Что такое магнитная левитация. Как работают разные виды магнитной левитации. Где применяется технология магнитной левитации в наши дни. Какие перспективы у этой технологии в будущем.
Что такое магнитная левитация и как она работает
Магнитная левитация — это технология, позволяющая поднимать и удерживать объекты в воздухе с помощью магнитного поля, преодолевая силу гравитации. Само слово «левитация» происходит от английского «levitate» — парить, подниматься в воздух.
С физической точки зрения, при магнитной левитации происходит уравновешивание силы тяжести и сил магнитного поля, действующих на объект. В результате предмет зависает в воздухе, не касаясь поверхности.
Важно понимать, что истинная левитация, при которой объект парит сам по себе, без внешнего воздействия, невозможна. Магнитная левитация всегда требует создания специальных условий и магнитного поля.
Основные виды магнитной левитации
Существует несколько основных видов магнитной левитации:
- Электромагнитная левитация
- Диамагнитная левитация
- Сверхпроводниковая левитация
- Вихретоковая левитация
Рассмотрим подробнее принципы работы каждого из этих видов.
Электромагнитная левитация
При электромагнитной левитации используется электромагнит, расположенный в нижней части устройства. Над ним с помощью стойки закрепляется фотоэлемент. Металлический объект подвешивается между ними.
Принцип работы следующий:
- Электромагнит создает магнитное поле, притягивающее металлический предмет.
- Фотоэлемент контролирует положение объекта.
- При приближении объекта фотоэлемент отключает электромагнит.
- Объект начинает падать под действием гравитации.
- Фотоэлемент вновь включает электромагнит.
- Цикл повторяется с высокой частотой, удерживая предмет «в воздухе».
За счет высокой частоты циклов объект кажется неподвижно висящим в воздухе.
Диамагнитная левитация
Диамагнитная левитация основана на свойствах диамагнетиков — веществ, намагничивающихся против направления внешнего магнитного поля. Классический пример — левитация графитового стержня над неодимовыми магнитами.
Как это работает:
- Неодимовые магниты создают сильное магнитное поле.
- Графит, будучи диамагнетиком, выталкивается из этого поля.
- При правильном расположении магнитов графит зависает над ними.
Интересно, что живые организмы тоже обладают диамагнитными свойствами. Например, в сильном магнитном поле можно заставить левитировать небольшую лягушку.
Применение магнитной левитации в современных технологиях
Магнитная левитация нашла применение во многих сферах современных технологий:
Транспорт на магнитной подушке
Одно из самых известных применений — поезда на магнитной подушке или маглевы. Они движутся, не касаясь рельсов, за счет магнитной левитации. Это позволяет:
- Развивать очень высокие скорости (до 600 км/ч)
- Снизить шум и вибрацию
- Уменьшить износ путей
Действующие линии маглевов есть в Китае и Японии. Самая известная — в Шанхае, соединяющая аэропорт с центром города.
Магнитные подшипники
В промышленности используются подшипники на основе магнитной левитации. Их преимущества:
- Отсутствие трения и износа
- Работа без смазки
- Возможность работы при экстремальных температурах и в вакууме
Такие подшипники применяются в турбинах, компрессорах, центрифугах.
Сверхпроводниковая магнитная левитация
Сверхпроводниковая левитация, также известная как эффект Мейснера, основана на уникальных свойствах сверхпроводников выталкивать магнитное поле. Как это работает:
- Сверхпроводник (например, из оксида иттрия-бария-меди) охлаждается жидким азотом до сверхнизких температур.
- Над охлажденным сверхпроводником помещается постоянный магнит.
- Магнит начинает левитировать над поверхностью сверхпроводника.
Высота левитации зависит от силы магнитного поля — чем оно сильнее, тем выше поднимается магнит. Левитация сохраняется, пока сверхпроводник остается охлажденным.
Вихретоковая магнитная левитация
Вихретоковая левитация основана на взаимодействии магнитного поля с индуцированными им вихревыми токами в проводниках. Основные принципы:
- Переменное магнитное поле создает вихревые токи в проводящем объекте.
- Вихревые токи порождают собственное магнитное поле.
- Это поле направлено против исходного, что приводит к отталкиванию.
Пример вихретоковой левитации — «падение» неодимового магнита через медную трубу. Магнит движется очень медленно, словно в вязкой жидкости, из-за взаимодействия с индуцированными вихревыми токами.
Перспективы развития технологий магнитной левитации
Магнитная левитация — активно развивающаяся область. Некоторые перспективные направления:
- Совершенствование транспорта на магнитной подушке
- Применение в космических технологиях
- Разработка левитирующих платформ для 3D-печати
- Создание левитирующих дисплеев
Развитие технологий сверхпроводников может сделать магнитную левитацию более доступной и энергоэффективной, открыв новые области применения.
Преимущества и недостатки магнитной левитации
Как и любая технология, магнитная левитация имеет свои плюсы и минусы:
Преимущества:
- Отсутствие механического контакта и трения
- Возможность достижения высоких скоростей
- Низкий уровень шума и вибраций
- Высокая энергоэффективность при правильной реализации
Недостатки:
- Сложность и дороговизна систем
- Необходимость точного контроля
- Ограничения по массе левитирующих объектов
- Зависимость от внешних факторов (температуры, электромагнитных полей)
Несмотря на сложности, потенциал магнитной левитации огромен, что стимулирует дальнейшие исследования и разработки в этой области.
Магнитная левитация. Виды и работа. Применение и особенности
Магнитная левитация – это технология, позволяющая поднимать объекты в воздух с помощью магнитного поля. Само слово «левитация» происходит от английского «levitate», которое можно перевести как «парить» или «подниматься в воздух». Фактически, данное физическое явление позволяет преодолеть гравитацию без применения реактивной тяги или аэродинамики, как это осуществляется самолетами, вертолетами и дронами.
Почему происходит магнитная левитация
С физической точки зрения левитация является устойчивым положением объекта в гравитационном поле. Фактически, сила тяжести компенсируется с силами воздействующими на предмет, которые его поднимают. В определенной точке данные силы уравниваются, благодаря чему объекты зависают. То понятие, которое укладывается в слово «левитация» в чистом виде недостижимо, что давно является доказанным фактом. На деле парение объекта достигается только путем воздействия на него магнитного поля.
При этом сам предмет, который зависает в воздухе, не обладает свойствами парить без внешнего воздействия. Он не сможет делать это абсолютно в любых условиях и на разной высоте.
Условия, которые необходимо обеспечить, чтобы осуществить магнитную левитацию, могут отличаться. Существует несколько технологий, которые позволяют добиться эффекта парения:
- Электромагнитная.
- Диамагнитная.
- Сверхпроводниковая.
- Вихретоковая.
Электромагнитная
Данная технология подъема объекта над поверхностью подразумевает применение . Он располагается в нижней части устройства. На него укладываются легкие металлические предметы. Над электромагнитом с помощью стойки закрепляется фотоэлемент. Задача последнего заключается в подачи и прерывания питания на электрический магнит. Если фотоэлемент улавливает тень, то он включает или отключает питание, что зависит от места его расположения. Это происходит с периодичностью в доли секунды.
Принцип работы данной технологии подразумевает создание кратковременного воздействия электромагнитного поля на металлический объект.
Катушка его подталкивает, после чего отключается, и предмет начинает падать вниз. Сразу же катушка снова создает электромагнитное поле поднимающее объект, и он взлетает. Цикличное воздействие необходимо для того, чтобы обеспечить возможность контроля местоположения парящего предмета. Дело в том, что постоянное электромагнитное поле смещает объект, пока он не выйдет из зоны воздействия и не упадет под влиянием силы притяжения. Если же циклично включать и отключать поле, то предмет будет просто подскакивать, фактически не удаляясь от точки нахождения.
При взгляде со стороны благодаря высокой частоте подачи и отключения электромагнитного воздействия, парящий предмет выглядит практически неподвижным. Это создает впечатление его реальной левитации. Данная технология является весьма популярной при производстве сувениров. Примером ее реализации является летающий глобус. Недостаток данного способа заключается в определенной сложности запуска устройства. Необходимо закрыть фотодатчик, приподнять предмет для левитации, после чего открыть систему фотодатчика.
Далее он возьмет контроль удержания предмета на себя. В том случае, если произойдут перебои с электричеством и объект упадет, то после подачи питания он уже не взлетит без вмешательства человека.
