Левитация реферат по физике
Обновлено: 05.07.2024
В наши дни неконтактный подвес — это уже не экзотика, а красивая инженерная задача, решенная во многих технических устройствах. Трудно даже представить себе те грандиозные преобразования, которые произойдут при широком внедрении левитации в технике. Но в современном мире существует проблема, которая заключается в потреблении большего бюджета для создания магнитных рельсов.
Таким образом, исследование транспорта на магнитной подушке является актуальным.
Проблема: недостаток опыта и знаний в решение модифицировать старый продукт существующей инфраструктуры.
Цель: исследовать возможность использования магнитной левитации на транспорте при незначительной модификации существующей инфраструктуры.
1. Изучение свойств магнитной левитации.
2. Изучение сферы применения с магнитной левитации.
3. Изучение информации, которая связана с устойчивостью тел в магнитных системах.
4. Создание собственной модели транспорта на магнитном подвесе.
ГЛАВА 1. Магнитная левитация
Левитация в истории
В этой легенде была впервые сформулирована задача о левитации — задача о свободном парении твердых тел в гравитационном поле Земли.
Великая тайна левитации в ХХ веке перестала быть большим секретом. Магнитный подвес ферритовых тел был реализован в тридцатых годах нашего столетия, а в 1945 году московский ученый В.К. Аркадьев создал неконтактный подвес, используя явление сверхпроводимости. Он заставил "левитировать" небольшой постоянный магнит над сверхпроводящим свинцовым диском (фотография этого эксперимента получила известность под названием "гроб Магомета").
Магнитный транспорт с электродинамической левитацией в максимальной степени удовлетворяет требованиям, предъявляемым мировым сообществом к современным видам транспорта. Речь идет о безопасности на транспорте, о защите окружающей среды и сохранении энергетических ресурсов, об использовании земельных площадей для транспортных систем.
Магнитный транспорт с электродинамической левитацией представляет собой принципиально новый вид транспорта — фундаментальную новинку в области транспортных технологий. Здесь новизна, прежде всего, состоит в том, что подвес, направление и движение транспортного средства обеспечиваются бесконтактным способом, т. е. взаимодействие подвижного состава и путевой структуры осуществляется посредством магнитного поля. Это стало возможным благодаря воплощению в технические решения таких достижений науки и техники, как сверхпроводимость, криогенная, микропроцессорная, преобразовательная и компьютерная техника [1].
Если в большинстве из перечисленных учреждений исследования были в основном теоретического характера, то в Днепропетровске и Харькове (совместно с Институтом атомной энергии им. И.В. Курчатова) решались практические задачи по созданию транспортных главного определяющего узла рассматриваемого транспорта. В данной работе решено уделить внимание теоретическим исследованиям тягово-левитационного узла, опытно-конструкторским работам по созданию транспортных магнитных систем, а также экспериментальных и испытательных стендов.
Актуальность этой работы определяется двумя причинами. Во-первых, создание магнитного транспорта с магнитной левитацией находится еще на начальном этапе. Несмотря на то, что мировые лидеры в этой области инженерной деятельности вышли на последний этап воплощения в коммерческий проект идей и научно-технических наработок всего мирового сообщества, любые научные результаты расширяют знания и рождают идеи, реализация которых укрепляет позиции этого транспорта на общем рынке транспортных услуг. Во-вторых, именно в столь сложной экономической ситуации для страны важно обобщение проведенных ранее исследований и фиксация выработанных в ходе этих исследований научных положений, которые при необходимости в дальнейшем могут служить отправной точкой для развития таких экзотических на сегодняшний день технологий, как магнитный транспорт с левитацией.
Оглядываясь на историю развития этого транспорта, можно отметить, что перечень проблем, решаемых исследователями, на разных этапах изменялся со временем, и вряд ли сейчас возможно даже приблизительно дать их полный перечень [3].
Теорема Ирншоу
Известные в настоящее время неконтактные подвесы можно разделить на три категории: электростатические, электромагнитные и криогенные. Эти типы подвесов как бы определяют три магистральных направления, по которым наука и техника штурмуют проблему левитации. Каждый из перечисленных подвесов имеет свои преимущества и недостатки, свою область применения.
Начнем с электростатического подвеса. Здесь одно из главных препятствий, возникающих перед разработчиками, заключается в природе электростатического поля, которая запрещает существование устойчивого равновесия электрических зарядов под действием одних только электрических сил. Этот факт носит в физике название теоремы Ирншоу, которая утверждает, что нельзя создать электрическое поле, в котором электрические заряды находятся в устойчивом равновесии и, следовательно, любые положения равновесия зарядов являются неустойчивыми. Физический смысл теоремы Ирншоу становится более ясным, если вспомнить, что разноименные заряды притягиваются со все возрастающей силой вплоть до взаимной нейтрализации или уничтожения, одноименные же отталкиваются вплоть до удаления в бесконечность.
Аналогичная ситуация имеет место и в гравитационном поле, где материальные тела притягиваются по закону всемирного тяготения. Устойчивость Солнечной системы обеспечивается лишь вечным движением планет.
Здесь следует оговориться, что в 1839 году, когда английский физик и математик Ирншоу (S. Earn- shaw) выступал с докладом "О природе молекулярных сил, определяющих физическое строение светоносного эфира", его не интересовала проблема левитации. Он пытался найти природу сил, которые делают материю устойчивой. Оказалось, что для сил, убывающих обратно квадрату расстояния между взаимодействующими точками, система не может находиться в устойчивом положении равновесия. Теорема Ирншоу сыграла большую роль в развитии теории атома, так как именно из этой теоремы следует, что атом не может быть "построен" из неподвижных зарядов, связанных между собой только электрическими силами, и должен представлять собой не статическую, а динамическую систему.
Масса тел, которые успешно подвешиваются в вакуумированных электростатических подвесах, обычно не превышает сотни грамм. Для подвеса больших тел, масса которых измеряется тоннами, применяют магнитные подвесы. Такие подвесы удерживают модели самолетов в аэродинамических трубах, валы мощных турбин и т.п.
Магнитные подвесы, в свою очередь, можно разделить на электродинамические и электромагнитные. Электродинамические подвесы основаны на известном явлении электромагнитной индукции. Если тело, содержащее контур с переменным током, перемещать над проводящей полосой, то по закону индукции в полосе появятся вихревые токи со своим собственным электромагнитным полем. Это поле, взаимодействуя с первичным контуром, создает подъемную силу, направленную вверх, и тормозящую силу, препятствующую движению. С ростом скорости контура растет и подъемная сила, которая является силой отталкивания, а тормозящая сила возрастает и, достигнув максимума на некоторой критической скорости, начинает убывать как квадратный корень из скорости левитирующего тела.
Электродинамический подвес может обеспечить взвешивание тела только после достижения телом некоторой пороговой скорости.
Электромагнитный подвес основан на свойстве магнита или электромагнита притягиваться к железному (ферримагнитному) сердечнику. Чтобы парировать неустойчивость электромагнитного подвеса, также необходимо динамическое регулирование магнитным полем в зависимости от зазора между левитирующим телом и магнитами системы подвеса. В электромагнитных подвесах используются как пассивные системы регулирования, основанные на резонансных свойствах специально настроенных колебательных контуров, так и активные системы автоматического управления, которые могут управляться ЭВМ. При зазорах в 10 — 15 мм затраты мощности на подвешивание составляют лишь 1 — 3 кВт на 1 т веса левитирующего тела. Недостатком магнитных подвесов являются неизбежные потери из- за вихревых токов, возникающих при движении твердого тела в магнитном поле. Поэтому, в отличие от электростатического подвеса, для поддержания вращения тел в магнитном подвесе надо постоянно расходовать энергию.
