Магнитная левитация — что это такое и как это реально

Слово «левитация» происходит от английского «levitate» — парить, подниматься в воздух. Другими словами левитация — это преодоление объектом гравитации, когда он парит и не касается опоры, не отталкиваясь при этом от воздуха, не применяя реактивную тягу.
С точки зрения физики, левитация — это хорошое положение объекта в гравитационном поле, когда сила тяжести скомпенсирована и имеет место возвращающая сила, обеспечивающая объекту стойкость в пространстве.
В особенности магнитная левитация — это технология подъёма объекта при помощи магнитного поля, когда для компенсации ускорения свободного падения или любых иных ускорений применяется магнитное действие на объект. Собственно о магнитной левитации и пойдёт речь в этой статье.

Магнитная левитация

Магнитное удержание объекта в состоянии устойчивого равновесия можно осуществить несколькими вариантами. Любой из способов имеет собственные характерности, и к каждому можно предоставить претензии, вроде «это фальшивая левитация!», и так оно в действительности и будет.
Реальная левитация в чистом виде недостижима.
Так, теорема Ирншоу утверждает, что, применяя только ферромагнетики, нереально устойчиво удерживать объект в гравитационном поле.
Но не обращая внимания на это, при помощи сервомеханизмов, диамагнетиков, сверхпроводников и систем с вихревыми токами возможно достигнуть подобие левитации, когда какой-то механизм помогает объекту хранить равновесие, когда тот поднят над опорой магнитной силой. Впрочем про все по-очереди.
Электромагнитная левитация с системой слежения
Использовав схему на базе электромагнита и фотореле можно заставить левитировать маленькие предметы из металла.
Предмет будет парить в воздухе на определенном расстоянии от неподвижно закрепленного на стойке электромагнита. Электромагнит питается, пока фотоэлемент, закрепленный в стойке, не затенен парящим предметом, пока на него попадает достаточно света от неподвижно закрепленного контрольного источника, это означает, что объект необходимо притянуть.

Магнитная левитация

ПОДСКАЗКА для ИГОРЯ БЕЛЕЦКОГО ! ПОДВЕС НИКОЛАЕВА

Когда объект достаточно поднят, электромагнит выключается, потому как в этом момент тень от перемещенного в пространстве объекта падает на фотоэлемент, закрывая свет источника. Объект падает, но упасть не успевает, так как опять включился электромагнит. Так, отрегулировав чувствительность фотореле, можно достигнуть эффекта, при котором объект будет вроде бы висеть на одном месте в воздухе.

В действительности объект постоянно то падает, то вновь чуть-чуть приподымается электромагнитном. Выходит видимость левитации.
На этом принципе основана работа «левитирующих глобусов» — довольно оригинальных подарков, где к глобусу закреплена магнитная пластина, с которой и взаимодействует электромагнит, невидимый в подставке.
Диамагнитная левитация

Магнитная левитация

Графитовый грифель от обычного карандаша считается диамагнетиком, другими словами веществом, которое намагничивается против внешнего магнитного поля. В конкретных условиях происходит полное вытеснение магнитного поля из материала диамагнетика, к примеру графитовый грифель обладает высокой магнитной чувствительностью, и начинает парить над неодимовыми магнитами даже при температуре 20 градусов.
Для стойкости эффекта магниты нужно собрать как в шахматах (полюса магнитов), тогда графитовый стержень не выскользнет из «магнитной ловушки» и будет левитировать.

Магнитная левитация

Редкоземельный магнит с индукцией всего 1 Тл может висеть между пластинами висмута, а в магнитном поле с индукцией 11 Тл можно между пальцами стабилизовать «левитацию» небольшого неодимового магнита, потому как человеческие руки являются диамагнетиком, как и вода.

Магнитная левитация

Известен достаточно очень популярный навык с левитирующей лягушкой. Животное бережно помещают над магнитом, который создаёт магнитную индукцию больше 16 Тл и лягушка, демонстрируя диамагнитные свойства, практически зависает в воздухе на незначительном расстоянии от магнита.
Левитация магнита над сверхпроводником (эффект Мейснера)
Пластина из оксида иттрия-бария-меди охлаждается до температуры жидкого азота.
В данных условиях пластина становится сверхпроводником. Если теперь уложить неодимовый магнит на подставку над пластиной, а потом подставку из под магнита вынять, то магнит зависнет в воздухе — будет левитировать.

Даже маленькой магнитной индукции порядка 1 мТл достаточно чтобы магнит, будучи положен на пластину, приподнялся над охлажденным высокотемпературным сверхпроводником на пару миллиметров. Чем выше индукция магнита — тем выше он поднимется.

Магнитная левитация

Тут дело в том, что одно из параметров сверхпроводника — выталкивание магнитного поля из сверхпроводящей фазы, и магнит, отталкиваясь от этого магнитного поля противоположного направления вроде бы всплывает и продолжает парить над охлажденным сверхпроводником до той поры, пока он не выйдет из сверхпроводящего состояния.
Левитация в условиях вихревых токов
Вихревые токи (токи Фуко), наводимые переменными магнитными полями в массивных проводниках также могут держать предметы в левитирующем состоянии.
К примеру катушка с электрическим током может левитировать над замкнутым кольцом из алюминия, а металлический диск будет парить над катушкой с электрическим током.

Магнитная левитация
Магнитная левитация

Разъяснение тут такое: согласно законодательству Ленца, индуцируемый в диске или в кольце ток будет создавать такое магнитное поле, что его направление станет мешать причине его вызывающей, другими словами в каждый период колебаний электрического тока в индукторе, в тяжелом проводнике будет индуцироваться магнитное поле противоположного направления. Так, большой и тяжелый проводник или катушка подходящий формы смогут левитировать все время пока включен электрический ток.

Магнитная левитация

Подобный механизм удержания вырисовывается, когда неодимовый магнит роняют в середине трубы из меди — магнитное поле индуцированных вихревых токов направлено противоположно магнитному полю магнита.

Магнитная левитация. Виды и работа. Использование и характерности

Магнитная левитация – это технология, позволяющая приподнимать объекты в воздух при помощи магнитного поля. Само слово «левитация» происходит от английского «levitate», которое переводится как «парить» или «подниматься в воздух».
Практически, данное физическое явление позволяет одолеть гравитацию без использования реактивной тяги или аэродинамики, как это выполняется самолетами, вертолетами и дронами.

Почему происходит магнитная левитация

С физической точки зрения левитация считается стойким положением объекта в гравитационном поле. Практически, сила тяжести возмещается с силами воздействующими на предмет, которые его поднимают. В конкретной точке данные силы уравниваются, за счёт чего объекты зависают.
То понятие, которое ложится в слово «левитация» в чистом виде недостижимо, что давно считается доказанным фактом. На деле парение объекта достигается только путем воздействия на него магнитного поля.
При этом сам предмет, который зависает в воздухе, не обладает характеристиками парить без влияния внешней среды. Он не сможет делать это совершенно в самых разных условиях и на различной высоте.

Условия, которые нужно обеспечить, чтобы реализовать магнитную левитацию, могут разниться. Есть несколько технологий, которые дают возможность достигнуть эффекта парения:
Электромагнитная

Эта технология подъема объекта над поверхностью предполагает использование . Он размещается снизу устройства. На него ложатся легкие предметы из металла. Над электромагнитом при помощи стойки крепится фотоэлемент.
Задача заключительного состоит в подачи и прерывания питания на электрический магнит. Если фотоэлемент улавливает тень, то он включает или выключает питание, что зависит от места его расположения.
Это происходит с периодичностью сразу же.
Рабочий принцип этой технологии предполагает создание краткосрочного воздействия электромагнитного поля на железный объект.

Air Bonsai – парящие деревья, использующие принцип магнитной левитации

Катушка его подталкивает, после этого выключается, и предмет падает вниз. Тут же катушка опять создаёт электромагнитное поле поднимающее объект, и он взлетает.
Цикличное действие нужно чтобы гарантировать возможность контроля расположения парящего предмета. А дело все 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, практически не удаляясь от точки нахождения.

Магнитная левитация

При взгляде со стороны благодаря большой частоте подачи и выключения электромагнитного воздействия, парящий предмет смотрится фактически неподвижным.
Это создаёт впечатление его реальной левитации. Эта технология считается достаточно распространенной во время изготовления подарков. Примером ее реализации считается летающий глобус.
Минус этого способа заключается в конкретной трудности запуска устройства. Нужно закрыть фотодатчик, поднять предмет для левитации, после этого открыть систему фотодатчика. Дальше он возьмёт контроль удержания предмета на себя.
В случае если случаться перебои с электротоком и объект упадет, то после подачи питания он уже не взлетит без вмешательства человека.

Диамагнитная

Для реализации этой технологии используются диамагнетики. Эти вещества намагничиваются против внешнего магнитного поля. Отдельные материалы могут полностью вытеснять собственное магнитное поле.
Примером такого вещества считается графит. Очень известным экспериментом считается магнитная левитация стержня из привычного карандаша. Он зависает над неодимовыми магнитами.
Для этого их следует расставить как в шахматах поворачивая различными полюсами к верху. При подобных условиях стержень не будет вытолкнут за пределы площадки, благодаря этому остается левитировать регулярно.
Неодимовые магниты имеют более стабильное поле, благодаря этому если созданная поверхность как в шахматах станет иметь достаточную площадь, относительно длины графитового стержня, то тот зависнет неподвижно.

Магнитная левитация

Живые создания тоже обладают характеристиками диамагнетиков, благодаря этому под воздействием магнитного поля с высокой индукцией также могут парить.
Примером этого считается научный эксперимент с летающей лягушкой. Для некрупного земноводного достаточно создать индукцию больше 16 Тл, и лягушка начинает парить в воздухе на маленький высоте.

Магнитная левитация

Сверхпроводниковая

Магнитная левитация по этой технологии также известна как метод Мейснера. Эффект парения достигается путем расположения магнита над сверхпроводником. В его качестве применяется оксид иттрия-бария-меди.
Данное вещество получает способность сверхпроводника при снижении его температуры. Чтобы это сделать нужно обеспечение его контакт с жидким азотом.

Магнитная левитация

Эксперимент по левитации предполагает помещение пластины в ванночку с жидким азотом.
Оксид иттрия-бария-меди фактически быстро охлаждается. Если над ним поместить магнит, то тот начнет левитировать.
Высота между магнитом и сверхпроводником конкретно зависят от силы индукции. Чем она больше, тем на большем расстоянии окажется магнит.
Предмет как бы всплывает над сверхпроводником и очень устойчиво парит до момента, пока пластина не остынет, потеряв собственные свойства.

Вихретоковая магнитная левитация

Дополнительным способом создания магнитной левитации считается применение вихревых токов и массивных проводников. Катушка, выдающая вихревой ток может левитировать над замкнутым кольцом из цветмета. Подобная ситуация встречается и с дисками из этого металла, уложенными над большими катушками.

Магнитная левитация

Это вызвано тем, что согласно законодательству Ленца индексируемый в таком случае цветмет будет создавать магнитное поле противоположное от того, что на него действует. Говоря иначе, в каждый период колебания электрического тока в катушке будет создаваться противоположное в направлении магнитное поле.
Потому как они отталкивают друг друга, то очень легкий предмет будет левитировать над тяжёлым.
Дополнительным примером вихревой левитации считается пропускание неодимового магнита через толстостенную трубу из меди.
В данном варианте постоянное парение не происходит, но магнит замедляется. Его падение сквозь трубу напоминает замедленную съемку или погружение в густую жидкость.

Магнитная левитация

Масштабные использование эффекта парения

Магнитная левитация нашла собственное использование не только при разработке подарков. Одним из очень масштабных вариантов применения этой технологии считается современный ЖД транспорт на магнитной подушке. Такой поезд двигается очень тихо, потому как не имеет колес, которые делают трение и стук.

СВЕРХПРОВОДНИК И КВАНТОВАЯ ЛЕВИТАЦИЯ!

Как последствие очень знаменитый проект такого транспорта, который построили в стране восходящего солнца, смог развить скорость в 581 километров в час. Уникальный поезд, который работает по этой технологии на систематическом маршруте, размещается в Шанхае.
Он соединяет метро и аэропорт. Поезд позволяет одолевать расстояние в 30 км между конечными станциями примерно за 7 минут.

�� МАГНИТНАЯ ЛЕВИТАЦИЯ. Эксперимент в домашних условиях.