Диамагнитная
Для реализации данной технологии применяются диамагнетики. Эти вещества намагничиваются против внешнего магнитного поля. Отдельные материалы могут полностью вытеснять свое магнитное поле. Примером такого вещества является графит. Довольно известным экспериментом является магнитная левитация стержня из обычного карандаша. Он зависает над неодимовыми магнитами. Для этого их необходимо расставить в шахматном порядке поворачивая разными полюсами к верху. При таких условиях стержень не будет вытолкнут за пределы площадки, поэтому останется левитировать постоянно. Неодимовые магниты имеют более стабильное поле, поэтому если созданная поверхность в шахматном порядке будет иметь достаточную площадь, касательно длины графитового стержня, то тот зависнет неподвижно.
Живые существа тоже обладают свойствами диамагнетиков, поэтому под воздействием магнитного поля с высокой индукцией также могут парить. Примером этого является научный эксперимент с летающей лягушкой. Для некрупного земноводного достаточно создать индукцию больше 16 Тл, и лягушка начинает парить в воздухе на небольшой высоте.
Сверхпроводниковая
Магнитная левитация по данной технологии также известна как метод Мейснера. Эффект парения достигается путем размещения магнита над сверхпроводником. В его качестве применяется оксид иттрия-бария-меди. Данное вещество приобретает способность сверхпроводника при снижении его температуры. Для этого необходимо обеспечение его контакт с жидким азотом.
Эксперимент по левитации подразумевает помещение пластины в ванночку с жидким азотом. Оксид иттрия-бария-меди практически мгновенно охлаждается. Если над ним поместить магнит, то тот начнет левитировать. Высота между магнитом и сверхпроводником напрямую зависят от силы индукции.
Чем она выше, тем на большем расстоянии окажется магнит. Предмет как бы всплывает над сверхпроводником и весьма устойчиво парит до момента, пока пластина не остынет, потеряв свои свойства.
Вихретоковая магнитная левитация
Еще одним способом создания магнитной левитации является использование вихревых токов и массивных проводников. Катушка, выдающая вихревой ток может левитировать над замкнутым кольцом из цветного металла. Аналогичная ситуация наблюдается и с дисками из данного металла, уложенными над большими катушками.
Это обусловлено тем, что по закону Ленца индексируемый в данном случае цветной металл будет создавать магнитное поле противоположное от того, что на него воздействует. Иными словами, в каждый период колебания переменного тока в катушке будет создаваться противоположное по направлению магнитное поле. Поскольку они отталкивают друг друга, то более легкий предмет будет левитировать над тяжелым.
Еще одним примером вихревой левитации является пропускание неодимового магнита через толстостенную медную трубу.
В этом случае постоянное парение не происходит, но магнит замедляется. Его падение сквозь трубу напоминает замедленную съемку или погружение в густую жидкость.
Масштабные применение эффекта парения
Магнитная левитация нашла свое применение не только при создании сувениров. Одним из самых масштабных способов использования данной технологии является современный железнодорожный транспорт на магнитной подушке. Такой поезд двигается очень тихо, поскольку не имеет колес, которые создают трение и стук. Как следствие самый известный проект такого транспорта, который был построен в Японии, смог развить скорость в 581 км/час. Единственный в мире поезд, который работает по данной технологии на постоянном маршруте, располагается в Шанхае. Он соединяет метро и аэропорт. Поезд позволяет преодолевать расстояние в 30 км между конечными станциями приблизительно за 7 минут.
Похожие темы:
Левитация, или Полёты камней и мегалитов в воздухеТекст
Техническая левитация малых объектов
Имеются области техники, где эффект левитации малых частиц и малых предметов широко распространен.
Чрезвычайно важно уменьшить количество посторонних частиц, контактирующих с поверхностью изделий микроэлектроники на всех стадиях их изготовления. В этой области использование технической левитации – идеальное решение этой задачи.
Технологические процессы, используемые ныне при изготовлении классических микросборок, базируются на механических контактах, следствием чего может быть их разрушение. Бесконтактные методы исключают высокое локальное давление, имеющее место при механическом контакте. Поэтому появляется возможность манипулировать проблемными компонентами (ломкими, чувствительными, микронных размеров).
И не только микронных! В последние годы размер полупроводниковых пластин, используемых в полупроводниковом производстве, наоборот, существенно увеличился (диаметр 300 мм и толщина 0,7 мм). Новое оборудование изготавливается с учетом того, что эти размеры станут еще больше. Увеличение размеров а, следовательно, и массы хрупких пластин увеличило вероятность их излома при использовании традиционных контактных транспортных систем (роликовые и ленточные конвейеры, «руки» роботов-манипуляторов).
Резюмируя, можно сказать, что взоры технологов устремлены в сторону бесконтактных устройств. Основные принципы, на которых базируется ныне техническая левитация, показаны на рис. 36.
Рис. 36
Рис. 36. Принципы технической левитации [26]
A – магнитный, B – электрический, C – оптический, D – принцип Бернулли, E – воздушная подушка, F – стоячая волна, G – ближнее поле.
Магнитная левитация
Магнитная левитация – это технология, позволяющая поднимать объекты в воздух с помощью магнитного поля. Само слово «левитация» происходит от английского «levitate», которое можно перевести как «парить» или «подниматься в воздух». Фактически, данное физическое явление позволяет преодолеть гравитацию без применения реактивной тяги или аэродинамики, как это осуществляется самолетами, вертолетами и дронами [28]. Условия, которые необходимо обеспечить, чтобы осуществить магнитную левитацию, могут отличаться. Существует несколько технологий, которые позволяют добиться эффекта парения [28].
– Электромагнитная.
– Диамагнитная.
– Сверхпроводниковая.
– Вихретоковая.
Живые существа тоже обладают свойствами диамагнетиков, поэтому под воздействием магнитного поля с высокой индукцией также могут парить. Примером этого является научный эксперимент с летающей лягушкой. Для некрупного земноводного достаточно создать индукцию больше 16 Тл, и лягушка начинает парить в воздухе на небольшой высоте.
Рис. 37
Рис. 37. Пример парения лягушки в магнитном поле [28]
Наиболее часто для малых объектов используется магнитная левитация.
С физической точки зрения левитация является устойчивым положением объекта в гравитационном поле. Фактически, сила тяжести компенсируется с силами, воздействующими на предмет, которые его поднимают. В определенной точке данные силы уравниваются, благодаря чему объекты зависают. То понятие, которое укладывается в слово «левитация» в чистом виде недостижимо, что давно является доказанным фактом. На деле парение объекта достигается только путем воздействия на него магнитного поля.
Специалистам Лос-Аламосской национальной лаборатории Министерства энергетики США удалось создать рекордное магнитное поле – магнитная индукция составила 100 Тесла. Для сравнения: естественное магнитное поле нашей планеты в 2 миллиона раз меньше, а поле индукцией 16 Тесла способно за счёт магнитной левитации подвесить в воздухе лягушку [60]
Было бы удивительно, если бы «поезда на магнитной подушке» обошли стороной полупроводниковое производство. Летают – в патентах, имеющих самое прямое отношение к этому производству. Правда летают не поезда, а всего лишь унифицированная тара с кремниевыми пластинами (FOUP – front opening unified pod) от одной операции к другой.
Магнитная левитация может быть реализована тремя способами: с использованием постоянного магнита, электромагнита или сверхпроводящего магнита.
Использование электромагнитной левитации лимитируется материалами с высокой электрической проводимостью и низкотемпературными применениями. Имеется два основных типа магнитной левитации. К первому относятся электромагнитные системы (EMS), ко второму – электродинамические системы (EDS).
Рис. 38
Рис. 38. Пример магнитной левитации [28]
В электромагнитных системах сила притяжения генерируется между нормальным электромагнитом и ферромагнитным проводником. Равновесное положение не стабильно. Чтобы гарантировать стабильность требуется использование системы автоматического контроля и управления.
Электродинамическая левитация основана на возникновении в проводящих материалах вихревых токов. Вихревые токи могут быть индуцированы переменным магнитным полем. Часть электродинамических систем базируется на силах, возникающих при взаимодействии между магнитным полем, генерируемым сверхпроводящими магнитами, и стационарными катушками, расположенными в направляющем пути. Другие варианты электродинамических систем основаны на силах, генерируемых переменным током, который индуцирует вариации магнитного поля. В электродинамической левитации используются силы отталкивания. Как следствие, она пассивно стабильна.
Полупроводниковая пластина по периферии снабжается прокладкой из магнитного материала, выполненной в виде кольца. Электромагнит формирует постоянное магнитное поле, взаимодействующее с магнитной прокладкой. Магнитное поле может изменять свое направление, чтобы поднимать или опускать кремниевую пластину.
Магнитного материала в кремниевой пластине нет, а магнитное поле образуется. Следовательно, используя внешнее магнитное поле, этой пластиной можно бесконтактно манипулировать. Как – это уже дело техники. Не правда ли, очень красивое техническое решение.