Здесь исключение составляют магнитные подвесы диамагнитных тел (диамагнетик — это тело, магнитная проницаемость которого μ
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Выполнили : Меньшикова Ульяна Андреевна,
учащаяся 10 класса
Руководитель: Меньшикова Вера Андреевна
учитель физики, математики, информатики
2.Применение магнитной левитации…………………………………………. 7
2.1Использование магнитной левитации при конструкции поездов……8
2.2Использование магнитной левитации в энергетике………………….9
2.3 Использование магнитной левитации………………………………….9
Актуальность исследования: Физика изучает мир, в котором мы живем, явления, в нем происходящие, открывает законы, которым подчиняются эти явления. Главная задача физики - познать законы природы, свойства различных веществ и поставить их на службу человеку. Поэтому мы хотим выяснить какое физическое явление лежит в основе полета воздушного скейтборда, и где это явление используется в реальной жизни.
Объект исследования : Магниты и магнитное поле.
Предмет исследования: Явление магнитной левитации и область ее применения.
Задачи исследования :
Изучить явление, которое лежит в основе воздушного скейтборда
Проанализировать литературу по данной теме
Провести опыты по изучению магнитной левитации
Выяснить где и как применяется магнитная левитация.
Методы исследования: изучение и анализ информации, проведение опытов.
Теоретическая значимость заключается в анализе литературы. Практическая значимость заключается в формулировке выводов по результатам исследования, и наблюдение магнитной левитации.
Основная часть.
Магнитная левитация.
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.
Сложность практического осуществления магнитной левитации состоит в том, что само по себе статическое магнитное поле не в состоянии противостоять силе притяжения.
Для этого магнитное давление слишком неустойчиво и нестабильно, оно не может быть сфокусированным в одной точке пространства. Однако с помощью внедрения дополнительных элементов эту проблему можно решить, то есть стабилизировать магнитное поле и с его помощью зафиксировать предмет в гравитационном поле. Это означает, что посредством магнитного поля, обладающего динамической устойчивостью, можно фактически создать область невесомости. Динамическая устойчивость магнитного поля достигается различными способами. Наиболее распространено внедрение в систему электрического тока с помощью сверхпроводящих материалов (имеющих нулевое электрическое сопротивление при определённой температуре). Также используются электромагнитные установки, регулируемые электронной системой стабилизации.
Дело в том, что сверхпроводники при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, полностью теряют электрическое сопротивление. Явление сверхпроводимости открыл в 1911 г. Хейке Камерлинг-Оннес. Суть его состояла в том, что некоторые вещества при охлаждении до температуры ниже 20 Кельвин теряют всякое электрическое сопротивление. Как правило, при охлаждении металла его электрическое сопротивление постепенно уменьшается. Дело в том, что направленному движению электронов в проводнике мешают случайные колебания атомов. При уменьшении температуры размах случайных колебаний уменьшается, и электричество испытывает меньшее сопротивление. Но Камерлинг-Оннес, к собственному изумлению, обнаружил, что сопротивление некоторых материалов при определенной критической температуре резко падает до нуля.
При передаче на большие расстояния в линиях электропередачи теряется значительное количество электроэнергии. Но если бы сопротивление удалось устранить, электроэнергию можно было бы передавать в любое место почти даром. Вообще, возбужденный в замкнутом контуре электрический ток мог бы циркулировать в нем без потерь энергии миллионы лет. Более того, из этих необычайных токов несложно было бы создать магниты невероятной мощности. А имея такие магниты, можно было бы без усилий поднимать громадные грузы.
Несмотря на чудесные возможности сверхпроводников, применять их очень непросто. Держать большие магниты в баках с чрезвычайно холодными жидкостями очень дорого. Чтобы сохранять жидкости холодными, потребуются громадные фабрики холода, которые поднимут стоимость сверхпроводящих магнитов до заоблачных высот и сделают их использование невыгодным.
Применение магнитной левитации.
Использование магнитной левитации при конструкции поездов.
Впервые идею состава, использующего линейный двигатель, подал (и даже запатентовал) немецкий инженер-изобретатель Альфред Зейн. И было это в 1902 году. После этого разработки электромагнитного подвеса и поезда, оснащенного им, появлялись с завидной регулярностью: в 1906 г. Франклин Скотт Смит предложил еще один прототип, между 1937 и 1941 гг. ряд патентов по этой же теме получил Герман Кемпер, а чуть позже британец Эрик Лэйзвейт создал работающий прототип двигателя в натуральную величину. В 60-х он же участвовал в разработке Tracked Hovercraft, который должен был стать самым скоростным поездом, но так и не стал, поскольку из-за недостаточного финансирования в 1973-м проект был закрыт.
