Левитация лягушки в магнитном поле – Левитация без магии: как физики заставляют предметы парить в воздухе

Диамагнетики — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 14 мая 2018; проверки требуют 14 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 14 мая 2018; проверки требуют 14 правок.

Диамагне́тики — атомы, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. В присутствии внутреннего магнитного поля диамагнетики магнитны. Под действием внешнего магнитного поля каждое вещество диамагнетика приобретает магнитную восприимчивость I (а каждая единица объёма — намагниченность M), пропорциональную магнитной индукции B и направленную навстречу полю. Поэтому магнитная восприимчивость χ{\displaystyle \chi } = M/H у диамагнетиков всегда отрицательна. По абсолютной величине диамагнитная восприимчивость χ{\displaystyle \chi } мала и сильно зависит как от напряжённости магнитного поля, так и от температуры.

Другими словами, магнитная проницаемость μ≲1{\displaystyle \mu \lesssim 1} и слабо зависит как от напряжённости магнитного поля, так и от температуры.

В 1778 году C. Дж. Бергман стал первым человеком, заметившим, что висмут и сурьма отталкиваются магнитным полем. Однако термин «диамагнетизм» был введен позже (в сентябре 1848 года) Майклом Фарадеем, когда он понял, что все материалы в природе обладают в некоторой степени диамагнитным характером ответа на приложенное к ним магнитное поле.

Магнитная восприимчивость некоторых диамагнетиков (в нормальных условиях)
Вещество Магнитная восприимчивость[1],


χ{\displaystyle \chi }·10-6

Азот, N2 −3,0
Водород, Н2 −4,0
Германий, Ge −12,7
Кремний, Si −3,1
Вода (жидкая), Н2O −13,0
Поваренная соль, NaCI −30,3
Ацетон, С3Н6О −33,8
Глицерин, С3Н8О3 −57,1
Нафталин, С10Н8 −91,8
Висмут, Bi, металл −284,0
Пиролитический графит, П, С −85
Пиролитический графит, ⊥, С −950

К диамагнетикам относятся инертные газы, азот, водород, кремний, фосфор, висмут, цинк, медь, золото, серебро, а также многие другие, как органические, так и неорганические, соединения. Человек в магнитном поле ведет себя как диамагнетик.

\chi

Диамагнитная левитация имеет ту же природу, что и эффект Мейснера (полное вытеснение магнитного поля из материала), она наблюдается при гораздо более сильных полях, но зато не требует предварительного охлаждения. Некоторые опыты доступны любителям. Например, редкоземельный магнит с индукцией около 1 Тл может висеть между двух пластин висмута[2][3][4]. В поле с индукцией 11 Тл можно стабилизировать и удерживать маленький магнит в воздухе между пальцами не касаясь его[5].

Левитация лягушек и Нобелевская премия

Сергей Лесков

Журналист, писатель

В минувший уик-энд в американском Гарварде, где проживает больше всего в мире нобелевских лауреатов, состоялось очередное присуждение шуточных премий, которые называют Игнобелевскими (ignoble – низкий, недостойный) или Шнобелевскими. Королевская академия наук Швеции к награде непричастна, процедурой заведует сатирический журнал «Анналы неправдоподобных историй». Шуточную научную премию каждый год вручают за работы, которые у нормального человека вызывают недоумение и смех.

На полуночную церемонию с охотой являются настоящие нобелевские лауреаты, которые не испытывают ни малейшего смущения от участия в пародийном мероприятии. Авторитетные академики и профессора не утруждают себя фраками, напяливают карнавальные костюмы с бутафорскими масками. По залу летают бумажные самолетики. Запрещается говорить речи дольше одной минуты, восьмилетняя ведущая противно скрипит: «Скучно!» Ученые отрываются по полной программе.

Среди публики немало ученых, которые являются лауреатами обеих премий –Нобелевской и Шнобелевской. Например, наш Андрей Гейм за несколько лет до главной награды получил шуточную премию за исследование левитации лягушек в магнитном поле. И в этом нет ничего удивительно — от смешного до великого один шаг. Если ученый утратил способность смеяться над предметом исследований, если остроумие ему изменило, то об интеллектуальных высотах лучше забыть. Недаром, Нобелевский лауреат Петр Капица говорил, что наука — занятие для веселых и остроумных людей.

Мне врезалась в память одна из веселых задач Капицы: рассчитать, с какой скоростью должен идти по глади Генисаретского озера Иисус Христос, чтобы не утонуть. Под шуточной формулировкой скрывается серьезная проблема расчета поверхностного натяжения, которое поддерживает на поверхности воды всяких водяных клопов и суда на подводных крыльях. Впрочем, сейчас с большой вероятностью Нобелевский лауреат Капица попал бы под статью об оскорблении чувств верующих.

Звериная серьезность губит науку, озорство и остроумие идут на пользу. Но российская наука еще до того разгрома, который в 2013 году ей учинили полуграмотные чиновники, потеряла способность смеяться. Традиция капустников, которая была нерушимой в академических институтах, канула в Лету. Унылыми стали и научные исследования, которые теряют обязательный для больших открытий признак парадоксальности.

«Марш энтузиастов» Дунаевского про «страну героев, страну мечтателей, страну ученых» имеет к нам отдаленное отношение, как «Боже, царя храни!».

 Великие Капица, Ландау, Арцимович, Будкер, Мигдал по части остроумия легко бы заткнули за пояс любого эстрадного юмориста, кумира низкопробной толпы. Ученики за ними ходили с блокнотом и записывали не только научные откровения, но и едкие замечания. Сегодня ученые сосут от безденежья лапу, шутить им уже не хочется и не можется.

А ведь склонность к шутке — верный признак парадоксальности ума, без которого научное открытие совершить невозможно. Дурак не бывает остроумным. Великий Эйнштейн говорил: «Бесконечны только две вещи — Вселенная и человеческая глупость, причем я не уверен насчет первой».

Игнобелевские премии вручаются по десяти номинациям, дабы, в отличие от Нобелевской, не обидеть какую-то из наук. Шутливые награды способствует популяризации научных достижений едва ли не в большей степени, чем непонятные широкой публике серьезные премии. Бывает, что шутка быстро идет в инновационный рост и дает экономический результат. В 2009 году премию получил бюстгальтер, который может трансформироваться в два респиратора. Уже через год в Америке состоялась презентация бюстгальтера-респиратора, который сметали с прилавков. Незаменимая вещь во время задымления или лесных пожаров.

У наших соотечественников, помимо Андрея Гейма, есть еще две Игнобелевские премии. В 1992 году член-корреспондент РАН Юрий Стручков получил награду за то, что за 10 лет опубликовал 948 научных работ, то есть в среднем каждые четыре дня по новой статье. В 2002 году «Газпром» был отмечен премией по экономике за применение математической концепции мнимых чисел в мире бизнеса. Соавтором премии 1993 года по математике можно считать Михаила Горбачева, личность которого вдохновила американского профессора на доказательство того, что президент СССР может быть антихристом с вероятностью всего 1 к 710609175188282000.

В 2014 году среди лауреатов россыпь умопомрачительных работ. В области питания премию получили диетолог из Испании, которые выделили из фекалий новорожденных кисломолочные бактерии, которые можно использовать в производстве колбас. Отважные норвежцы выяснили, как реагируют полярные олени на людей, которые зачем-то маскируются под белых медведей.

Италия получила престижного Игнобеля в области экономики. Национальный институт статистики, истолковав на свой лад рекомендации Евросоюза, включил в данные об итальянской экономике доходы от проституции, незаконной торговли наркотиками, контрабанды и других нелегальных сделок. Италия отличилась и в области искусствоведения. Теперь известно, что люди, которые рассматривают уродливые картины и настоящие шедевры, по-разному воспринимают физическую боль, если им, например, всадить в это время в мягкое место острую иглу.