Электрическая левитация
Электрические методы в отличие от магнитных могут быть использованы для манипулирования изделиями из различных материалов: проводников, полупроводников и диэлектриков. Разграничения существуют только между электростатической и электродинамической левитацией. Как правило, сочетание двух слов микросхема и электростатика вызывает у технологов неприятные ассоциации, поскольку с последней им приходится постоянно бороться. Электрические разряды способны не только вывести их строя микросхемы, но и вызывают очень даже неприятные болевые ощущения для человека. Несмотря на это, осуществляются успешные попытки использовать электростатический метод левитации в производстве изделий микроэлектроники. В этом методе статическое электрическое поле может быть использовано для притяжения и ориентации микрокомпонентов. Для гарантии стабильности сил притяжения необходимо использовать систему контроля с обратной связью. Кроме того, стабильность электростатической левитации наблюдается только при низких температурах. При высоких температурах статические заряды непрерывно дегенерируют (стекают). Метод применим для левитации относительно больших объектов.
Электростатическая левитация довольно успешно развивается на исследовательском уровне. Преимущество этого метода заключается в близком к нулевому контактному давлению. Поэтому эксклюзивной областью его применения является транспортировка очень тонких пластин, например, тонких стеклянных панелей. С не меньшим успехом электростатическая левитация может быть использована, точнее уже используется, для транспортировки более толстых – кремниевых пластин в полупроводниковом производстве.
Электродинамическую левитацию иначе называют пико-балансированием. В этом методе используется комбинация постоянного и переменного (осциллирующего) электрических полей. При корректном применении осциллирующая компонента оказывает стабилизирующее воздействие по отношению к манипулируемым объектам. Этот способ может быть применим по отношению к объектам с малым зарядом. Недостаток – малая стабильность и размерные ограничения по отношению к манипулируемым объектам.
Оптическая левитация
Возможность движения частиц под действием света была предсказана еще Кеплером. Корпускулярная теория света стала еще одним шагом на пути физического обоснования этой идеи. Существование светового давления было доказано российским ученым П. Н. Лебедевым. Но другой ученый Дж. Пойтинг, признавая это существование, заявил, что «малость светового давления исключает его из рассмотрения в земных делах».
О возможности практического использования оптической левитации современные ученые говорят уже всерьез. Еще в начале прошлого века Эренхафтом был открыт эффект движения частиц пыли, взвешенных в воздухе в луче мощной лампы, причем некоторые частицы двигались не по направлению к источнику света, а в обратном направлении. Этот эффект, названный фотофорезом, нельзя было объяснить действием только силы светового давления. Движение частиц в направлении распространения света было названо положительным фотофорезом, а движение в обратном направлении – отрицательным фотофорезом.
Объясняется указанный эффект следующим образом. Поглощение света частицей приводит к распределению электромагнитной энергии падающего оптического излучения по объему частицы. Внутри частицы возникают источники тепловой энергии с некоторой объемной плотностью, которые неоднородно нагревают частицу. Молекулы газа после соударения с поверхностью частицы отражаются от нагретой стороны частицы с большей скоростью, чем от холодной. В результате частица приобретает некомпенсированный импульс, направленный от горячей стороны частицы к холодной. В зависимости от размеров и оптических свойств материала частицы более горячей может оказаться как освещенная (положительный фотофорез), так и теневая сторона частицы (отрицательный фотофорез). Кроме того, если поток излучения неоднороден по сечению, то может возникнуть и поперечное (относительно направления распространения излучения) движение частицы в газе.
В последние годы интерес к фотофорезу резко возрос. Этому способствовало развитие лазерной техники. Первая публикация об оптической левитации при воздействии видимого лазерного луча относится к 1970 году. Далее были предложены многочисленные варианты практического применения эффекта: разделение частиц в жидкости, оптическая левитация частиц в воздухе (и в вакууме), захват и удержание частиц в лазерном луче и т. д.
Высокая монохроматичность лазерного излучения и возможность перестройки длины волны позволяют легко управлять движением макрочастиц. Распределение сил, воздействующих на частицу в слабо сходящемся лазерном луче показано на рис. 39.
Рис. 39. Компоненты сил, действующих на макрочастицу, в лазерном луче [26]
Рис. 39
К сожалению, говоря о компонентах сил, имеющих место в оптической левитации, подразумевают наноньютоны (nN) и даже их доли. Как следствие потенциальная область применения применения такого метода очевидно также имеет приставку «нано» – нанотехнологии.
Сверхпроводниковая магнитная левитация.
Магнитная левитация по данной технологии также известна как метод Мейснера. Эффект парения достигается путем размещения магнита над сверхпроводником. В его качестве применяется оксид иттрия-бария-меди. Данное вещество приобретает способность сверхпроводника при снижении его температуры. Для этого необходимо обеспечение его контакт с жидким азотом.
Рис 40
Рис. 40. Пример левитации в магнитном поле [28] по метолу Майснера над сверхпроводником
Эксперимент по левитации подразумевает помещение пластины в ванночку с жидким азотом. Оксид иттрия-бария-меди практически мгновенно охлаждается. Если над ним поместить магнит, то тот начнет левитировать. Высота между магнитом и сверхпроводником напрямую зависят от силы индукции. Чем она выше, тем на большем расстоянии окажется магнит. Предмет как бы всплывает над сверхпроводником и весьма устойчиво парит до момента, пока пластина не остынет, потеряв свои свойства.
Вихретоковая магнитная левитация
Еще одним способом создания магнитной левитации является использование вихревых токов и массивных проводников. Катушка, выдающая вихревой ток, может левитировать над замкнутым кольцом из цветного металла. Аналогичная ситуация наблюдается и с дисками из данного металла, уложенными над большими катушками.
Рис. 41
Рис. 41. Пример левитации в вихревых токах [28]
Это обусловлено тем, что по закону Ленца индексируемый в данном случае цветной металл будет создавать магнитное поле противоположное от того, что на него воздействует. Иными словами, в каждый период колебания переменного тока в катушке будет создаваться противоположное по направлению магнитное поле. Поскольку они отталкивают друг друга, то более легкий предмет будет левитировать над тяжелым.
Еще одним примером вихревой левитации является пропускание неодимового магнита через толстостенную медную трубу. В этом случае постоянное парение не происходит, но магнит замедляется. Его падение сквозь трубу напоминает замедленную съемку или погружение в густую жидкость.
Рис. 42
Рис. 42. Пример вихревой левитации в толстостенной медной трубе [28]
Аэродинамическая левитация
Аэродинамическая левитация в отличие от оптической левитации твердо стоит на ногах в области макро- и микротехнологий – технологий сегодняшнего дня. В одной из разновидностей этого метода вновь присутствует слово «подушка». Воздушную подушку получить очень просто. Достаточно в подложке-носителе просверлить много-много отверстий и продувать через них сжатый воздух. Подъемная сила воздуха уравновешивает вес изделия и последний начинает «парить» в воздухе. Недостатком этого метода является отсутствие центрирующего эффекта.
Ультразвуковая акустическая левитация малых объектов
Рассмотрим бесконтактное манипулирование малыми объектами с использованием акустических волн. В литературе известны два варианта: левитация в стоячей волне и левитация в ближнем поле. В стоячей волне небольшие объекты могут «зависать» в узлах давления между излучателем и рефлектором.
Рис. 43. Схема ультразвуковой акустической левитации [28]
Рис. 43
В ближнем поле рефлектор замещается самим левитирующим объектом. Силы, возникающие в акустической стоячей волне, способны удерживать в подвешенном состоянии в газовой атмосфере и в иных земных условиях объекты массой в несколько граммов. Схема ультразвуковой акустической левитации показана на рис. 43.
На этом рисунке показано распределение акустического давления, акустической скорости и аксиальной подъемной силы в стоячей волне. Чтобы генерировать стоячую волну излучатель размещается на фиксируемой дистанции от рефлектора, которая в идеале делится на половину длины волны. В условиях микрогравитации объекты (частицы) должны позиционироваться точно в узловых точках (точках с нулевым акустическим давлением). Чтобы удовлетворить требованиям уравнения Бернулли, акустическая скорость и акустическое давление смещены на 90 0. Поэтому узлам акустического давления отвечает максимальная акустическая скорость. В узле акустического давления сила левитации равна нулю. В земной атмосфере взвешенные частицы будут позиционироваться ниже узла акустического давления и стабилизироваться силами левитации, возникающими в антисимметричной части волны акустического давления. В зависимости от выбранного узла стабильная левитация может наблюдаться в аксиальном потоке поднимающимся вверх или опускающимся вниз.