Только шесть лет спустя, причем снова в Германии, был построен поезд на магнитной подушке, получивший лицензию на пассажирские перевозки. Испытательный трек, проложенный в Гамбурге, имел длину меньше километра, но сама идея так вдохновила общество, что поезд функционировал и после закрытия выставки, успев за три месяца перевезти 50 тысяч людей. Скорость его, по современным меркам, была не так уж велика – всего 75 км/ч.
Не выставочный, а коммерческий маглев (так нарекли поезд, использующий магнит), курсировал между аэропортом Бирмингема и железнодорожной станцией с 1984 г., и продержался на своем посту 11 лет. Длина пути была еще меньше, всего 600 м, а над полотном поезд поднимался на 1,5 см.
В дальнейшем ажиотаж по поводу поездов на магнитной подушке в Европе поутих. Зато к концу 90-х ими активно заинтересовалась такая страна высоких технологий как Япония. На ее территории уже проложены несколько довольно протяженных трасс, по которым летают маглевы, использующие такое явление как левитация магнитная. Этой же стране принадлежат и скоростные рекорды, поставленные данными поездами. Последний из них показал скоростной режим более 550 км/ч (приложение 2).
Использование магнитной левитации в энергетике.
Не менее интересным практическим направлением можно считать широкое применение магнитных подшипников в ключевых узлах механизмов. Их установка решает серьезную проблему износа исходного материала.
Как известно, классические подшипники истираются довольно быстро – они постоянно испытывают высокие механические нагрузки. В некоторых областях необходимость замены этих деталей обозначает не только дополнительные расходы, но и высокий риск для людей, которые обслуживают механизм. Магнитные подшипники сохраняют работоспособность во много раз дольше, так что их применение весьма целесообразно для любых экстремальных условий. В частности, в атомной энергетике, ветровых технологиях либо отраслях, сопровождаемых чрезвычайно низкими/высокими температурами (приложение 3).
Использование магнитной левитации.
Магнитную левитацию применяют для эффектности при проведении выставок. Экспонаты попросту парят над тумбами, что придает зрелищности (приложение 4)
Практическая часть
Мы проделали четыре несложных опыта по наблюдению магнитной левитации.
Первый самый простой – это отталкивание одного магнита от другого с опорой (приложение 5) .
Он заключается в том, что магнит большего диаметра лежит на опоре, а магнит меньшего диаметра располагают рядом с большим, направив их друг к другу разноименными полюсами.
Второй это зависание небольшого магнита над магнитом большего диаметра в горизонтальной плоскости (приложение 6).
Кольцевой магнит большего диаметра закрепляется на опоре, а магнит меньшего диаметра надевают на стержень, направив его к большему магниту разноименными полюсами и маленький магнит начинает парить над большим.
Третий – это парение карандаша над магнитами (приложение 7).
Этот опыт сложнее, так как нужно два одинаковых магнита закрепить на стенке деревянного бруса направив друг к другу разными полюсами, но прижав их шайбой вплотную. На стержень карандаша надевается небольшой магнит. Затем карандаш вносят в поле магнитов и добавляют опору для стержня. Карандаш зависает в поле магнитов.
Самый наглядный пример магнитной левитации, которая создается на постоянных магнитах — это так называемый левитрон. Эту игрушку придумал американский изобретатель почти 30 лет назад. В основе конструкции всего два кольцевых магнита. Большой лежит строго горизонтально, а маленький вращается и зависает над ним. Что же его удерживает от падения? За счет чего достигается такой эффект?
Естественно, постоянные магниты направлены друг к другу одноименными полюсами, что и заставляет их отталкиваться. Но для устойчивой магнитной левитации этого мало. Большой кольцевой магнит создает особую форму магнитного поля. Другими словами образуется магнитная впадина или потенциально яма, на дне которой волчок и находят свою устойчивость. Но это всего лишь позволяет ему не свалиться в сторону.