Психологи из стран Британского содружества выяснили, что «совы», в отличие от «жаворонков», склонны к самолюбованию и психопатии. Отмечены биологи, которые выяснили связь между условиями содержания домашних котов и психическим здоровьем их хозяев. Поклонники собак тоже не остались без награды, поскольку удалось выяснить, что, задирая ногу, пес ориентируется строго в соответствии с геомагнитным полем Земли по оси «север – юг».

Премия по физике досталась японцам, которые изучали силу трения подошвы о банановую кожуру перед тем, как прохожий грохнется об землю. И, наконец, человечеству будет осчастливлено новым рецептом докторов о том, что кровотечение из носа лучше всего остановить тампонами из вяленой свинины.

Ученые из России среди кандидатов на Игнобеля не замечены. Впрочем, и от настоящего Нобеля мы с каждым годом все дальше.

Сергей Лесков

Перейти на страницу автора

Полет лягушки, или Не вся правда о левитации

Представьте себе – даже лягушки могут летать! Причем самыми разными способами.

Некоторые обладают этим даром от природы, например, яванский веслоног. Он почти всю жизнь проводит на деревьях и может парить в прыжке, используя перепонки лап. Так он способен преодолеть около 15 метров. Получается у него отлично, убедитесь сами:

Наука же могущественна до такой степени, что с ее помощью в полет можно отправить и самых обычных лягушек. Правда, избранной для выполнения миссии лягушке нужно попасть в сильное магнитное поле. Что люди, что лягушки, все мы ведем себя как диамагнетики, то есть в отсутствие внешнего магнитного поля магнитных свойств не проявляем. Но стоит лягушке оказаться под действием поля, и она оказывается способной парить в воздухе! При этом она не страдает, не испытывает никакого дискомфорта, кроме разве что дезориентации в пространстве (хотя это уж точно малоприятно, поэтому лучше пожалеть лягушек и не заставлять их левитировать часто).

Благодаря опытам с левитацией лягушек приобрел известность будущий нобелевский лауреат Андрей Гейм. А вот на этом видео он отправляет в полет не только земноводных, но и кузнечиков:

Пока физики запускают в воздух небольшие объекты – лягушек, мышей, кусочки пиццы. Но теоретически таким образом может воспарить и человек, потребуется только очень большой и сильный магнит (pdf).

Приходите на выставку «Алиса в Стране наук» в павильоне №64 («Оптика») и узнайте, на что еще способна левитация!

Время работы выставки:
вторник – четверг 11:00−20:00
пятница – воскресенье 11:00−21:00
понедельник – выходной день

Читайте также

история про изобретателя аппарата для левитации

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

 

Магнитная левитация. Что это такое и как это возможно?

Здравствуйте, дорогие читатели! Сегодня узнаем, что такое магнитная левитация. 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.

   Магнитная левитация

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.

Магнитная левитация
   Левитирующий глобус

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

 

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

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.

Магнитная левитация

   Диамагнитная левитация

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.

Магнитная левитация
   Левитация магнита над сверхпроводником

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.

Магнитная левитация
   Неодимовый магнит внутри медной трубы, магнитная левитация

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

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Левитация без магии: как физики заставляют предметы парить в воздухе

20.01.2018 | Наука и непознанное1833

Однажды физик Андрей Гейм провел опыты по левитации лягушки в магнитном поле. Коллеги идею не оценили и выдали будущему светилу науки Шнобелевскую премию. Между тем исследователи продолжают изобретать различные способы левитации, то есть парения в воздухе без опоры, и воплощать их в реальные технологии.

Сила звука

Конечно, ни в одном случае нельзя на все сто процентов утверждать, что объект левитирует сам по себе — его просто поддерживает в воздухе нечто невидимое. Например, звуковые волны, как в опытах физиков из Великобритании. Они сделали из термопласта кирпичики размером около двух миллиметров со сложенными змейкой стержнями внутри. Число витков в стержнях было разным, а именно от этого зависел фазовый сдвиг звука, проходящего через элемент. Кирпичики расположили в двух решетках таким образом, чтобы акустическая волна фокусировалась в центре и в итоге поддерживала небольшой шарик в воздухе. Частота звука была 40 килогерц, что недоступно человеческому слуху.

     © Иллюстрация РИА Новости . А.Полянина

Шарик удерживается в воздухе звуковой волной, сфокусированной метаматериалом

 

Летят или едут?

Самый известный пример левитации, реализованный на практике, — высокоскоростные поезда на сверхпроводниках. Колеса обычного транспорта касаются дорожного полотна, поэтому на высокой скорости любая неровность или резкое торможение способны повредить как само колесо, так и поверхность, с которой оно соприкасается. Ну и все мы знаем, как порой трясет и бросает из стороны в сторону в автобусе или электричке.
Левитирующие поезда — маглевы — лишены колес и движутся, не касаясь земли. Ими управляет электрическое поле, а в воздухе удерживают сильнейшие магниты. В этой технологии используются сверхпроводники — материалы, лишенные электрического сопротивления. Сверхпроводимость достигается только при определенной температуре, обычно очень низкой. Это осложняет технологию, но ученые не сдаются и ищут новые материалы, способные без сопротивления проводить ток даже при температуре, близкой к комнатной.

 

    © AP Photo / str
Магнитный левитирующий поезд (маглев) в Китае

 

Днище маглева — это магнит, индуцирующий электромагнитное поле в рельсах из сверхпроводника. Согласно закону Мейснера, при переходе в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из материала, оставаясь только на его поверхности. В итоге поля магнита и рельсов отталкивают друг друга, и поезд действительно зависает в воздухе. Несколько пассажирских маглевов курсируют в Китае и Южной Корее.

Управляемый рой

В фантастических фильмах о не слишком далеком будущем герои нередко пользуются виртуальными экранами-тачпэдами, висящими в воздухе и развертываемыми где угодно из какой-нибудь маленькой коробочки. В реальности такой технологии пока нет, но над ней работают.

© Human Media Lab
Небольшие дроны способны синхронизировать свои движения в воздухе

 

Группа физиков из Канады предложила рисовать картинки в воздухе с помощью летящих синхронно миниатюрных квадрокоптеров. Они способны отследить движения человека и подстроиться под них. По мановению руки дроны на лету выстраивают какое-нибудь изображение, например собеседника, с которым вы разговариваете по видеосвязи. Пока коптеры меньше человеческой ладони не созданы, но авторы идеи рассчитывают уменьшить их хотя бы до одного сантиметра.

Источник: ria.ru



Диамагнитная левитация

Диамагнитная левитация – это полное вытеснение магнитного поля из материала, предмета или объекта. В результате этого эффекта материал, предмет или объект, в том числе и живой организм, начинает парить над источником магнитного поля.

Диамагнитная левитация может наблюдаться практически при любой температуре окружающей среды. При этом парить в воздухе (левитировать) могут так называемые диамагнетики или вещества с диамагнитными свойствами.

Интересно то, что живые организмы (небольшие по размеру животные) также подвержены эффекту диамагнитной левитации, так как они, по сути, тоже являются диамагнетиками. Диамагнитными свойствами в живом организме обладают молекулы воды и протеина.

Известен достаточно широко распространенный опыт с левитирующей лягушкой. Животное аккуратно помещают над магнитом, который создает магнитную индукцию больше 16 Тл (Тесла) и оно фактически зависает в воздухе на небольшом расстоянии от магнита.

Также в качестве эксперимента можно взять небольшой магнит и поместить его в поле с магнитной индукцией в 11 Тл и более. Затем в это поле вносим собственные руки и, не касаясь ими магнита, заставляем последний парить. При этом, также не касаясь, можно легко управлять его полетом. Магнит будет постоянно держаться между наших рук. Наши пальцы, которые являются диамагнетиками, стабилизируют левитацию.

< Предыдущая   Следующая >

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *