Диамагнитная левитация: удивительное явление парения в магнитном поле

Что такое диамагнитная левитация. Как она работает. Где применяется диамагнитная левитация. Какие материалы обладают свойством диамагнетизма. Как создать эффект левитации в домашних условиях.

Что такое диамагнитная левитация

Диамагнитная левитация — это явление, при котором диамагнитные материалы парят в сильном магнитном поле без какой-либо механической поддержки. Это происходит благодаря уникальным свойствам диамагнетиков отталкиваться от внешнего магнитного поля.

Как работает диамагнитная левитация

Диамагнитная левитация основана на двух ключевых физических принципах:

1. Диамагнетизм — свойство веществ создавать собственное магнитное поле, направленное противоположно внешнему полю.
2. Магнитная левитация — способность объекта «парить» в магнитном поле за счет уравновешивания силы тяжести и магнитной силы.

При помещении диамагнетика в сильное магнитное поле в нем индуцируется намагниченность, направленная противоположно внешнему полю. Это приводит к отталкиванию диамагнетика от источника магнитного поля и его левитации.

Какие материалы обладают свойством диамагнетизма

Диамагнитными свойствами обладают многие вещества, например:

• Вода
• Графит
• Висмут
• Медь
• Серебро
• Золото
• Органические соединения (белки, ДНК)

Самыми сильными диамагнетиками являются сверхпроводники, которые полностью выталкивают магнитное поле из своего объема (эффект Мейснера).

Где применяется диамагнитная левитация

Диамагнитная левитация находит применение в различных областях науки и техники:

• Левитационные поезда на магнитной подушке
• Высокоточные измерительные приборы
• Бесконтактные подшипники
• Левитирующие дисплеи
• Научные исследования в условиях невесомости

Как создать эффект левитации в домашних условиях

Простейший эксперимент по диамагнитной левитации можно провести дома, используя следующие материалы:

• Несколько сильных неодимовых магнитов
• Тонкий графитовый стержень (например, грифель от карандаша)
• Подставка

Порядок действий:

1. Расположите магниты на подставке в шахматном порядке.
2. Аккуратно поместите графитовый стержень над магнитами.
3. При правильном расположении магнитов стержень зависнет в воздухе на небольшой высоте.

Этот простой опыт наглядно демонстрирует принцип диамагнитной левитации.

Исследования и открытия в области диамагнитной левитации

Диамагнитная левитация активно изучается учеными по всему миру. Некоторые интересные исследования последних лет:

• В 2018 году ученым удалось добиться устойчивой левитации небольших предметов при комнатной температуре, используя модифицированные диамагнитные материалы.
• Исследователи из MIT в 2020 году разработали метод левитации наночастиц с помощью диамагнитных сил, что открывает новые возможности для изучения квантовых эффектов.
• В 2021 году был создан прототип «квантового гироскопа» на основе диамагнитной левитации, обладающий рекордной чувствительностью.

Эти открытия демонстрируют огромный потенциал диамагнитной левитации для развития науки и технологий будущего.

Перспективы использования диамагнитной левитации

Диамагнитная левитация имеет множество перспективных направлений применения:

• Создание сверхточных измерительных приборов для гравиметрии и сейсмологии
• Разработка новых типов квантовых компьютеров на основе левитирующих кубитов
• Совершенствование технологий магнитной левитации для транспорта
• Проведение биологических экспериментов в условиях микрогравитации
• Создание левитирующих архитектурных конструкций

Дальнейшее изучение явления диамагнитной левитации может привести к революционным открытиям в физике, химии, биологии и инженерии.

Сравнение диамагнитной левитации с другими видами магнитной левитации

Существует несколько видов магнитной левитации, каждый из которых имеет свои особенности:

Вид левитации	Принцип действия	Преимущества	Недостатки
Диамагнитная	Отталкивание диамагнетиков от магнитного поля	Не требует электроэнергии, стабильна	Слабые силы, требуются сильные магниты
Электромагнитная	Взаимодействие электромагнитов	Большие подъемные силы	Требует постоянного энергоснабжения
Сверхпроводниковая	Эффект Мейснера в сверхпроводниках	Очень стабильная левитация	Необходимо криогенное охлаждение

Диамагнитная левитация занимает промежуточное положение, сочетая простоту реализации с достаточной стабильностью.