Другой подход к использованию ультразвука заключается в левитации планарных объектов вблизи поверхности манипулятора, снабженного высокочастотным излучателем. Эта технология называется левитацией в ближнем поле. В ближнем поле высокочастотного ультразвукового излучателя объект поднимается благодаря непосредственному излучению снизу. Он сам выполняет функцию рефлектора.
Центрирующие силы в ближнем поле могут быть получены различными способами: могут быть установлены под углом излучатели или может изменяться сила левитации.
Планарные объекты левитируют над ультразвуковым излучателем на расстоянии половины длины стоячей волны. Типичный профиль сил левитации показан на рис. 44.
Рис. 44. Типичный профиль сил левитации в ближнем поле [28]
Рис. 44
Из этого графика следует, что сила левитации в ближнем поле обратно пропорциональна расстоянию. В интервалах, кратных половине длины волны, имеются дополнительные пики, где объект может быть «подвешен». Однако подъемная сила очень сильно уменьшается с увеличением расстояния.
Главное преимущество ультразвуковой акустической левитации заключается в полной независимости от вида материала (проводник или диэлектрик, магнитный или немагнитный и т.д.).
Сравнение различных методов технической левитации малых объектов
Таблица 2. Сравнение разных методов левитации [28]
Таблица 3. Сравнение различных методов технической левитации (продолжение)
Магнитный и электростатический методы левитации в ближайшем будущем скорее всего несколько уступят свои позиции, поскольку их сложно применять по отношению ко всем видам материалов. Кроме того, они обычно требуют наличия систем автоматического контроля и регулирования.
Оптическая левитация ограничивается очень маленькими и относительно прозрачными частицами в прозрачной окружающей среде. Ясно, что ограничения по характеру частиц и окружающей среде пока что делают неприемлемым ее использование по отношению к современным микросборокам. Этот метод позволяет генерировать усилия величиной 1 nN, которые слишком малы для того, чтобы манипулировать компонентами с размером более чем 100 m. Хотя, все течет, все изменяется. Развитие нанотехнологий идет непредсказуемо высокими темпами.
Остается выбор между между аэродинамической левитацией и ультразвуковой акустической левитацией. К такому выводу приходят авторы. Но, аэродинамическая левитация, к сожалению, «дарит» нам плохую поперечную стабильность и требует сложного исполнения, поскольку нуждается во внешнем источнике сжатого воздуха.
Ультразвуковая акустическая левитация пока еще не получила такого широкого практического использования, как метод, в основе которого лежит уравнение Бернулли. Левитация с использованием стоячей волны более предпочтительна для захвата, ориентации, позиционирования и отпускания небольших изделий различной формы. Левитация в ближнем поле больше подходит для управления движением и транспорта плоских изделий.
В итоге напрашивается другой вывод – нет в мире совершенства. Хотя, к совершенству можно все-таки немного приблизиться. Магистральное направление в области технической левитации скорее всего скрывается за словом «комбинаторика». В результате удачного объединения двух или более альтернативных систем, как правило, появляются новые технические решения, сочетающие достоинства и исключающие недостатки их составляющих. Об этом говорит история развития техники вообще, а не только в области микроэлектроники. Реальный пример такого сочетания приведен и в этой статье – бесконтактный транспорт пластин с одновременным использованием ультразвуковой и аэродинамической левитации.
Рис. 45
Рис. 45. Диамагнитная левитация [17]
На примере, одного из самых известных своим диамагнетизмом материала, рассмотрим диамагнитную левитацию. Перед нами, так называемая диамагнитная ловушка, на основе двух конусовидных кристаллов висмута. В диамагнетиках возникает слабое магнитное поле, когда они помещены в среду внешнего магнитного поля. Маленький, квадратный неодимовый магнит левитирует, потому что снизу и сверху навстречу его собственному магнитному полю, действуют, образовавшиеся в ответ магнитные поля конусов.
Магнитная левитация крупных объектов
Магнитная левитация нашла свое применение не только при создании сувениров. Одним из самых масштабных способов использования данной технологии является современный железнодорожный транспорт на магнитной подушке. Такой поезд двигается очень тихо, поскольку не имеет колес, которые создают трение и стук. Как следствие самый известный проект такого транспорта, который был построен в Японии, смог развить скорость в 581 км/час. Единственный в мире поезд, который работает по данной технологии на постоянном маршруте, располагается в Шанхае. Он соединяет метро и аэропорт. Поезд позволяет преодолевать расстояние в 30 км между конечными станциями приблизительно за 7 минут.
Рис. 46
Рис. 46. Пример магнитной левитации. Поезд на магнитной подушке [28]
что это такое. Левитация человека и секрет левитации
Левитации йогов в Интернете посвящено множество публикаций, фото и видео. Однако, основываясь на материалах Сети, довольно трудно сделать однозначный вывод о существовании такого явления. Современный человек — существо скептически настроенное и недоверчивое, а с учётом того, что некоторые мошенники действительно используют особые приспособления для создания иллюзии парения в воздухе, и вовсе не намерен верить в такие чудеса.
С другой стороны, слишком уж много источников, причём относящихся к различным культурам и верованиям, твердят о существовании такой способности у некоторых людей.
Левитация как явление
Явление левитации известно не только в восточных культурах. Христианство тоже признаёт такой феномен, однако отношение к нему двоякое.
В православии отношение к левитации скорее негативное; её относят к одному из признаков «прелести», обманчивой святости. Православные святители приравнивают левитацию к одному из «ложных даров», идущих от демонов, для того чтобы сбить человека с пути истинного, заставляя уверовать в свою исключительность. Хотя известны случаи левитации среди православных святых (такой способностью обладали Серафим Саровский и архиепископ Иоанн Новгородский), но церковь предпочитает обходить молчанием такие происшествия.
Католическая церковь относилась к этой способности более лояльно. Известно около 230 католических святых, обладавших таким даром. Однако если, по мнению отцов католической церкви, левитатор не обладал достаточной святостью, то ему светила одна единственная перспектива — костёр.
Левитация человека. Несколько историй
Пожалуй, одним из самых известных в западном мире примеров левитации человека является случай жившего в XIX веке Дэниела Хьюма. Благодаря своим сверхспособностям, в числе которых была и левитация, а так же в немалой степени благодаря тому, что его ни разу не удалось уличить в мошенничестве, Хьюм снискал популярность в аристократических кругах того времени. В отличие от популярных медиумов, проводивших свои сеансы в полумраке, он всегда работал в ярко освещённых помещениях. При этом Хьюм охотно приглашал различных исследователей на свои сеансы, разрешая им обследовать каждый миллиметр пространства, для того чтобы избежать обвинений в мошенничестве.
Сенсацией стали сеансы левитации Хьюма в Лондоне. По рассказам очевидцев (весьма уважаемых людей своего времени), однажды левитатор вылетел из окна третьего этажа дома, где проводилась демонстрация, и влетел в открытое окно соседней комнаты, пролетев перед этим около 70 футов над улицей.
По словам исследователей, Хьюм отличался редкой скромностью и абсолютным бескорыстием. Он считал свои способности даром, ниспосланным свыше, а также доказательством бессмертия.
Особняком стоят истории людей, выживших в авиакатастрофах при необъяснимых обстоятельствах. Например, случай, произошедший 23 декабря 1971 года с Джулианой Дилер Кёпке, которой удалось выжить после падения с высоты 3 км! Она летела, крутясь в воздухе и, по всей видимости, потеряла сознание, увидев стремительно приближающийся лес. Девушка отделалась всего лишь переломами руки и ключицы. Возможно, в данном случае как раз и пробудилась скрытая способность человека к левитации, потому что никакими разумными причинами объяснить эту историю невозможно.
Левитация йога: возможно ли это?
Но наиболее распространена левитация, конечно же, в Индии. По всей видимости, именно индийским йогам удалось открыть секрет левитации, поскольку в некоторых источниках об этой способности говорится как о чём-то само собой разумеющемся, чего рано или поздно достигнет усердный адепт.
На седьмом году практики йог становится лёгким, как ветер, его ноги могут не касаться земли, и он может парить в небе
Тирумантирам
В ведической литературе описывается лагхима-сиддхи, позволяющая обладателю преодолевать гравитацию. Это одна из восьми основных сиддхи, которые приобретаются йогом в качестве побочного продукта практики.
Лагхима-сиддхи:
Тирумантирам
Если преуспеешь в поднятии Кундалини
из спинной впадины вверх к вершине Меру,
то достигнешь лагхима-сиддхи
и сможешь становиться легче,
чем вата или сухой листок,гонимый ветром,
при этом также сможешь без труда
подчинить желания и похоть.
Всё это реализуешь, занимаясь упорно в течение года
Во множестве ведических источников левитация йога описывается как довольно обыденное явление, лишь одна из многих способностей, которая приобретается в процессе самосовершенствования и не стоит особого внимания. Сиддхи вообще и левитация в частности не являются для йога самоцелью. Увлечение ими может стать искушением для практикующего йогу и остановить его на пути продвижения к полному освобождению. Здесь наблюдается аналогия с христианской «прелестью».
Секрет левитации учеников Будды
Согласно буддийским источникам, различными сверхъестественными способностями (сиддхами), в том числе и левитацией, обладал сам Будда Гаутама и некоторые его ученики. Тем не менее Будда считал, что публичное демонстрирование сверхвозможностей питает тщеславие человека, и не разрешал своим ученикам их демонстрировать даже для увеличения религиозного эффекта проповедей.
Близким учеником Будды был Моггалана, который считался крупнейшим после самого Будды знатоком сиддхи. Однажды на него напали наёмные бандиты, и Моггалана несколько раз взлетал вверх, пытаясь избежать побоев. Однако вскоре к нему пришло осознание, что это происшествие обусловлено его прошлой каммой (кармой). Тогда Моггалана позволил наёмникам избить себя, после чего бандиты бросили тело, решив, что он умер. Воспользовавшись сиддхи, Моггалана срастил переломы и полетел к своему учителю для того, чтобы попрощаться и высказать уважение. После чего, в соответствии со своей каммой, вернулся обратно и умер.
Ананда, ещё один из учеников Будды и его постоянный помощник, тоже владел секретом левитации. В некоторых источниках рассказывается, как он предавался углубленному самосозерцанию, зависая в воздухе над рекой.
Современная наука лишь недавно начала исследовать феномены людской психики, ведь до недавнего времени человечество слишком было занято проблемой выживания. Мы пока только пытаемся прикоснуться к тем знаниям и умениям, которые были основой жизни древних и дошли до нас в виде священных текстов.
По всей видимости, человеческие возможности гораздо шире, чем можно было бы представить в самых невероятных фантазиях, и левитация всего лишь одна из чудесных способностей организма, скрытая в глубинах человеческой психики.
Квантовая левитация (эффект Мейснера): научное объяснение
Левитация – это преодоление силы тяжести, при которой субъект или объект находится в пространстве без опоры. Слово «левитация» происходит от латинского Levitas, что означает «легкость».
Левитацию неправильно приравнивать к полету, потому что последний основан на сопротивлении воздуха, именно поэтому птицы, насекомые и другие животные летают, а не левитируют.
Левитация в физике
Левитация в физике относится к устойчивому положению тела в гравитационном поле, при этом тело не должно касаться других объектов. Левитация подразумевает некоторые необходимые и труднодостижимые условия:
- Сила, которая способна компенсировать гравитационное притяжение и силу тяжести.
- Сила, которая способна обеспечить устойчивость тела в пространстве.
Из закона Гаусса следует, что в статическом магнитном поле статические тела или объекты не способны к левитации. Однако если сменить условия, то можно достичь левитации.
Квантовая левитация
Широкой публике о квантовой левитации впервые стало известно в марте 1991 года, когда в научном журнале Nature было опубликовано интересное фото. На нем директор Токийской исследовательской лаборатории по сверхпроводимости Дон Тапскотт стоял на керамической сверхпроводящей пластине, а между полом и пластиной не было ничего. Фотография оказалась настоящей, а пластина, которая вместе со стоящим на ней директором весила около 120 килограммов, могла левитировать над полом благодаря эффекту сверхпроводимости, известному как эффект Мейснера-Оксенфельда.
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.
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.
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.
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.
Опыт «Гроб Магомета»
«Гроб Магомета» – это своеобразный фокус с левитацией. Так называли опыт, наглядно демонстрирующий эффект.
Согласно мусульманской легенде, гроб пророка Магомеда находился в воздухе в подвешенном состоянии, без какой-либо опоры и поддержки. Именно поэтому у опыта такое название.
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.
Как научиться левитации? Техника левитации
Левитация – это способность парить в воздухе, преодолевая силу притяжения Земли, не используя для этого какие-либо приспособления и не отталкиваясь от воздуха, как птица или насекомое. Способность левитирования без сил, компенсирующих силу тяжести, полностью и категорически отрицается современной наукой. Но надо заметить, что ученые многие явления по-прежнему не в состоянии объяснить. Например, феномен шаровой молнии. До сих пор рассматривается версия, что это, скорее, галлюцинация, чем реальное природное явление. А ведь это тоже левитация.
Сложно допустить мысль о возможности полетов
Представителям науки тяжело признать, что есть вещи, которые им пока непонятны. Проще считать, что многочисленные свидетели левитации были подвергнуты гипнозу, а не видели это своими глазами. Как научиться левитации? Этот вопрос терзает многих медиумов, магов и парапсихологов. Такая способность служит доказательством сверхъестественных способностей человека. Само явление имеет магическую или божественную природу. И в христианстве, и во многих восточных религиях левитация упоминается как знак Божий, его явление на земле. Если же парит простой смертный, не отличающийся святостью, то церковь считает, что это признак одержимости демонами.
Первые полеты
Первая левитация человека была зафиксирована в Европе в 1565-м году. Тогда летала монахиня-кармелитка, причисленная к лику святых. Это видели еще 230 монахов. Полет нисколько их не удивил, так как Тереза была святой. Парил также и известный итальянец Иосиф Деза. Левитация ему удавалась только в состоянии религиозного экстаза. Чтобы полеты не смущали умы верующих, он был сослан в монастырь, где и умер.
Среди русских левитантов самый известный — Серафим Саровский, архиепископ Новгорода и Пскова. В 60-х годах 19-го века демонстрировал чудо левитации известный медиум Хоум. Он был отлучен от церкви, так как не был святым, соответственно, права практиковать левитацию не имел. Хоум брал учеников, желающих узнать, как научиться левитации. В отличие от множества предшественников и последователей, его не удалось поймать за руку и уличить в том, что он использует какие-то скрытые механизмы для парения в воздухе. До наших дней дошли записи только о тех парящих, которые были благословлены церковью (не считая Хоума). А сколько было сожжено ведьм и колдунов, невозможно подсчитать.
Вопрос полетов затрагивают разнообразные практики
Занимается вопросами левитации йога, совокупность древних психических и физических практик. Индийские веды содержат инструкцию о том, как научиться левитации. Проблема заключается в том, что никто не может эту инструкцию перевести с санскрита. Досконально этот язык не знает никто. А в подобных практиках искажение первоначального смысла недопустимо. Причем для древнеиндийских мудрецов состояние левитации – это не фокус для зрителей, а просто удобное положение для самосозерцания. Просто так, как само собой разумеющееся.
В Тибете основоположниками практики левитации были монахи монастыря Шаолинь. Они овладели искусством управления энергией тела. Что уж говорить о Будде. Тот вообще часами висел в воздухе. В Индии и Тибете это мастерство дошло до наших дней. Буддисты считают, что знание того, как научиться левитации, доступно только лишь для очень высокоразвитых духовно людей. Это уровень монахов, для которых время, расстояние, сила притяжения уже не имеют никакого значения. У них даже нет необходимости в еде или питье. Сколько требуется лет, чтобы овладеть мастерством, тибетские мудрецы не отвечают, так как, согласно их мировоззрению, человек живет вечно, одна жизнь заканчивается, а другая начинается. Жизнь – такая мелочь по сравнению с постижением великой Тайны об устройстве мира.Иллюзионисты любят удивлять людей своими полетами
Левитация человека – это излюбленная тема всех известных миру фокусников. В 2010-м году в Чили отмечали 200-летие страны. Чилийские иллюзионисты, близнецы Николя Луизетти и Джон Пол Олберри, в течение почти 7-и часов, а точнее 200 минут, парили над землей. Движение на улицах столицы было парализовано. Тысячи людей наблюдали это великолепное шоу, однако никто так и не смог разгадать фокус.
В 2011-м году уже британский маг прогулялся по Темзе прямо напротив Палаты общин. Своим трюком он воспроизводил известный эпизод из Библии. Очень сомнительный поступок с точки зрения чувств верующих. В 2009-м году над центральной площадью столицы Перу — Лимы — зависла выпускница местной школы изобразительных искусств Клаудиа Пачеко или, как она себя называет, Принцесса Инка. Довольно часто демонстрирует фокус с левитацией замбийский маг Калас Свиба. Причем зависать он уже хорошо умеет, а вот летать пока не очень. Поэтому он постоянный клиент медицинских клиник. Часто обращается туда с переломами или ушибами.
К чему могут сниться полеты?
Наши далекие предки считали, что если человеку снится парение в воздухе, значит, он растет. Такой сон часто видят дети. Если же полет снится взрослому, то его ждет рост духовный, творческий, внутреннее просветление. По другой версии такой сон обозначает желание сбежать от насущных проблем. Если полет снится здоровому человеку, то он будет жить долго и счастливо, а если больному, то вскоре он покинет этот мир. Парение вверх предсказывает успех в карьере, вниз – наоборот. Полет в паре с представителем противоположного пола – новые яркие любовные отношения.
Возможна ли левитация?
Обучение парению набирает в современных условиях большую популярность. В нашей стране, как грибы после дождя, появляются так называемые школы магии. Там обещают, кроме прочего, научить левитации. Может быть, научат. Во всяком случае большого вреда не нанесут. Также за Знанием стало модным ездить на Тибет или путешествовать по Индии. В индийских ашрамах живут месяцами, учатся медитировать, духовно и физически самосовершенствуются, постигают философию йоги и секрет левитации.
Обучение полетам
Левитацию потребуется осуществлять с помощью сознательного управления теми энергиями, которые имеются в теле. Для того чтобы научиться левитированию, необходимо полностью расслабиться, закрыв при этом глаза. Надо сконцентрироваться, встать ровно. Все внимание должно быть направлено на ноги. Следует максимально сильно ощутить вес тела и только после этого попробовать облегчить его.
В тот момент, когда вы уже начнете ощущать себя совсем легким, надо создать ощущение, как будто под ноги подкладывают воздушную подушку, которая постепенно начинает подниматься вместе с вами вверх. Для того чтобы перемещаться в разные стороны, надо просто представить давление. Например, для полетов вперед надо ощутить, что кто-то или что-то толкает вас в спину. Подобная техника левитации, если и не научит парить за достаточно короткий период времени, то расслабиться точно позволит в полной мере после тяжелого рабочего дня.
Все испытания можно начать проводить на весах, чтобы собственными глазами увидеть, как вес тела уменьшается.
В заключение
Человека всегда влекло небо. И он пытается осознать секрет левитации, научиться ходить по воде. Никто никогда не узнает, что из этого фокус, а что — действительно магические способности. Разве что ученые найдут объяснение феномену под названием левитация.
Наука, похожая на фокус: история про изобретателя аппарата для левитации — Космос
По поводу левитации диамагнитных (немагнитных) тел в магнитных полях читаем далее:
Хотя это кажется противоречащим интуиции, но сегодняшние исследовательские магниты с легкостью могут поднимать и немагнитные объекты, приоткрывая этим дверь в состояние микрогравитации.
Если Вы скажете ребенку, играющему с магнитом и железным предметом, что его дядя имеет магнит, способный поднять все, что угодно, он, вероятно, Вам поверит. Но если при такой беседе будет присутствовать физик со своими знаниями и опытом, подобная беседа вызовет у него вероятнее всего снисходительную улыбку. Физик очень хорошо знает, что существует очень мало материалов, вроде железа или никеля, которые хорошо притягиваются магнитом. Все остальные материалы, образующие окружающий нас мир, в миллиарды раз менее магнитны. Это число кажется слишком большим, чтобы всерьез обсуждать возможность поднятия обычных веществ (воды, например) даже самым мощным магнитом, ведь увеличение магнитных полей в миллиарды раз можно обнаружить разве что на нейтронных звездах.
В этом случае знания и опыт ввели бы физика в заблуждение, поскольку практически все материалы могут быть подняты с помощью используемых в наше время магнитов. В принципе, даже ребенок может быть поднят, как мы это увидим ниже.
Ваша дважды обманутая интуиция
То, что наша интуиция нас обманывает хорошо видно на иллюстрациях, сопровождающих эту статью. Это и парящий лесной орех (иллюстрация 1) и левитирующая лягушка (иллюстрация 2) и парящая в магнитном поле капля воды (иллюстрация 3). Все это парение происходит в магнитном поле, напряженностью порядка 10 Тесла (Тл). Эта напряженность поля только в несколько раз превышает напряженности полей постоянных магнитов (хороший постоянный магнит образует поле с напряженностью 1,5 Тл.) и приблизительно всего в 100 раз больше, чем магнитное поле, создаваемое компрессором Вашего холодильника. Заглянем в учебник по магнетизму, что бы понять, какие поля могут заставить подняться «немагнитные” материалы. Действительно, сила со стороны магнитного поля, напряженностью B действующая на материал, объемом V с магнитной восприимчивостью x равна F=(Mgrad)B (где, x — магнитный момент вещества M=(x/m0)VB, m0 — магнитная восприимчивость вакуума). Эта сила должна компенсировать гравитационную силу, равную mg=rVg,где r- плотность тела, g— ускорение свободного падения. Поскольку ускорение свободного падения направлено вертикально вниз, то и градиент gradB2, необходимый для левитации тела должен больше, чем 2m0gr/x.
Под действием магнитного поля происходит перестройка электронных орбит даже в немагнитных веществах, которые называются диамагнетиками. И это определяет их слабый отклик на внешнее магнитное поле. В стандартных учебниках указано, что для большинства таких материалов отношение x/m0 близко к 10-5 грамм на кубический сантиметр. Таким образом, такие вещества для своей левитации требуют наличия вертикального магнитного поля с градиентом порядка 30 Тл2/см3
Если предположить, что длина области магнитного поля l приблизительно равна 10 см, поскольку это типичный размер для области магнитного поля высокой напряженности, создаваемого внутри соленоида, тогда приближение gradB2, приблизительно равное B2/l, показывает, что поля, напряженностью 10 Тл вполне достаточно, что бы поднять любое вещество вокруг нас.
Таким образом, наша интуиция оказывается обманутой дважды. Во-первых, мы изначально пренебрегали возможностью подъема тел в магнитном поле; во-вторых, магнитное поле, необходимое для поднятия кусочка железа, должно быть всего несколько Гаусс, что много меньше поля, создаваемого большей частью магнита – подковы.
Диамагнетизм был открыт Майклом Фарадеем в 1846 году, но в то время ни у кого не могло даже родиться мысли о том, что возможны какие-либо физические эффекты. Уильям Томсон (лорд Кельвин), обращаясь к левитации, как проблеме «гроба Мохаммеда”, говорил:- «Вероятно, мы никогда не будем иметь возможность наблюдать это явление, вследствие трудностей изготовления достаточно мощного магнита, поскольку диамагнитное вещество подобно свету и чрезвычайно слабо взаимодействует с ним.”
Магнитные поля, достаточно сильные для подъема диамагнитных материалов стали доступными в середине 20-го столетия. В 1939 году W.Braunbeck поднимал маленькие бусинки графита в вертикальном электромагните. Графит имеет самое большое отношение x/r среди известных диамагнетиков (8×10-5). Сегодня этот эксперимент можно воспроизвести с помощью постоянного магнита, изготовленного из сплава неодим, железо, бор.
Если не принимать во внимание сверхпроводники, являющиеся идеальными диамагнетиками, которые впервые заставил левитировать Аркадьев в 1947 году, потребовалось еще 50 лет, чтобы показать возможность левитации обычных веществ при комнатной температуре. В 1991 году Эрик Богно (Eric Beaugnon) и Роберт Тернер (Robert Tournier) магнитным образом подняли воду и некоторые органические вещества. В дальнейшем были подняты жидкий водород и гелий, а так же яйца лягушки. В тоже самое время я совместно с Яном Кис Мааном (Jan Kees Maan) в университете Неймегена в сотрудничестве с Умберто Кармоной и Питером Мэйном из университета Ноттингема, Англия, занимались изучением левитации диамагнетиков. В наших экспериментах левитировало буквально все, что было под рукой, начиная от кусочков сыра и пиццы и заканчивая живыми существами – лягушкой и мышью. Примечательно, что магнитные поля, используемые в этих экспериментах, были доступны уже в течение нескольких десятилетий в, возможно, полудюжине лабораторий мира. Требовалось только время и желание для осуществления левитации при комнатной температуре. Однако, даже физики, использующие сильные магнитные поля в своих ежедневных исследованиях, не признавали существования такой возможности. Например, когда я и мои коллеги предоставили фотографии левитирующих лягушек (иллюстрация 2), многие наши коллеги восприняли их как шутку, первоапрельский розыгрыш.
