Квантова левітація (ефект мейснера): наукове пояснення

Левітація-це подолання сили тяжіння, при якій суб`єкт або об`єкт знаходиться в просторі без опори. Слово "левітація" походить від латинського Levitas, що означає»Легкість".

Левітацію неправильно прирівнювати до польоту, тому що останній заснований на опорі повітря, саме тому птахи, комахи та інші тварини літають, а не левітують.

Левітація у фізиці

Левітація у фізиці відноситься до стійкого положення тіла в гравітаційному полі, при цьому тіло не повинно торкатися інших об`єктів. Левітація має на увазі деякі необхідні і Важкодосяжні умови:

• Сила, яка здатна компенсувати гравітаційне тяжіння і силу тяжіння.
• Сила, яка здатна забезпечити стійкість тіла в просторі.

Із Закону Гаусса випливає, що в статичному магнітному полі статичні тіла або об`єкти не здатні до левітації. Однак якщо змінити умови, то можна досягти левітації.

Квантова левітація

Широкій публіці про квантову левітацію вперше стало відомо в березні 1991 року, коли в науковому журналі Nature було опубліковано цікаве фото. На ньому директор Токійської дослідницької лабораторії з надпровідності Дон Тапскотт стояв на керамічній надпровідній пластині, а між підлогою і пластиною не було нічого. Фотографія виявилася справжньою, а пластина, яка разом зі стоячим на ній директором важила близько 120 кілограмів, могла левітувати над підлогою завдяки ефекту надпровідності, відомому як ефект Мейснера-Оксенфельда.

Діамагнітна левітація

Так називають тип перебування в підвішеному стані в магнітному полі тіла, що містить воду, яка сама по собі є діамагнетиком, тобто матеріалом, атоми якого здатні намагнічуватися проти напрямку основного електромагнітного поля.

У процесі діамагнітної левітації основну роль відіграють діамагнітні властивості провідників, атоми яких під дією зовнішнього магнітного поля злегка змінюють параметри руху електронів в їх молекулах, що призводить до появи слабкого магнітного поля, протилежного за напрямком основному. Ефекту цього слабкого електромагнітного поля достатньо, щоб подолати силу тяжіння.

Щоб продемонструвати діамагнітну левітацію, вчені багаторазово проводили досліди на невеликих тварин.

Цей вид левітації використовувався в експериментах на живих об`єктах. Під час дослідів у зовнішньому магнітному полі з індукцією близько 17 Тесла було досягнуто підвішений стан (левітація) жаб і мишей.

За третім законом Ньютона, властивості діамагнетиків можна використовувати і навпаки, тобто для левітації магніту в полі діамагнетика або для його стабілізації в електромагнітному полі.

Діамагнітна левітація за своєю природою ідентична квантовій левітації. Тобто як і при впливі ефекту Мейснера, відбувається абсолютне витіснення з матеріалу провідника магнітного поля. Невеликою відмінністю є лише те, що для досягнення діамагнітної левітації необхідно значно сильніше електромагнітне поле, однак при цьому абсолютно не потрібно охолоджувати провідники, щоб домогтися їх надпровідності, як у випадку з квантовою левітацією.

В домашніх умовах можна навіть поставити кілька дослідів по діамагнітної левітації, наприклад, при наявності двох пластин вісмуту (який є діамагнетиком) можна встановити в підвішений стан магніт з невисокою індукцією, близько 1 Тл. Крім того, в електромагнітному полі з індукцією в 11 Тесла можна стабілізувати в підвішеному стані невеликий магніт, регулюючи його положення пальцями, при цьому абсолютно не торкаючись магніту.

Часто зустрічаються діамагнетиками є практично всі інертні гази, фосфор, азот, кремній, водень, срібло, золото, мідь і цинк. Навіть людське тіло є діамагнетиком у правильному електромагнітному магнітному полі.

Магнітна левітація

Магнітна левітація-це ефективний метод підняття об`єкта за допомогою магнітного поля. У цьому випадку Магнітний тиск використовується для компенсації сили тяжіння та вільного падіння.

Згідно теоремі Ірншоу, не можна утримувати об`єкт в гравітаційному полі стійко. Тобто левітація при таких умовах неможлива, однак якщо взяти до уваги механізми дії діамагнетиків, вихрових струмів і надпровідників, то можна досягти ефективної левітації.

Якщо магнітна левітація забезпечує підйомну силу при механічній підтримці, таке явище прийнято називати псевдолевітацією.

Ефект Мейснера

Ефект Мейснера-це процес абсолютного витіснення магнітного поля з усього об`єму провідника. Зазвичай це відбувається в процесі переходу провідника в надпровідний стан. Саме цим надпровідники відрізняються від ідеальних-при тому, що в обох опір відсутній, магнітна індукція ідеальних провідників залишається незмінною.

Вперше це явище спостерігали і описали в 1933 році двоє німецьких фізиків-Мейснер і Оксенфельд. Саме тому іноді квантову левітацію називають ефектом Мейснера-Оксенфельда.

Із загальних законів електромагнітного поля випливає, що при відсутності в обсязі провідника магнітного поля в ньому присутній тільки поверхневий струм, який займає простір біля поверхні надпровідника. При цих умовах надпровідник поводиться так само, як і діамагнетик, при цьому таким не будучи.

Ефект Мейснера поділяють на повний і частковий, в залежності від якості надпровідників. Повний ефект Мейснера спостерігається, коли магнітне поле витісняється повністю.

Високотемпературні надпровідники

У природі мало чистих надпровідників. Більшість їх матеріалів, що володіють властивостями надпровідності, є сплавами, у яких найчастіше спостерігається лише частковий ефект Мейснера.

У надпровідниках саме здатність повністю витісняти магнітне поле зі свого об`єму розділяє матеріали на надпровідники першого і другого тип. Надпровідниками першого типу є чисті речовини, наприклад, ртуть, свинець і олово, здатні навіть при високих магнітних полях продемонструвати повний ефект Мейснера. Надпровідники другого типу-найчастіше сплави, а також кераміка або деякі органічні сполуки, які в умовах магнітного поля з високою індукцією здатні лише на часткове витіснення магнітного поля зі свого об`єму. Проте в умовах дуже малої індукції магнітного поля практично всі надпровідники, в тому числі і другого типу, здатні на повний ефект Мейснера.

Відомо кілька сотень сплавів, сполук і кілька чистих матеріалів, що володіють характеристиками квантової надпровідності.

Досвід " Труну Магомета»

"Труна Магомета" - це своєрідний фокус з левітацією. Так називали досвід, наочно демонструє ефект.

Згідно з мусульманською легендою, труна пророка Магомеда знаходився в повітрі в підвішеному стані, без будь-якої опори і підтримки. Саме тому у досвіду таку назву.

Наукове пояснення досвіду

Надпровідність може бути досягнута лише при дуже низьких температурах, тому надпровідник необхідно заздалегідь охолодити, наприклад, за допомогою високотемпературних газів, таких як рідкий гелій або рідкий азот.

Потім на поверхню плоского охолодженого надпровідника поміщають магніт. Навіть у полях з мінімальною магнітною індукцією, що не перевищує 0,001 Тесла, магніт піднімається вгору над поверхнею надпровідника приблизно на 7-8 міліметрів. Якщо поступово збільшувати індукцію магнітного поля, відстань між поверхнею надпровідника і магнітом буде збільшуватися все більше і більше.

Магніт буде продовжувати левітувати до того моменту, поки зовнішні умови не зміняться і надпровідник не втратить свої надпровідні характеристики.