Левитация для маглов

Есть в мире силы, с которыми люди могут, кажется, только смириться: время не течет вспять, смерть неизбежна, притяжение тянет вниз. Победить их можно только чудом — или волшебством. Чтобы заставить предмет левитировать, маги из мира Джоан Роулинг произносят «Wingardium Leviosa» и делают взмах палочкой. Физикам-маглам есть что на это ответить — им известно немало способов удержать предмет в воздухе без механической опоры.

Чтобы заставить предмет левитировать, нужно сделать две вещи. Во-первых, создать силу, направленную вертикально вверх, чтобы он не упал под действием земного тяготения. Во-вторых, надо позаботиться о том, чтобы зависший в воздухе предмет находился в устойчивом равновесии — то есть самостоятельно возвращался в свое первоначальное положение после того, как его покой потревожат. Иными словами, помимо поддерживающей силы нужна еще и возвращающая. Разумеется, природа обеих сил не должна быть механической — иначе вся левитация свелась бы к тому, чтобы положить предмет на твердую опору или подвесить его.

Magnes Fulcit

Простые постоянные магниты знакомы многим из бытовой жизни — с их помощью вы наверняка вешали атлас на школьную доску или прикрепляли к холодильнику сувениры с курорта. Сила магнетизма была хорошо известна еще в древности: например, Плиний Старший упоминает в своих сочинениях архитектора Тимохариса, который собирался использовать в своде александрийского храма «магнитный камень», чтобы железная статуя под ним парила в воздухе. Плиний, правда, не уточняет, что должно было удержать статую от того, чтобы прилипнуть к потолку.

Но если слегка расширить рамки бытового применения и поэкспериментировать с двумя магнитами, то обнаружится, что их разноименные полюса притягиваются, скрепляя магниты друг с другом не хуже, чем отдельный магнит с доской, а вот соединить их одноименными полюсами сложнее — они отталкиваются. Это явление можно использовать для левитации, создавая в пространстве магнитное поле, которое будет подталкивать нужный предмет вертикально вверх.

Однако если противодействовать силе тяжести при помощи магнетизма сравнительно легко, то создать устойчивое равновесие — уже не так просто. Теорема Ирншоу запрещает статичным парамагнетикам и ферромагнетикам порождать стабильную левитацию: как бы ни старались современный экспериментатор или античный архитектор, без дополнительных условий поворот двух постоянных магнитов даже на совсем небольшой угол приведет к тому, что они развернутся друг к другу противоположными полюсами, отталкивание превратится в притяжение, и полет прекратится.

К счастью, существует сразу несколько путей, которые позволяют обойти этот запрет. Один из них — помещать в магнитное поле диамагнетик. Он, в отличие от парамагнетика, намагничивается не вдоль внешнего поля, а противоположно ему, и теорема Ирншоу не запрещает ему устойчиво зависать в воздухе. А при небольших отклонениях от равновесного положения собственное поле диамагнетика может перестраиваться так, чтобы возвращать его в равновесие. Представить такой эффект можно, мысленно заменив магнитное поле на множество механических пружин, которые закреплены на объекте: при небольших растяжениях и сжатиях относительно равновесия их упругие силы будут сами подстраиваться так, чтобы объект вновь перешел в первоначальное положение.

Подобрать диамагнетик нетрудно: подобное поведение характерно для множества веществ, включая органические соединения — значит, в достаточно сильных полях левитировать могут и живые создания. Известны опыты, когда при индукции поля в десятки тесла удавалось отправить в полет лягушек и мышей — отмечается, что последние адаптировались к подвешенному состоянию примерно за четыре часа.

Похожим образом можно устроить стабильную левитацию при помощи сверхпроводников — материалов, которые при сильном охлаждении полностью теряют электрическое сопротивление (подробнее о механизмах, благодаря которым возможен такой переход, в материале «Ниже критической температуры»). Находясь в сверхпроводящем состоянии, образец вытесняет (или почти вытесняет) из своего объема приложенное к нему внешнее магнитное поле — то есть с точки зрения наблюдателя ведет себя как идеальный диамагнетик, который не просто слегка намагничивается в обратную полю сторону, а как будто становится противоположным магнитом той же силы.

Благодаря этому сверхпроводникам, по сравнению с настоящими диамагнетиками, для левитации требуются в среднем менее сильные поля. В качестве платы за такое удобство приходится, однако, охлаждать материал до температур, близких к абсолютному нулю, чтобы привести его в сверхпроводящее состояние (но физики работают над этой проблемой — осенью прошлого года им удалось достичь сверхпроводимости при комнатной температуре, правда, при давлении почти в три миллиона атмосфер).

Для левитации можно также комбинировать разные эффекты — например, «подвесить» небольшой магнит в поле сверхпроводящего соленоида и стабилизировать его положение при помощи диамагнетиков — например, человеческих пальцев или учебника по физике.

Другой способ создать стабильную левитацию — использовать нестатические магнитные поля, к которым не относится утверждение теоремы Ирншоу. Например, ниже показано изобретение восьмидесятых годов, своего рода магнитная юла: неподвижный чашеобразный магнит поддерживает своим полем вращающийся над ним магнит в форме волчка.

Если последний раскрутить достаточно быстро, то его левитация будет устойчивой — по аналогии с обычным волчком, при небольших отклонениях от вертикали малые поперечные скорости точек тела будут складываться с большими вращательными скоростями, и волчок продолжит устойчиво вращаться, хотя его ось и будет немного дрожать.

Наконец, можно стабилизировать левитацию при помощи обратной связи — то есть следить за тем, где находится предмет, и регулировать величину магнитного поля так, чтобы оно постоянно удерживало норовящее «соскользнуть» с него тело. Главное в этом деле — успеть. Если магнитное поле опоздает на свою работу, то уже не вернет левитирующему объекту равновесие, а наоборот, еще сильнее дестабилизирует его.

Несмотря на сложности, у этого способа левитации есть весьма широкое практическое применение — например, его используют поезда на магнитной подушке — маглевы (аббревиатура от магнитная левитация). Принцип работы такого транспорта основан на том, что магнитный рельс подстраивается под смещения левитирующего над ним поезда, быстро изменяя свою полярность так, чтобы ускорять (или замедлять) движение — подобно тому, как при помощи постоянных магнитов мы можем ненадолго ускорять один из них, «приманивая» его противоположным полюсом другого.

Маглевы не касаются рельса, а левитируют над ним, а потому являются самым высокоскоростным видом общественного транспорта — их замедляет только сопротивление воздуха. В 2015 году японский маглев на испытаниях установил рекордную скорость свыше 600 километров в час, а проектируемые маглевы в вакуумных тоннелях, вероятно, будут передвигаться на порядок быстрее, преодолевая за час до шести тысяч километров.

Летом 2017 года немецкая фирма ThyssenKrupp продемонстрировала лифт MULTI, который работает по тому же принципу, что и маглевы — то есть левитирует.

Такой лифт способен двигаться не только по вертикали, но и по горизонтали — а значит можно разрабатывать нелинейные шахты, в которых кабины обгоняют друг друга и перемещаются между разными частями здания, повышая пропускную способность системы. А за год до экспериментальной демонстрации канадский инженер, вдохновившись концептом MULTI, предложил использовать такие кабины в качестве передвижных комнат, которые могут скользить вдоль стен здания, зависая у нужных окон и создавая дополнительное пространство.

Lux Pressura

Еще один способ устроить левитацию — это использовать давление света. Гипотезу об этом явлении еще четыре века назад выдвинул Иоганн Кеплер в качестве объяснения тому, что наблюдаемые хвосты комет направлены в сторону от Солнца. Во второй половине XIX века давление света удалось обосновать в рамках классической электродинамики Максвелла, а уже несколько лет спустя теоретический прогноз подтвердился в опытах Петра Лебедева.