1. Левитация лесного ореха – схема экспериментальной установки. Объект, в данном случае, лесной орех помещался в цилиндрическую полость, диаметром 3,2 см., в середине мощного электромагнита, создающего магнитное поле, напряженностью в 20 Тл. Когда напряженность поля в центре полости достигала приблизительно 16 Тл, градиенты магнитного поля на ее краях оказывались достаточными для компенсации сил земной гравитации на молекулярном уровне в этом явно немагнитном объекте. В поле, напряженностью примерно 10 Тл орех сам становится слабым магнитом, образуя вокруг себя поле порядка одного Гаусса. Это подразумевает существование в орехе достаточно большого (порядка ампера) электрического тока. Но этот ток представляет собой сумму упорядоченных микроскопических токов в атомах и поэтому этот ток не рассевается, как привычный для нас ток проводимости, на самих атомах и не вызывает нагрева ореха. По этой же причине левитирующие в магнитном поле живые объекты не испытывают «казни на электрическом стуле”.
Однако, противоречащий интуиции подъем немагнитных объектов с помощью магнита содержит в себе для физика, изучающего парение диамагнетиков несколько больше неожиданностей. Попробуйте, например, поднять кусочек железа. С помощью обычного магнита подковкой Вы это сделаете с легкостью, но заставить его левитировать Вы не сможете, не взирая на то, сколь хитрую комбинацию магнитов спроектируете. Для того, что бы понять, почему это так, полезно обратиться к теореме Ирншоу (недавно повторно сформулированной Майклом Бэрри), которая гласит, что никакой стационарный объект, состоящий из магнитов и масс, не может быть зафиксирован в пространстве стационарно при помощи любой неподвижной комбинации электрических, магнитных и гравитационных сил. Доказательство этого утверждения довольно просто. В самом деле, для того, что бы обеспечить устойчивое равновесие пробного магнита во внешнем магнитном, электростатическом или гравитационном поле требуется, что бы он находился в положении, характеризуемом минимумом энергии внешних полей. Но это невозможно, поскольку распределение энергий должно удовлетворять уравнению Лапласа, решение которого не имеют изолированных минимумов, а только седла. Эта теорема Ирншоу уже настолько забыта, что мне не раз предлагали схемы, согласно которым казалось бы возможно обеспечить левитацию постоянных магнитов (ферромагнетиков) и парамагнитных материалов. Теорема Ирншоу может быть обобщена и на случай магнитных материалов. Парамагнитные материалы не могут левитировать (если они не помещены в сильнее намагниченную среду, что превращает их эффективно в диамагнетики).
Только диамагнитные материалы могут нарушать это правило. Удивительно, но лорд Кельвин признал это в 1847 году, спустя восемь лет после того, как Самюэль Ирншоу сформулировал свою теорему, и качественно показал те диамагнитные вещества, которые могут быть устойчиво подвешены в магнитном поле. Теорема Ирншоу терпит неудачу в случае диамагнетиков вследствие того, что диамагнетизм квантовое явление и не может быть описано с помощью комбинации классических полей, которые и рассматриваются в теореме Ирншоу. Диамагнетизм является следствием движения электронов вокруг ядер атомов вещества и поэтому эта конфигурация физических объектов не является неподвижной, как того требует теорема.
Только то, что объект может левитировать не означает, что это будет происходить, когда он помещен в достаточно сильное магнитное поле. На самом деле, условия, при которых это произойдет, являются достаточно тонкими. Например, увеличение напряженности внешнего магнитного поля всего на несколько процентов, как правило, приводит к дестабилизации системы и заставляет левитирующий предмет падать. Диамагнитный объект может левитировать только вблизи точки перегиба вертикальной компоненты магнитного поля, в которой d2B/dz2=0. Несложно заметить, что это условие является чисто геометрическим и не зависит от распределения самого поля. Область, в которой возможна устойчивая левитация, пространственно занимает малую часть области, в которой формируется поле. Например, для нашего мощного магнита, в котором длина центральной полости достигала два метра, эта область составляла всего 2 сантиметра. Естественно, что и напряженность поля должна быть тщательно отрегулирована, чтобы компенсировать силы гравитации в этой точке равновесия. Если напряженность поля несколько меньше, чем это необходимо, объект упадет. Если несколько больше, то область равновесия становится нестабильной в горизонтальном направлении, и стены магнита будут препятствовать перемещению объекта в сторону и затем падение. Любое, самое нежное прикосновение или поток воздуха могут нарушить равновесие.
Те, кто пробовал поднять магнитным полем высокотемпературный сверхпроводник, вероятно с удивлением подняли бы брови, поскольку они не сталкиваются с подобными трудностями. Однако, левитирующий сверхпроводник использует в своих интересах линии напряженности магнитного потока, которые закрепляются в сверхпроводнике. Происходит так называемый пиннинг. Именно это придает левитации сверхпроводника такой вид. Но если убрать это закрепление магнитных линий, то потребуется точная регулировка пространственного положения тела и напряженности магнитного поля.
Уникальные возможности использования диамагнитной левитации
Идея диамагнитной левитации настолько привлекательна, что узнавая о ней физики – экспериментаторы естественно начинают размышлять, пусть даже в течение краткого момента, о возможности использования этого эффекта в своих собственных специфических исследованиях. В самом деле, сверхпроводящие магниты, не способные работать при комнатных температурах, относительно «дешевы” в наши дни. Такая установка стоит по минимуму 100 000$, что может представлять затруднения для небольших исследовательских групп.
Говоря относительно возможных применений диамагнитной левитации, стоит сказать, что ее возможности просто уникальны. Прежде всего, такое поднятие может обеспечить лишенную трения подвеску, параметрами которой можно управлять изменением профиля магнитного поля. Эта особенность позволит, например, спроектировать сверхчувствительный гравиметр или другое геофизическое оборудование, для повышения чувствительности которого, требуется изоляция от внешнего поля тяготения.
2. Свободно левитирующая лягушка в магнитном поле, напряженностью 20 Тл., созданном в магните, показанном на иллюстрации 1. Кроме дезориентации, вызванной невесомостью, ее организм не испытывает никаких неблагоприятных ощущений. Причины этого обсуждаются в тексте статьи.
Совмещение простоты и гибкости подобных устройств, в которых отсутствует гравитация, с оптическими датчиками, делает их довольно привлекательной альтернативой устройствам на основе сверхпроводящей левитации. Самым важным отличием подобных устройств является возможность диамагнитной левитации при комнатной температуре и однородное распределение магнитного поля, что в корне отличает их от устройств на основе сверхпроводящей левитации. По сути, для однородного материала в поле с профилем B2, направленным по оси z гравитация отменяется на уровне отдельных атомов и молекул, что позволяет успешно моделировать условия невесомости прямо на Земле. Однако нужно принять во внимание, что это все еще не идеальная невесомость. Отклонения от идеальности возникают вследствие неизбежной неоднородности поля в горизонтальном направлении (поскольку divB=0). Искажение поля на величину порядка магнитной восприимчивости материала (порядка 10-5) вызывается намагничением самого объекта и существованием возможной анизотропии магнитной восприимчивости материала. Однако, для множества возможных применений эти небольшие неудобства перевешиваются возможностью проведения «космических» исследований прямо на Земле. В конце концов, моделируемая таким образом микрогравитация показывает, насколько близко мы подошли к антигравитационным устройствам из научной фантастики.
Наблюдая левитацию капли воды в магнитном поле (иллюстрация 3), любой физик начинает размышлять об исследованиях в области гидроаэродинамики невесомости не в космосе на борту шаттла, а просто в лаборатории. Также частым объектом исследований в космосе является рост кристаллов в невесомости, что тоже может служить местом использования диамагнитной левитации. Или, возьмем например, диамагнитно подвешенный гироскоп. В нашем собственном эксперименте мы недавно смогли пронаблюдать вращение Земли с помощью небольшого пластмассового шарика, левитирующего в магнитном поле, и освещаемого лазерным лучом. Не большое достижение, но уже первая наша попытка показала наличие в измерениях ошибочных дрейфов порядка 0,1%, что само по себе уже является рекордным показателем для любого типа гироскопов.
Магнитная микрогравитация, возможно, хорошо работает даже для сложных биологических систем. Несколько групп биофизиков, например, группа Джеймса Валлеса (James Valles) из университета Браун, Карла Хазенстейна (Karl Hasenstein) из университета юго-западной Луизианы и Маркус Браун (Markus Braun), Боннский университет уже начали исследования реакции растений и животных на моделируемую подобным образом микрогравитацию. Биологические системы удивительно однородны по отношению к диамагнитной левитации. По-видимому, различные компоненты биологических систем, такие как вода, ткани, кости и кровь, отличаются по значению отношения магнитной восприимчивости материала к его плотности только на несколько процентов, что подразумевает, что гравитация скомпенсирована лучше, чем до 0,1г. в среднем, по всему сложному живому организму. Даже если присутствуют парамагнитные ионы и молекулы, как, например, в крови, их сильный ответ на внешнее поле нивелируется высокой температурой (энергия магнитного взаимодействия много меньше энергии теплового движения), а именно, броуновским движением и намного более сильным взаимодействием с окружающими их диамагнитными молекулами. Вероятно, наличие такого эффекта, как ориентирование очень длинных биомолекул по направлению поля, может нарушать состояние микрогравитации в сложных системах. Но, к счастью, этот эффект может быть купирован помещением системы в магнитное поле с таким же по профилю, но горизонтально ориентированным полем или помещая систему в однородное поле такой же интенсивности.
Интересным является пример того, как диамагнитное взаимодействие может заменить гравитацию, как гида, указывающего направление роста для прорастающего семени. Ведь прорастающее семечко должно «знать” направление роста для того, чтобы успешно прорости из почвы. Основополагающие эксперименты Хазенстейна показали, что даже маленький постоянный магнит может служить таким указателем для растения на борту космического корабля.
Что касается возможных и пока еще неизвестных неблагоприятных эффектов, возникающих вследствие воздействия на живой организм мощных магнитных полей, можно говорить, что они вряд ли будут сильными. При проведении медицинских исследований группа добровольцев провела 40 часов в магнитном поле напряженностью 4 Тл без каких-либо негативных последствий. Такие эксперименты в настоящее время идут полным ходом в государственном университете Огайо, и они показывают, что нет никакой опасности, по крайней мере, до значения напряженности 8 Тл, как указывают Джон Шенк (John Schenck), Исследовательский центр корпорации Дженерал Электрик в Шенектади, Нью-Йорк. Тогда как исследователи из университета Браун обнаружили нарушения развития эмбрионов лягушки, но вероятно справедливо приписали это нарушение влиянию невесомости, а не магнитного поля.
3. Гидрогазодинамика невесомости – одна из областей знания, в которой, как это демонстрирует парящая капля воды, может использоваться магнитная левитация.
В заключение, вернемся к ребенку, который хотел летать, и обсудим эту возможность. В конце концов, лидер религиозной секты в Англии предложил 1 миллион фунтов-стерлингов тому, кто создаст машину, способную его поднять перед его паствой. Но дело состоит в том, что требуемое для этого поле должно содержать область с нужным значением gradB2, соответствующим объему тела. Современные обычные и сверхпроводящие магниты могут поднимать объекты, размером в несколько сантиметров. Согласно данным разработчиков магнитов от National High Magnetic Field Laboratory в Талахасси, Флорида, существующие технологии позволяют создать магниты, поднимающие объекты размером до 15 см. Для поднятия человека требуется создание большого магнитного трека, напряженностью 40 Тл, и непрерывно поглощающего энергию, равную сжиганию количества газа, равного дебету целой скважины. Таким образом, не смотря на то, что диамагнитная левитация, возможно, будет все популярнее среди ученых, ребенок и священник должны будут использовать менее экзотические, но более привычные методы левитации. Например, с помощью вертолета.
Physics Today 51(9),36 (1998)
Андрей Гейм
Перевод: Алексей Гопман
Страница не найдена | MIT
Перейти к содержанию ↓- Образование
- Исследование
- Инновации
- Прием + помощь
- Студенческая жизнь
- Новости
- Выпускников
- О MIT
- Подробнее ↓
- Прием + помощь
- Студенческая жизнь
- Новости
- Выпускников
- О MIT
Попробуйте поискать что-нибудь еще! Что вы ищете? Увидеть больше результатов
Предложения или отзывы?
Maglev Technology and Applications by Hyung-Suk Han
В этой книге представлен всесторонний обзор технологий магнитной левитации (Maglev), от фундаментальных принципов до самых современных, а также описаны приложения, как реализованные, так и разрабатываемые.Включает в себя историю науки и техники на маглеве, показывающую различные этапы ее развития. Основные концепции, принципы работы и основная задача
В этой книге дается всесторонний обзор технологий магнитной левитации (Maglev), от фундаментальных принципов до современных достижений, а также описываются как реализованные, так и разрабатываемые приложения.Включает в себя историю науки и техники на маглеве, показывающую различные этапы ее развития.Представлены и обсуждены основные концепции, принципы работы и основные проблемы приложений Maglev, применяемых в различных областях. Подробно рассматриваются основные трудности, возникающие при применении технологии Maglev в различных системах, а именно в управлении воздушным зазором и стабилизации. В книге описывается, как основные достижения в технологиях линейных двигателей и магнитов позволили разработать поезд на магнитной подвеске с линейным двигателем, который имеет преимущество в высокой скорости по сравнению с обычными колесными поездами и имеет потенциал для достижения уровней скорости, достигаемых самолетом.Однако многие ожидают, что технология Maglev будет зеленой технологией, которая будет применяться не только в железнодорожных перевозках, но и в различных других областях; для обеспечения чистой передачи при производстве ЖК-дисплеев, в безканатных высокоскоростных лифтах, в рельсовых транспортных средствах малой вместимости, в пусковых установках космических аппаратов, тестерах ракет, накопителях энергии и т. д. Эти потенциальные приложения и их уникальные проблемы, а также предлагаемые технологические решения представлены и подробно обсуждаются.
Книга предоставит читателям из академических кругов, исследовательских институтов и промышленности информацию о том, где и как применять технологию Maglev, и послужит руководством по реализации их приложений Maglev.
Ученые разрабатывают акустическую левитацию, что может сделать возможной левитацию людей
Этот сайт может получать партнерские комиссии за ссылки на этой странице. Условия эксплуатации.Впервые исследователям удалось левитировать и перемещать объекты произвольной формы с помощью акустических (звуковых) волн.Исследователи из Швейцарского федерального технологического института (ETH) в Цюрихе уже использовали свои недавно обнаруженные магические силы левитации, чтобы столкнуть гранулы кофе и воды, чтобы создать растворимый кофе в воздухе — и, что более интересно, каплю воды. и кусок натрия (потрясающе красивое видео вложено ниже). Тот же подход потенциально может сработать и на людях, хотя без дальнейших усовершенствований технологии мы, вероятно, взорвемся или испытаем катастрофическое внутреннее кровотечение.
Акустическая левитация желательна, потому что, в отличие от магнитной левитации, ее можно использовать на любом объекте, а не только на магнитных материалах и жидкостях. Точно так же плавучесть может использоваться для «левитации» некоторых жидкостей, но, опять же, существуют строгие ограничения на то, какие жидкости можно использовать (они должны быть несмешиваемыми, как с водой и маслом). Единственное ограничение акустической левитации состоит в том, что диаметр объекта должен соответствовать половине длины волны акустических волн. Как видите, у команды нет проблем с левитацией зубочистки — что было бы невозможно как с магнитной левитацией, так и с левитацией плавучести.
Акустическая левитация выполнялась и раньше, но с очень ограниченным контролем движения объекта (видео ниже). Прорыв здесь в том, что исследователи могут перемещать свои акустически левитирующие объекты вверх и вниз, а также из стороны в сторону. Эффект левитации создается стоячими волнами — статическими (стоячими) волнами, которые удерживаются на месте отражателем, который отражает ту же волну обратно на себя, вызывая помехи. В то время как волны обычно колеблются вверх и вниз, когда они движутся в воздухе, стоячая волна по существу статична, а форма волны вынуждена оставаться в одном месте.Эта стоячая волна создает постоянное восходящее давление, которое, если оно имеет достаточно сильную амплитуду (объем), может нейтрализовать силу тяжести объекта, помещенного в стоячую волну.
Короче говоря, если у вас достаточно энергии, вы можете левитировать с помощью акустических волн практически что угодно, включая человека. Тем не менее, требуемая мощность будет огромной, и на данный момент неясно, сможет ли человек выжить даже под воздействием акустических сил. Более того, прежде чем вы начнете мечтать о портативном левитационном устройстве (реактивном ранце!), Требования к питанию, вероятно, будут намного выше возможностей современных литий-ионных аккумуляторных батарей.(Для левитации капли воды требуется около 160 дБ).
На самом деле эта новая разработка — возможность левитировать несколько объектов и манипулировать ими в трехмерном пространстве — с гораздо большей вероятностью найдет применение в меньших масштабах. Существует множество химических и биологических процессов, которые могут быть нарушены при контакте с поверхностью, и акустическая левитация — идеальное решение для таких ситуаций.
