagnetyczną, na przykład, jeśli masz dwie płytki bizmutu (który jest diamagnesem), możesz ustawić magnes o niskiej indukcji, około 1 T, w stanie zawieszenia. Dodatkowo w polu elektromagnetycznym o indukcji 11 Tesli możesz ustabilizować mały magnes w stanie zawieszonym, dostosowując jego położenie palcami, nie dotykając w ogóle magnesu.
Często występujące diamagnesy to prawie wszystkie gazy obojętne, fosfor, azot, krzem, wodór, srebro, złoto, miedź i cynk. Nawet ludzkie ciało jest diamagnetyczne w odpowiednim elektromagnetycznym polu magnetycznym.
Lewitacja magnetyczna
Lewitacja magnetyczna jest skutecznametoda podnoszenia przedmiotu za pomocą pola magnetycznego. W takim przypadku ciśnienie magnetyczne służy do kompensacji siły ciężkości i swobodnego spadania.
Zgodnie z twierdzeniem Earnshawa, niemożliwe jest stabilne utrzymywanie obiektu w polu grawitacyjnym. Oznacza to, że lewitacja w takich warunkach jest niemożliwa, ale jeśli weźmiemy pod uwagę mechanizmy działania diamagnesów, prądów wirowych i nadprzewodników, to można osiągnąć efektywną lewitację.
Jeśli lewitacja magnetyczna zapewnia siłę nośną i wsparcie mechaniczne, zjawisko to nazywa się pseudo-lewitacją.
efekt Meissnera
Efekt Meissnera to proces bezwzględnego przemieszczenia pola magnetycznego z całej objętości przewodnika. Zwykle dzieje się to podczas przejścia przewodnika w stan nadprzewodnictwa. Tym właśnie różnią się nadprzewodniki od idealnych - pomimo tego, że oba nie mają rezystancji, indukcja magnetyczna idealnych przewodników pozostaje niezmieniona.
Po raz pierwszy zjawisko to zostało zaobserwowane i opisane w 1933 roku przez dwóch niemieckich fizyków - Meissnera i Oksenfelda. Dlatego lewitacja kwantowa jest czasami nazywana efektem Meissnera-Ochsenfelda.
Z ogólnych praw pola elektromagnetycznego wynika, że przy braku pola magnetycznego w objętości przewodnika, występuje w nim tylko prąd powierzchniowy, który zajmuje przestrzeń w pobliżu powierzchni nadprzewodnika. W tych warunkach nadprzewodnik zachowuje się tak samo jak diamagnes, chociaż nim nie jest.
Efekt Meissnera dzieli się na pełny i częściowy, inw zależności od jakości nadprzewodników. Pełny efekt Meissnera obserwuje się, gdy pole magnetyczne jest całkowicie przemieszczone.
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe
W naturze jest niewiele czystych nadprzewodników. Większość ich materiałów nadprzewodzących to stopy, które najczęściej wykazują tylko częściowy efekt Meissnera.
W nadprzewodnikach jest to zdolność do całkowitego wypierania pola magnetycznego z jego objętości, która rozdziela materiały na nadprzewodniki pierwszego i drugiego typu. Nadprzewodniki pierwszego typu to czyste substancje, takie jak rtęć, ołów i cyna, zdolne do wykazania pełnego efektu Meissnera nawet w silnych polach magnetycznych. Nadprzewodniki drugiego typu to najczęściej stopy, a także ceramika lub niektóre związki organiczne, które w warunkach pola magnetycznego o wysokiej indukcji są zdolne jedynie do częściowego wypierania pola magnetycznego ze swojej objętości. Niemniej jednak, w warunkach bardzo niskiego natężenia pola magnetycznego, prawie wszystkie nadprzewodniki, w tym typu II, są zdolne do pełnego efektu Meissnera.
Kilkaset stopów, związków i kilka czystych materiałów posiada właściwości nadprzewodnictwa kwantowego.
Doświadczenie z trumną Mohammeda
"trumna Mahometa" to rodzaj sztuczki z lewitacją. Tak nazwano eksperyment, który wyraźnie zademonstrował efekt.
Według muzułmańskiej legendy trumna Proroka Mahometa była w powietrzu w stanie zawieszenia, bez żadnego wsparcia i wsparcia. Dokładnie takstąd nazwa doświadczenia.
Naukowe wyjaśnienie doświadczenia
Nadprzewodnictwo można osiągnąć tylko w bardzo niskich temperaturach, dlatego nadprzewodnik należy wcześniej schłodzić, na przykład gazami o wysokiej temperaturze, takimi jak ciekły hel lub ciekły azot.
Następnie magnes jest umieszczany na powierzchni płaskiego chłodzonego nadprzewodnika. Nawet w polach o minimalnej indukcji magnetycznej nieprzekraczającej 0,001 Tesli magnes unosi się ponad powierzchnię nadprzewodnika o około 7-8 milimetrów. Jeśli stopniowo zwiększasz natężenie pola magnetycznego, odległość między powierzchnią nadprzewodnika a magnesem będzie się coraz bardziej zwiększać.
Magnes będzie nadal lewitował, aż zmienią się warunki zewnętrzne i nadprzewodnik straci swoje właściwości nadprzewodnikowe.