Современные представления об электромагнитном излучении несколько шире, чем в теории Максвелла — теперь принято считать, что оно имеет не только волновые, но и корпускулярные свойства. Световой луч можно представлять себе как пучок элементарных частиц — фотонов — каждый из которых переносит порцию энергии и обладает импульсом, а значит, по аналогии с механическими частицами (например, маленькими дробинками), может передавать этот импульс другим телам при взаимодействии. Если создать устройство, которое позволяет грамотно распорядиться этим импульсом, то можно подталкивать предмет потоком излучения в нужном направлении.

В 1986 году американский физик Артур Эшкин вместе с коллегами продемонстрировал работу одного из таких устройств — оптического пинцета. Если с помощью обычного пинцета попытаться работать с объектами микромира — клетками, белками, молекулами (и частицами еще меньше), то такой опыт едва ли закончится успехом — механический инструмент слишком груб для этого и лишь разрушит исследуемую систему. Эшкин догадался заменить механические рычаги на интенсивный лазерный пучок, который при помощи давления света удерживает микроскопические частицы, не затрагивая их внутреннюю структуру.

Чтобы обеспечить левитацию объекта в таком пинцете, лазерный луч фокусируют через объектив микроскопа. В результате у пучка возникает «талия» — сужение, в котором интенсивность (число фотонов, пролетающих через единичное поперечное сечение в единицу времени) резко возрастает от краев пучка к его центру. Из-за этого на микрочастицу, помещенную в пучок, со стороны излучения действует градиентная сила, которая втягивает ее в центр пучка — область наибольшей интенсивности (при этом несмотря на то, что всякая частица стремится попасть в центр, детальное описание этого процесса зависит от соотношения между размерами частицы и длиной волны лазера — подробнее об этом можно узнать в материале «Скальпель и пинцет»)

.

Зажатый в луче света объект немного смещается в направлении от источника лазерного луча, поскольку налетающие фотоны передают ему свой импульс — в результате микрочастица оказывается зафиксирована в очень компактной центральной области, что очень удобно для точных измерений в биологии, физике и медицине. Так, при помощи оптической ловушки в 2018 году австралийские физики измерили действующую на отдельный атом силу с точностью до сотых долей аттоньютона — это в десятки миллиардов триллионов (то есть 10²²) раз меньше, чем типичная сила тяжести, которая действует на человека.

Незадолго до этого американские ученые научились создавать трехмерные цветные голограммы, подсвечивая небольшую частицу, которую передвигали оптическим пинцетом со скоростью почти два метра в секунду. Благодаря инерции человеческого зрения, световой след сливался в единое цветное изображение.

Годом позже физики из Швеции и Германии наблюдали за микрометровыми глицериновыми каплями в лазерном пучке, надеясь отследить их движение и детально описать слияние частиц. Однако вместо этого неожиданно обнаружили, что при касательных столкновениях левитирующие капли не сливаются, а приобретают устойчивые замкнутые траектории неправильной формы, будто шары в руках невидимого жонглера. На качественном уровне авторы объяснили это тем, что левитирующие капли периодически заслоняют друг от друга луч лазера, а потому градиентная сила и давление излучения периодически меняются, заставляя частицы то снижаться и отлетать от центра пучка, то вновь подлетать к нему и набирать высоту.

Кроме того, теоретические оценки показывают, что силами радиационного давления принципиально возможно удерживать и макроскопические объекты — например, небольшие тонкие зеркала массой в доли миллиграмма. Возможно, в обозримом будущем оптические пинцеты станут уже не просто инструментами для работы в микромире, но и заменят механические в макроскопических опытах.

Calor Fuga

Свет не только давит на предметы, но и нагревает их — благодаря этому тоже можно устроить левитацию. Дело в том, что когда одна сторона находящегося в воздухе тела нагрета сильнее, чем другая, то молекулы газа отскакивают от нее в среднем быстрее — так возникает фотофоретическая сила.

