Левитацията е преодоляване на гравитацията, при което субектът или обектът е в пространството без опора. Думата "левитация" идва от латинското Levitas, което означава "лекота".
Левитацията е грешно да се отъждествява с полета, защото последното се основава на въздушното съпротивление, поради което птиците, насекомите и други животни летят, а не левитират.
Левитация във физиката
Левитацията във физиката се отнася до стабилното положение на тялото в гравитационно поле, докато тялото не трябва да докосва други обекти. Левитацията предполага някои необходими и трудни условия:
- Сила, която може да компенсира гравитационното привличане и силата на гравитацията.
- Силата, която може да осигури стабилността на тялото в пространството.
От закона на Гаус следва, че в статично магнитно поле статичните тела или обекти не са способни да левитират. Въпреки това, ако промените условията, можете да постигнете левитация.
Квантова левитация
Обществеността за първи път разбра за квантовата левитация през март 1991 г., когато беше публикувана интересна снимка в научното списание Nature. На него се виждаше директорът на изследователската лаборатория за свръхпроводимост в Токио, Дон Тапскот, стоящ върху керамична свръхпроводяща плоча и между пода и плочата нямаше нищо. Снимката се оказа истинска и плочата, която заедно с стоящия върху нея режисьор тежеше около 120 килограма, можеше да левитира над пода благодарение на ефекта на свръхпроводимост, известен като ефекта на Майснер-Оксенфелд.
Диамагнитна левитация
Това е името на типа окачване в магнитното поле на тяло, съдържащо вода, което само по себе си е диамагнит, тоест материал, чиито атоми могат да бъдат намагнетизирани срещу посоката на главния електромагнит поле.
В процеса на диамагнитна левитация основна роля играят диамагнитните свойства на проводниците, чиито атоми под действието на външно магнитно поле леко променят параметрите на движението на електроните в молекулите си, което води до появата на слабо магнитно поле, противоположно по посока на основното. Ефектът на това слабо електромагнитно поле е достатъчен за преодоляване на гравитацията.
За да демонстрират диамагнитна левитация, учените многократно провеждаха експерименти върху малки животни.
Този тип левитация е използван в експерименти върху живи обекти. По време на експериментите ввъншно магнитно поле с индукция от около 17 Тесла, беше постигнато окачено състояние (левитация) на жаби и мишки.
Съгласно третия закон на Нютон, свойствата на диамагнитите могат да се използват обратно, тоест да левитира магнит в полето на диамагнит или да го стабилизира в електромагнитно поле.
Диамагнитната левитация е идентична по природа с квантовата левитация. Тоест, както при действието на ефекта на Мейснер, има абсолютно изместване на магнитното поле от материала на проводника. Единствената малка разлика е, че за постигане на диамагнитна левитация е необходимо много по-силно електромагнитно поле, но изобщо не е необходимо да се охлаждат проводниците, за да се постигне тяхната свръхпроводимост, какъвто е случаят с квантовата левитация.
У дома можете дори да настроите няколко експеримента за диамагнитна левитация, например, ако имате две плочи от бисмут (който е диамагнит), можете да настроите магнит с ниска индукция, около 1 T, в окачено състояние. Освен това, в електромагнитно поле с индукция от 11 Tesla, можете да стабилизирате малък магнит в окачено състояние, като регулирате позицията му с пръсти, като същевременно не докосвате магнита изобщо.
Често срещащите се диамагнити са почти всички инертни газове, фосфор, азот, силиций, водород, сребро, злато, мед и цинк. Дори човешкото тяло е диамагнитно в правилното електромагнитно магнитно поле.
Магнитна левитация
Магнитната левитация е ефективнаметод за повдигане на обект с помощта на магнитно поле. В този случай магнитното налягане се използва за компенсиране на гравитацията и свободното падане.
Според теоремата на Ърншоу е невъзможно да се държи обект постоянно в гравитационно поле. Тоест левитацията при такива условия е невъзможна, но ако вземем предвид механизмите на действие на диамагнитите, вихровите токове и свръхпроводниците, тогава може да се постигне ефективна левитация.
Ако магнитната левитация осигурява повдигане с механична опора, това явление се нарича псевдолевитация.
ефект на Мейснер
Ефектът на Майснер е процес на абсолютно изместване на магнитното поле от целия обем на проводника. Това обикновено се случва по време на прехода на проводника в свръхпроводящо състояние. Това е, което свръхпроводниците се различават от идеалните - въпреки факта, че и двата нямат съпротивление, магнитната индукция на идеалните проводници остава непроменена.
За първи път това явление е наблюдавано и описано през 1933 г. от двама немски физици - Майснер и Оксенфелд. Ето защо квантовата левитация понякога се нарича ефект на Майснер-Оксенфелд.
От общите закони на електромагнитното поле следва, че при липса на магнитно поле в обема на проводника, в него присъства само повърхностен ток, който заема пространство близо до повърхността на свръхпроводника. При тези условия свръхпроводникът се държи по същия начин като диамагнит, но не е такъв.
Ефектът на Мейснер е разделен на пълен и частичен, вв зависимост от качеството на свръхпроводниците. Пълният ефект на Мейснер се наблюдава, когато магнитното поле е напълно изместено.
Високотемпературни свръхпроводници
В природата има малко чисти свръхпроводници. Повечето от техните свръхпроводящи материали са сплави, които най-често проявяват само частичен ефект на Мейснер.
В свръхпроводниците способността за пълно изместване на магнитното поле от неговия обем разделя материалите на свръхпроводници от първия и втория тип. Свръхпроводниците от първия тип са чисти вещества, като живак, олово и калай, способни да демонстрират пълния ефект на Мейснер дори във високи магнитни полета. Свръхпроводниците от втория тип най-често са сплави, както и керамика или някои органични съединения, които в условия на магнитно поле с висока индукция са способни само частично да изместят магнитното поле от своя обем. Въпреки това, при условия на много ниска сила на магнитното поле, почти всички свръхпроводници, включително тип II, са способни на пълния ефект на Майснер.
Известно е, че няколкостотин сплави, съединения и няколко чисти материала имат характеристиките на квантовата свръхпроводимост.
Опитът с ковчега на Мохамед
"Ковчегът на Мохамед" е един вид трик с левитация. Това беше името на експеримента, който ясно демонстрира ефекта.
Според мюсюлманската легенда, ковчегът на пророка Мохамед е бил във въздуха в неизвестност, без никаква подкрепа и подкрепа. Точнооттук и името на преживяването.
Научно обяснение на опита
Свръхпроводимост може да се постигне само при много ниски температури, така че свръхпроводникът трябва да се охлади предварително, например с високотемпературни газове като течен хелий или течен азот..
След това върху повърхността на плосък охладен свръхпроводник се поставя магнит. Дори в полета с минимална магнитна индукция, която не надвишава 0,001 Тесла, магнитът се издига над повърхността на свръхпроводника с около 7-8 милиметра. Ако постепенно увеличавате силата на магнитното поле, разстоянието между повърхността на свръхпроводника и магнита ще се увеличава все повече и повече.
Магнитът ще продължи да левитира, докато външните условия се променят и свръхпроводникът загуби своите свръхпроводими характеристики.