Решающим фактором для стабильной левитации является вращение самого волчка, вследствие чего возникает в гироскопический эффект, благодаря ему волчок не опрокидывается, хотя постоянно к этому стремится, и как только трение, а воздух притормозит его вращение, сила магнитного притяжения возьмет верх.
Для создания левитрона мы взяли три больших кольцевых постоянных магнита, один магнит диаметром 10 миллиметров пластмассовую подставку.
Дальше располагаем на больших магнитах подставку и на ней запускаем волчок, затем медленно поднимаем волчок при помощи подставки вверх и убираем ее в сторону. Волчок начинает свободно парить над магнитами (приложение 8).
Исследование левитации. Левитация в домашних условиях
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В прошлом году в рамках своего проекта я исследовал магнетизм. Я узнал, что такое магнит и даже сам создал необычное вещество - ферромагнитную жидкость. Исследование магнетизма оказалось настолько интересным, что я решил продолжить свою исследовательскую деятельность в этом направлении. Изучая литературу, я узнал о таком явлении, как магнитная левитация, и выяснил, что её можно использовать во благо сохранения планеты. 2017 год был годом экологии в России.[1] И хотя он уже закончился, множество проблем ещё только предстоит решить. Также я выяснил, что существуют и другие виды левитации. Я был под таким впечатлением, что решил воссоздать это явление в домашних условиях. Обо всех своих открытиях я хочу рассказать в новом проекте.
Актуальность
Цель исследования – создать условия для левитации в домашних условиях. При воспроизведении явления квантовой левитации использовать магниты разной формы при одинаковом сверхпроводнике.
Гипотеза – можно воспроизвести явление левитации в домашних условиях.
Задачи:
1. Изучить литературу по теме исследования;
2. Узнать, что такое левитация;
3. Выяснить, какие виды левитации существуют;
4. Узнать, что такое сверхпроводники;
5. Изучить области применения явления левитации на практике;
6. Провести эксперименты по воспроизведению явления левитации;
7. Сделать вывод о возможности такого явления, как левитация, в том числе квантовая, в домашних условиях;
8. Провести исследование явления квантовой левитации.
Предмет исследования – что необходимо для демонстрации явления левитации
Объект – высокотемпературный сверхпроводник, магнит, жидкий азот, воздушный шарик, диск.
Практическая ценность – состоит в проведении эксперимента, в результате которого будет доказано, что явление левитации возможно воспроизвести в домашних условиях. Также будет доказана возможность практического использования явления квантовой левитации.
Методы исследования:
Теоретические – изучение специальной литературы, обобщение и систематизация материала по данной теме.
Эмпирические – проведение эксперимента, описание, сравнение и формулирование выводов.
1 Теоретическая часть
1.1 Что такое левитация
Левитация – это явление, при котором предмет без видимой опоры парит в пространстве, не касаясь твёрдой или жидкой поверхности. Левитацией не считается полёт насекомых или птиц, совершаемый за счёт отталкивания от воздуха.
1.2 Виды левитации
Изучая литературу, я узнал, что для левитации необходимо наличие силы, которая компенсирует силу тяжести. Источниками таких сил могут быть струи воздуха, сильные звуковые колебания, лазерные лучи, магнитное поле. В зависимости от этого левитация может быть:
Акустическая. Основана на образовании в воздухе стоячих волн. Максимальный вес, который поднимали таким образом, не превышает нескольких граммов, причем звуковые волны могут находиться и вне слышимого диапазона.
Оптическая. Преодоление гравитации за счет светового давления. Мощный лазер может удерживать в воздухе частицу воды или масла диаметром порядка 50 микрометров. Это явление может найти практическое применение в сфере нанотехнологий.[6]
Электростатическая. Происходит за счёт отталкивания одинаковых зарядов.
Магнитная, диамагнитная или с использованием сверхпроводников (квантовая).[5] Как я рассказывал в прошлом проекте, диамагнетики - вещества, которые слабо отталкиваются от магнита.[3] Так вот, диамагнитная левитация - тип левитации в сильном магнитном поле тела, содержащего в себе диамагнетик, например, воду. В очень сильных магнитных полях способны левитировать почти любые предметы. Вот, к примеру, лягушка левитирующая внутри круглого электромагнита.