При этом более нагретой стороной не обязательно становится та, на которую падает свет. Так, в 2004 году ученые Осакского университета пронаблюдали отрицательный фотофорез — миграцию микроскопических капель в лазерном пучке к источнику излучения. Разумеется, такое поведение не смогло бы обеспечить радиационное давление — ведь фотоны в лазерном пучке летят от источника, а значит только отталкивают каплю от него.

Заставить молекулы отскакивать от одной поверхности тела быстрее, чем от другой, может не только разница в температуре. В середине февраля американские физики продемонстрировали, как диски диаметром в полсантиметра левитируют в вакуумной камере при давлении в десятитысячные доли атмосферного, хотя разница в температуре их поверхностей была пренебрежимо мала.

Достичь этого удалось благодаря структуре дисков: снизу их покрывали слоем из углеродных трубок с нанометровыми неоднородностями, а сверху — гладким полимерным материалом. В результате, несмотря на почти одинаковые температуры верхнего и нижнего слоя, молекулы все равно отскакивали от них по-разному — этого хватило, чтобы с помощью светодиодов преодолеть тяготение и заставить диски левитировать.

Так авторы показали возможность левитации под действием солнечного света в мезосфере, верхнем слое воздушной оболочки Земли. Она уже слишком разрежена для самолетов и воздушных шаров, но еще слишком плотна для космических спутников. Возможно, теперь путь в мезосферу будет открыт для подобных компактных аппаратов — они смогут, например, собирать атмосферные данные для метеорологов и климатологов.

Vox Suspende

Другой вид левитации — акустическая. Когда когерентные акустические волны (с неизменной во времени разностью фаз) накладываются друг на друга, возможно образование стоячей волны — такого состояния колебаний, при котором области минимальной и максимальной амплитуды не движутся, и волна словно замирает в пространстве. Так образуются статичные области повышенного и пониженного давления — это можно использовать для левитации, помещая в области минимума давления предмет, который по размерам не превышает длину волны. Повышенное давление вокруг будет удерживать его от падения и стабилизировать относительно небольших смещений в стороны.

Если плавно менять фазу и амплитуду звуковых волн, можно менять расположение и «глубину» акустических «ям» — и таким образом заставлять предметы не просто висеть в воздухе, а перемещаться в пространстве. Так, в январе этого года японские инженеры показали устройство, в котором управляемый ультразвуковыми излучателями воздушный шарик стал интерфейсом ввода-вывода.

Экспериментаторы сейчас продолжают бороться с техническими ограничениями акустической левитации — осенью 2018 британские инженеры научили свое устройство огибать препятствия, расположив перед излучателями структурированную пластину с размерами полостей порядка длины волны. Из-за этого фаза каждой из волн меняется так, что при сложении их друг с другом получающееся звуковое поле огибает область вблизи излучателей.

А незадолго до этого другие британские исследователи заставили левитировать предмет крупнее длины волны — для этого они расположили 192 ультразвуковых преобразователя на поверхности сферического сектора и с их помощью вместо обычной стоячей волны создали в воздухе набор звуковых вихрей противоположной направленности. Такая конфигурация звукового поля смогла удержать полистирольный шарик диаметром 1,6 сантиметра — почти вдвое больше длины волны.

Наконец, третьи британские инженеры весной 2020 организовали управление левитацией движениями руки: информацию о ее положении считывал инфракрасный датчик и передавал на ультразвуковые массивы излучателей. В ответ последние регулировали испускаемые волны и перемещали летящий шарик вслед за направлением, на которое указывает палец. Для демонстрации исследователи представили прототип игрового автомата, требующего от игрока проводить шарик через кольца.

При желании простейший (и относительно дешевый) акустический левитатор можно собрать и в домашних условиях — соответствующую инструкцию в 2017 году опубликовали ученые Бристольского университета. В качестве деталей для сборки они предложили использовать ультразвуковые датчики парковки для автомобилей и микроконтроллер Arduino Nano.

Tremor Leva

Для левитации можно приспособить не только колебания, которые распространяются по воздуху, но и вибрации вполне твердых предметов. Дело в том, что когда в физической системе происходят высокочастотные колебания, результатом их усредненного (за период) влияния могут стать вибрационные силы.

Объединяясь с силами, которые действуют без вибраций, такие силы иногда приводят к совершенно контринтуитивным эффектам — примером тому (пусть и не относящимся напрямую к левитации) является маятник Капицы — математический маятник на спице с вертикально вибрирующим подвесом. Когда частота колебаний подвеса многократно превышает собственную частоту колебаний маятника, подвес раскачивает спицу так, что вибрационная сила может обеспечить устойчивые колебания маятника в перевернутом положении — будто бы поле тяжести изменило свое направление.

Подобным образом можно заставить левитировать слой вязкой жидкости над слоем воздуха. Если опора, на которой находится сосуд, быстро раскачивается, то появляющиеся вибрационные силы мешают формированию капель на нижней поверхности жидкости, и она перестает стекать вниз под действием гравитации.

В сентябре 2020 года французские физики выяснили, что таким путем можно не просто заставить жидкость парить в воздухе, но и использовать ее нижнюю поверхность для плавания точно так же, как и верхнюю — и отправили в круиз по «обратной стороне воды» небольшие кораблики. Перевернутые суденышки зеркально повторяли поведение предметов, которые плыли привычным способом по верхней поверхности левитирующего «водоема» (то есть, подобно маятнику Капицы, словно чувствовали обращенную кверху гравитацию).

Ученые объяснили необычное явление тем, что при вибрациях объем тел, погруженный в жидкость, также непрерывно меняется — в результате усредненная выталкивающая сила вместе с силой тяжести удерживают тело на плаву.

Будучи лишь чудом в сознании наших предков, в современном мире левитация стала чуть ли не повседневностью. Она уже зарекомендовала себя и как инструмент для научной и технической работы, и как основа для транспорта, и как способ развлечений.

Прогресс не стоит на месте — возможно, уже в ближайшие годы мы увидим воплощения тех идей, которые сегодня живут только на страницах научных работ, а на им смену придут уже новые способы повисеть в воздухе, которые будут ждать своего часа. Может быть, левитация, напротив, уйдет в прошлое, а нынешние планы и достижения покажутся такими же забавными, как и мечты о парящей железной статуе посреди античного храма. По-настоящему важно совсем другое: как бы уверенно мы ни отрекались от того или иного способа отправить предмет в полет, главный  — полет человеческой мысли — не остановится и тогда.

Николай Мартыненко

Что такое магнитная левитация и как это возможно

Магнитная левитация — технология, метод подъёма объекта с помощью одного только магнитного поля. Магнитное давление используется для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений.

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.

Ранее ЭлектроВести писали, что японская компания Lexus показала свой первый функционирующий прототип ховерборда – летающей доски для скейтбордистов.

По материалам: electrik.info.

Диамагнитная левитация — Лаборатория сильнопольных магнитов (HFML)

Увидеть значит поверить: маленькая лягушка (живая!) и водяной шар левитируют внутри вертикального отверстия диаметром 32 мм соленоида Биттера в магнитном поле около 16 Тесла.

Эти фотографии воды и лягушки, парящей внутри магнита (не на борту космического корабля), являются первыми наблюдениями магнитной левитации живых организмов при комнатной температуре. Они несколько контринтуитивны. Как они могут левитировать?

Урок №1: Все может левитировать

При помощи магнита можно левитировать любой материал и каждое живое существо на Земле. Молекулярный магнетизм присутствует всегда, хотя он очень слаб и обычно остается незамеченным. У вас может сложиться впечатление, что окружающие нас материалы в основном немагнитны. Но это не так. Все они магнитные. Мы называем их «диамагнитными». С достаточно сильными магнитными полями вы можете левитировать все диамагнитные материалы. В нашей лаборатории мы разрабатываем и производим магниты с очень сильными магнитными полями. Мы используем его для исследования молекул и материалов. И показать миру левитирующую лягушку.

Как летает лягушка?

Чтобы объяснить, мы должны начать с самого начала. Вся материя во Вселенной состоит из маленьких частиц, называемых атомами. Каждый атом содержит электроны, которые вращаются вокруг ядра, называемого ядром. Если вы поместите атом в магнитное поле (или большой кусок материи, содержащий миллиарды и миллиарды атомов), электронам, вращающимся внутри, это очень не понравится. Они изменяют свое движение в направлении, противоположном внешнему воздействию. Они создают собственное магнитное поле. Атомы ведут себя как маленькие магнитные иглы, направленные в сторону, противоположную магнитному полю. Есть несколько материалов (таких как железо), атомы которых немного сумасшедшие и любят находиться в магнитном поле. Их магнитные «иглы» ориентированы в одном направлении. Но это исключения из общего правила.

Гравитация против магнитной силы

Магниты отталкивают друг друга, если вы пытаетесь соединить их полюса, два северных или два южных полюса. Точно так же северный полюс внешнего поля будет пытаться оттолкнуть «северные полюса» намагниченных атомов. Наши магниты создают очень сильное магнитное поле (примерно в 100-1000 раз больше, чем у бытовых магнитов). В этом поле все атомы внутри лягушки действуют как очень маленькие магниты, создавая небольшое поле. Вы можете сказать, что лягушка теперь состоит из этих крошечных магнитов, которые все отталкиваются большим магнитом. Сила, называемая диамагнитной силой, направленная вверх, оказывается достаточно сильной, чтобы компенсировать силу гравитации (направленную вниз), которая также действует на каждый отдельный атом лягушки. Итак, атомы лягушки вообще не чувствуют никакой силы, и лягушка парит, как будто находится в космическом корабле. Маленькая лягушка чувствовала себя комфортно внутри магнита и впоследствии с радостью присоединилась к своим собратьям-лягушкам на кафедре биологии. Хотите более основательное объяснение? Вариант с формулами можно найти ниже.

Почему ты использовал лягушку?

Несмотря на то, что лягушки часто встречаются в биологических исследованиях, они редко встречаются в физических лабораториях, и вы можете задаться вопросом, почему мы левитировали лягушек, а не «что-то научное». Мы приносим свои извинения тем, кто считает, что «настоящая физика» должна включать в себя только непонятные вещества и всегда быть скучной. Левитация диамагнетика была впервые продемонстрирована в 1939 году, когда маленькие шарики графита и висмута поднялись в электромагните (исторические подробности см. Физика сегодня). Ученым потребовалось еще 50 лет, чтобы заново открыть левитацию, когда физики из Гренобля подняли несколько органических материалов с помощью диамагнитной силы.

Когда мы, в свою очередь, заново открыли левитацию (не зная о предыдущих экспериментах) с левитирующей водой, мы были поражены, обнаружив, что 90% наших коллег не верят, что вода может левитировать. Мы хотели, чтобы люди знали об этом явлении. Мы левитировали живую лягушку и другие не совсем научные объекты, такие как различные растения, лягушки, рыбы и мыши, из-за их очевидной привлекательности для более широкой аудитории и в надежде, что исследователи из разных дисциплин, не только физики, никогда не никогда не забывайте об этой силе, которой часто пренебрегают, и о тех возможностях, которые она предлагает.

Что еще можно сделать с диамагнетизмом?

Диамагнитная левитация отличается от любого другого известного способа левитации или парения вещей. Сила гравитации компенсируется на уровне отдельных атомов и молекул. На самом деле это максимальное приближение к научно-фантастической антигравитационной машине. Поэтому не всегда нужно организовывать космическую миссию для изучения эффектов микрогравитации — вместо этого некоторые эксперименты можно проводить внутри магнита. Как выращивание кристаллов или тканей тела без каркаса.

Будет или не будет левитировать: объяснение для гиков

Будет или не будет объект левитировать в магнитном поле B , определяется балансом между магнитной силой F = M∇B и гравитацией mg = ρV g , где ρ — плотность материала, V — объем, g = 9,8 м/с ² . Магнитный момент M = (χ/µ ₀ )VB , так что F = (χ/µ ₀ )BV∇B = (χ/2µ ₀ )V∇B ² . Следовательно, градиент вертикального поля ∇B ²  , необходимый для левитации, должен быть больше 2µ ₀ ρг/χ. Молекулярная восприимчивость χ обычно составляет 10 ^-5 для диамагнетиков и 10 ^-3 для парамагнетиков. /м соответственно. Принимая l = 10 см в качестве типичного размера сильнопольных магнитов и ∇B ²  ~ B ² /l в качестве оценки, мы находим, что полей порядка 1 и 10 Тл достаточно, чтобы вызвать левитацию пара- и диамагнетики. Этот результат не должен вызывать удивления, потому что, как мы знаем, магнитные поля менее 0,1 Тл могут левитировать сверхпроводник (χ = -1), и, согласно приведенным выше формулам, магнитная сила увеличивается как B ² .

Исходная информация

Эта оригинальная работа, выполненная исследователями из Неймегена, была впервые опубликована в Physics World, апрель 1997 г., с. 28. Наиболее полное описание дано в:

• «Каждый магнетизм» (pdf, 689 кБ) А. Гейма, Physics Today, сентябрь 1998 г., стр. 36-39 и
• «О летающих лягушках и левитронах» (pdf, 229 кБ) М.В. Берри и А.К. Гейм, Европейский журнал физики, т. 18, с. 307–313 (1997).

Дополнительная литература: хорошей популярной книгой по магнетизму является «Движущая сила» Джеймса Ливингстона.

Диамагнитная левитация

Диамагнитная левитация

Диамагнитная левитация

Многие обычные материалы, такие как вода, дерево, растения, животные, алмазы, пальцы и т. д., обычно считаются немагнитными, но на самом деле они очень слабо диамагнитны. Диамагнетики отталкиваются и отталкиваются сильным магнитным полем. Электроны в диамагнетике слегка перестраивают свои орбиты, создавая небольшие постоянные токи, противодействующие внешнему магнитному полю. Двумя самыми сильными диамагнетиками являются графит и висмут.

Силы, создаваемые диамагнетизмом, чрезвычайно малы, в миллионы раз меньше, чем силы между магнитами и такими обычными ферромагнитными материалами, как железо. Однако в определенных тщательно продуманных ситуациях влияние диамагнетиков может привести к поразительным эффектам, таким как левитация.

В 1842 году было доказано, что невозможно устойчиво левитировать любой статический массив магнитов при любом расположении неподвижных магнитов и гравитации. Однако добавление диамагнетиков делает такую ​​левитацию возможной. В статье Nature от 22 июля «Магнитная левитация на кончиках ваших пальцев» описываются две конфигурации, в которых диамагнетики используются для стабилизации левитации магнита в поле фиксированного подъемного магнита.

В первой конфигурации магнит левитирует вертикальным сверхпроводящим соленоидным электромагнитом в точке, где он устойчив по вертикали, но нестабилен по горизонтали. Это означает, что плавающий магнит хочет сместиться от центра и удариться о стенки соленоида. Если к внутренней стенке соленоида добавить вкладыш из диамагнитного висмута, он отталкивает магнит, преодолевая горизонтальную неустойчивость, и создает устойчивую левитацию магнита.

Во второй конфигурации магнит левитирует в точке намного ниже электромагнита, где он стабилен по горизонтали, но нестабилен по вертикали. Диамагнитные пластины помещаются выше и ниже магнита для стабилизации вертикального движения. В данном случае человеческие пальцы использовались в качестве стабилизирующих диамагнитных пластин, реально совершая то, что маги делают в иллюзии.

Если для вертикальной стабилизации используется более сильный диамагнитный материал, такой как графит, левитация может быть достигнута с помощью обычных постоянных магнитов в небольшом ручном устройстве.