1.3Практическое применение магнитной левитации
Магнитная левитация нашла на данный момент наибольшее практическое применение. Остановимся на ней подробнее. Это явление заключается в преодолении гравитации с помощью воздействия на предмет магнитного поля. Такая технология используется, например:
В магнитных подшипниках, что даёт им замечательные качества. Таким подшипникам не нужна смазка, при их использовании нет потерь на трение. Также они дают высокую скорость при малом энергопотреблении и очень низком уровне вибрации.[4] Вот почему эти подшипниеи уже нашли применение в различном оборудовании, например, в оптических системах высокой точности и в лазерных установках.
В ветрогенераторе на магнитной подвеске. Большое преимуществом магнитной подвески в том, что это снижает затраты на обслуживание и повышает срок службы генератора. Несколько таких ветряных турбин есть в Китае.
В устройстве маглева. Маглев - это поезд, удерживаемый над полотном дороги, движимый и управляемый силой магнитного поля.[5] Такой состав во время движения не касается поверхности рельса, что позволяет исключить трение между ними, и единственной тормозящей силой является сопротивление воздуха. Эти поезда расходуют очень мало электроэнергии, что могло бы вложить немалый вклад в ресурсосбережение. Ведь в настоящее время поиск новых источников энергии – одна из главных задач в решении экологических проблем.
Разные страны пытались реализовать проект маглева, но наибольших успехов пока добились Китай и Япония. В Китае уже есть две линии скоростных поездов маглев. Одна из них, Шанхайская, является самой быстрой коммерческой дорогой такого типа. Поезд с пассажирами развивает скорость 431 км/ч.
Японскому же маглеву принадлежит рекорд скорости, которая в эксперименте достигла 603 км/ч.
Я считаю, что из-за больших расстояний в России технология поездов на магнитной подушке является очень перспективной в нашей стране. Достаточно успешные разработки ведутся в Санкт-Петербурге. Ученые уже создали прототип грузового маглева, а в дальнейшем обещают сконструировать и пассажирский. Благодаря этим успехам в сентябре 2018 года в России впервые пройдет Международная конференция Maglev, которую проводят с 1977 года.[14]
1.4 Квантовая левитация – великое научное достижение
Сначала стоит раскрыть понятие сверхпроводимости, открытой в 1911 году. Она заключается в способности некоторых веществ при очень низких температурах проводить электричество без сопротивления, то есть становиться сверхпроводниками.[10] Но нулевое сопротивление - не единственная отличительная черта сверхпроводников. Одна из их интересных особенностей была открыта только в 1933 году и названа – эффект Мейснера (квантовая левитация). При переходе вещества в сверхпроводящее состояние, из его объема полностью вытесняется магнитное поле.[11] И тогда, если поместить магнит над сверхпроводником, магнит будет парить в воздухе. При этом он будет стабильно удерживаться магнитным полем, не вылетая в сторону.[13]
Очевидно, что, в случае квантовой левитации, магнит удерживается над сверхпроводником за счёт появления в пространстве вокруг последнего магнитного поля. Разберёмся в механизме возникновения этого поля. Если по проводнику течёт электрический ток, то вокруг проводника появляется магнитное поле. Проводник с током превращается в магнит. В 1831 году английским физиком-экспериментатором Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции. Оно заключается в том, что при приближении, или удалении магнита по отношению к катушке, состоящей из множества витков, в ней возникает электрический ток. Этот ток называется индукционным. А значит, катушка превращается в магнит. Следовательно, катушка и постоянный магнит будут взаимодействовать, т.е. притягиваться или отталкиваться. Можно предположить, что то же самое происходит в случае, когда мы наблюдаем квантовую левитацию. Если магнит падает на сверхпроводник, то в этом сверхпроводнике возникает магнитное поле, которое будет его отталкивать. Сила притяжения, действующая со стороны Земли, будет уравновешиваться силой отталкивания. В результате магнит будет парить над сверхпроводником до тех пор, пока не исчезнет индукционный ток в сверхпроводнике. Это случится, когда испарится жидкий азот, и сверхпроводник нагреется, потеряв свои свойства. Подробнее причины этого явления я обязательно изучу, когда стану старше.
Когда было совершено открытие квантовой левитации, сверхпроводники охлаждали жидким гелием с температурой кипения почти -270ºС. Гораздо позже был открыт новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных. Конечно, температуры воздействия на них все еще довольно низкие, но главное, что они выше -196ºС, точки кипения дешёвого жидкого азота.
1.5 Возможное практическое применение квантовой левитации
Сверхпроводимость, на мой взгляд, очень интересная особенность некоторых веществ. Основная их отрицательная черта – низкая температура перехода в сверхпроводящее состояние. Но я уверен, что ученые скоро преодолеют этот недостаток, и тогда новые технологии, обязательно, изменят нашу жизнь к лучшему!
Я задумался над тем, где можно было бы применить квантовую левитацию, если откроют сверхпроводник, который не надо охлаждать. Вот, что я придумал:
Покрытие сверхпроводящим веществом взлётно-посадочной полосы аэродрома позволит использовать гораздо меньше места для строительства аэропортов. Ведь самолёт сможет разгоняться до нужной скорости намного быстрее, когда исчезнет трение шасси о землю. Так как при взлёте самолёт тратит больше топлива, чем за час полёта, такая технология была бы более экологичной.
Покрытие автодорог позволит передвигаться по ним как обычным автомобилям, так и экологичным маглев-мобилям. Маглев-мобиль - это не только отсутствие трения, но и вредных выбросов, а также необходимости менять резину и утилизировать старую.
2 Практическая часть
2.1 Эксперимент: левитация в домашних условиях. Аэродинамическая левитация
Итак, мы выяснили, что собой представляет явление левитации. И, конечно же, мне захотелось самому его понаблюдать. Сначала мы решили провести эксперимент по созданию эффекта аэродинамической левитации.
1) Необходимое оборудование и материалы
крышка от бутылки с водой
2) Приклеиваем крышку к CD-диску, надеваем на неё воздушный шарик. Шарик закрепляем изолентой.
3) Для устойчивости продеваем шарик сквозь картонную трубку
5) Как только весь воздух выходит из шарика, наше устройство останавливается
6) Вывод: нам удалось воссоздать явление аэродинамической левитации в домашних условиях. При этом наше устройство смогло передвигаться даже по потолку.
2.2 Эксперимент: левитация в домашних условиях. Квантовая левитация
А теперь, перейдём, наверное, к самой интересной части нашего проекта – создание эффекта квантовой левитации в домашних условиях.
1) Необходимое оборудование и материалы
сверхпроводник (оксид иттрия-бария-меди)
ёмкость из пенопласта
чашка из фольги
жидкий азот в термосе со специальной крышкой
2) Кладем сверхпроводник в чашку из фольги и проверяем его взаимодействие с магнитом.
Магнит не левитирует, а спокойно лежит на сверхпроводнике
4) Аккуратно подносим магнит точно над серединой сверхпроводника и отпускаем его
5) Наблюдаем явление квантовой левитации, используя магниты разной формы
6) Как только жидкий азот испаряется, температура керамики повышается, и она теряет свои сверхпроводящие свойства, а магнит перестаёт парить над её поверхностью
7) Вывод: нам удалось воссоздать явление квантовой левитации в домашних условиях.
2.3 Исследование квантовой левитации
После создания эффекта квантовой левитации в домашних условиях, я решил исследовать это явление. В ходе исследования я нашёл ответы на несколько вопросов:
а) Зависит ли возможности квантовой левитации от массы магнитов при одинаковом сверхпроводнике?
Используя точные электронные весы, измеряем массу сверхпроводника и всех наших магнитов. Чтобы устранить воздействие магнитных волн на весы, мы применили прослойку из пенопласта, сбросив её массу.
Проверили возможность квантовой левитации каждого магнита.
Выяснилось следующее: из семи магнитов лишь с шестью мы смогли создать эффект левитации. Магнит с самой большой массой (52,39 г) не левитировал над сверхпроводником, а лежал сверху.
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.
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.
Читайте также: