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.

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.

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.

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.

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.

Пластина из оксида иттрия-бария-меди охлаждается до температуры жидкого азота. В этих условиях пластина . 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.

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.

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.

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

Андрей Повный

arky_titan в Магнитная левитация

Вот этот эффект я просто обожаю. На днях откопали среди шурушков застарелую таблетку иттрий-бариевого оксидного купрата (YBCO), которая, несмотря на ужасные условия хранения, сохранила немного сверхпроводящих свойств.

В связи с этим я незамедлительно провел серию экспериментов по подвешиванию магнитиков в воздухе (магнитной сверхпроводниковой левитации).

Зависает магнит следующим образом. Берётся тёплый сверхпроводник, находящийся при температуре выше критической. То есть выше той, при которой он переходит в состояние сверхпроводимости.

В этом состоянии он является очень плохим проводником тока с невероятно-слабыми магнитными свойствами. Силовые линии магнитного поляв внешнего магнита проходит через него практически без искажения.

Берутся так же магнитик и пласмасска определенной толщины. Магнит кладется на сверхпроводник (или наоборот), а между ними пластмасска. Затем сверхпроводник охлаждается жидким азотом. Температура кипения жидкого азота -195.8°С, а критическая температура YBCO около -184°C.

Сверхпроводимость характеризуется так назыаемым эффектом Мейснера - полным выталкиванием магнитного поля из толщи сверхпроводника. Так что магнитный поток, который до этого свободно проходил через сверхпроводник оказывается в необычном положении. Он достаточно силён, чтобы немного помешать полному переходу сверхпроводника в сверхпроводящее состояния при данной темепературе и не вытесниться из обёма полностью. Но недостаточно силён, чтобы разрушить сверхпроводимость полностью.

И тут происходит чудо. Внутри сверхпрводника возникает множество крохотных участков, которые не являются сверхпроводящими. В них стягиваются магнитные линии внешнего магнита. Но так как вокруг них весь остальной материал сверхпроводящий, вокруг этих зон начинают циркулировать токи, создающие точно такое же поле, только обратного направления, чтобы скомпенсировать внешнее поле и не позоволить ему проникнуть вглубь.

Силовые линии при этом стягиваются в эти точки, каждая из которых может пропустить через себя не какое-то произвольную, а строго квантованную величину магнитного потока. Квант магнитного потока - фундаментальная постоянная, определяемая постоянной Планка и зарядом электрона. Через каждую такую зону может проходить только кратное количество квантов. А из энергетических соображений в данном случае может проходить только один квант через каждый.

Эти структуры - с крохотной нормальной зоной, несущей квант магнитного потока и циркулирующий вокруг него незатухающий ток называются вихрями Абрикосова.

Чудо заключается в том, что т.к. токи незатухающие, то сверхпроводник "запоминает" профиль поля магнита и в точности его копирует. В силу сверхпроводимости, единожды образовавшись ток уже не затухает, поэтому сверхпроводник будет препятствовать изменению магнитного потока.

Иначе говоря, если вы придвините магнит ближе и попробуете вдавить больше силовых линий, он будет отталкиваться. Если же начнете удалять и, таким образом уменьшать магнитный поток, он будет притягиваться. Даже если с силой удалить магнит в который "вморозился" поток постоянного магнита, то когда вы вернете его на место, он впрыгнет туда же, где он изначально стоял.

Если же приблизить магнит достаточно близко и с силой, то можно "вдавить" немного магнитного поля в сверхпроводник, разрушив чуть больше сверхпроводимости. Тогда вихрей Абрикосова в объёме добавится и высота будет чуть ниже.

Когда вихрей абрикосова становится так много, что они оначинают перекрываться, это момент полного разрушения сверхпроводимости в сверхпроводнике второго рода внешним магнитным полем.

Церковные низкотехнологичные чудеса отдыхают:)

Сегодня для вас очередной эксперимент, который, надеемся, заставит вас задуматься. Это динамическая левитация в магнитном поле. В этом случае один кольцевой магнит располагается над таким-же, но большим по размеру. Продаются магниты дешевле в этом китайском магазине .

Это типичный левитрон, который уже был ранее показан (материал ). Большой магнит и маленький. Они направлены друг к другу одноименными полюсами, соответственно отталкиваются, за счет этого и происходит левитация. Присутствует, естественно, магнитная впадина, или потенциальная яма, в которую верхний магнитик садится. Другой момент, это то, что он вращается за счет гироскопического момента, он какое-то время не переворачивается, пока у него скорость не снизится.

В чем замысел эксперимента?

Если мы вращаем волчок только для того, чтобы он не перевернулся, возникает вопрос. А зачем? Если можно взять какую-то спицу, например, деревянную. К ней жестко прикрепить верхний магнитик, а снизу повесить грузчик расположить эту конструкцию над вторым. Таким образом он тоже по идее должен висеть, а нижний грузик не будет давать ему переворачиваться.

Нужно будет очень точно выставить баланс массы этого волчка. Получилось бы магнитная левитация без затрат энергии.

Как это устроено?

Вот кольцевой магнит, в него жестко вставлена деревянная спица. Далее пластинка из пластика с отверстием для стабилизации спицы. И на конце – грузик. Кусочек пластилина для более удобной регулировки подбора массы. Можно откусывать по чуть-чуть и подобрать такую массу всей этой конструкции, чтобы маленький кольцевой магнитик попадал четко в зону левитации.

Давайте его аккуратно поместим внутрь нижнего магнита, он как бы зависает. Кусочком оргстекла можно попытаться стабилизировать его положение. Но вот стабилизации по горизонтали это ему почему-то не придает.

Если убрать пластинку и вернуть все обратно, то магнитик вместе с осью, на которой он покоится, будет сваливаться вбок. Когда он вращается, он почему-то в магнитной яме стабилизируется. Хотя, обратите внимание, при этом вращении он двигается со стороны в сторону, наверное, миллиметров на пять. Точно также он колеблется и в вертикальном положении сверху вниз. Создается такое впечатление, что это магнитная яма имеет определенный люфт. Стоит верхнему магниту попасть в яму, оне его захватывает и удерживает. Остается лишь гироскопическим моментом добиться того, чтобы этот магнит не переворачивался.

В чем была суть эксперимента?

Проверить, если мы сделаем показанную конструкцию с осью, она фактически она выполняет тоже самое, не давая магниту перевернуться. Она выводит его в зону потенциальной ямы, мы подбираем вес этой конструкции. Магнитик находится в яме, но, попадая в нее, почему-то не стабилизируется по горизонтали. Все равно это конструкция сваливается в сторону.

Проведя этот эксперимент, возникает главный вопрос: почему же такая несправедливость, когда этот магнит как волчок вращается, он зависает в потенциальной яме, все отлично стабилизируется и захватывается; а когда создаются те же условия, все тоже самое, то есть масса и высота, яма как будто пропадает. Он просто выталкивается.

Почему нет стабилизации верхнего магнита?

Предположительно, это происходит потому, что невозможно сделать магниты идеальными. Как по форме, так и по намагниченности. Поле имеет какие-то изьяны, перекосы и поэтому в нем не могут два наших магнита найти равновесное состояние. Они обязательно будут соскальзывать, поскольку между ними нет трения. А при вращении левитрона поля как бы сглаживаются, верхняя часть конструкции не успевает при вращении сойти в сторону.

Это понятно, но что мотивировало автора видео сделать этот эксперимент, это наличие потенциальной ямы. Была надежда, что у этой ямы есть какой-то запас прочности для удержания конструкции. Но, увы, этого почему-то не произошло. Хотелось бы почитать ваше мнение об этой загадке.

Есть еще материал на эту тему.

В самом деле?
Некоторые вещи, как железные гвозди известны своими магнитными свойствами, но почему лягушки должны парить в магнитном поле? Хитрость заключается в том, чтобы получить сильное магнитное поле. Вы не можете просто использовать любой старый ферритовый магнит, чтобы заставить лягушку левитировать.

Лягушки, как и все вокруг и внутри нас, состоят из миллионов и миллиардов атомов. Каждый из этих атомов содержит электроны, которые находятся вокруг центрального ядра, но когда атомы находятся в магнитном поле, электроны слегка сдвигают их орбиты. Эти сдвиги дают атомам их собственное магнитное поле так, как когда лягушку помещают в очень сильном магнитном поле, она, по существу, состоит из множества крошечных магнитов. И в этом нет ничего особенного у лягушек. Все материалы - в том числе клубника, вода и золото - это "диамагнитны" до некоторой степени, но некоторые из них более удобны для левитации, чем другие.

Лягушки удобны не только потому, что они имеют высокое содержание воды в организме, что является хорошим диамагнитным материалом, но также и потому, что они легко помещаются внутри трубчатого электромагнита. Электромагниты потребляют больше напряжение электрического тока, чтобы создать чрезвычайно сильное магнитное поле, которое таким образом намагничивает лягушку, - намагничивание в противоположном направлении по отношению к приложенному полю. Это означает, что намагниченная лягушка выталкивается вверх из области высокого магнитного поля, и взлетает.

Верь глазам своим:
Маленькая лягушка (жива!) И водный шар левитируют внутри Ø32mm вертикального канала горького соленоида в магнитном поле около 16 Тесла на Верховного Магнит лаборатории полевой Неймеген.
Образ высокотемпературного сверхпроводника левитирующей выше магнита в тумане жидкого азота вряд ли можно кого-то удивить в эти дни - это стало известно, что сверхпроводники являются идеальными диамагнетиками и магнитное поле должно изгнать их. С другой стороны, вложенные фотографии воды и лягушки зависания внутри магнита (не на борту космического корабля), несколько нелогичным и, возможно, займет много людей (даже физики) врасплох. Это первое наблюдение магнитной левитации живых организмов, а также первые снимки диамагнетиков левитировать в нормальной, комнатной температуры окружающей среды (если не брать в расчет историю о полете Гроб Мухаммеда как таких доказательств, конечно). На самом деле, можно левитировать магнитно каждый материал и все живое на земле в связи с всегда присутствует молекулярной магнетизма. Молекулярная магнетизм очень слаб (миллионов раз слабее ферромагнетизма) и, как правило, остается незамеченным в повседневной жизни, таким образом, создавая ложное впечатление, что материалы вокруг нас, в основном, немагнитных. Но все они магнитные. Это просто, что магнитные поля, необходимые для левитировать все эти «немагнитных» материалы должны быть примерно в 100 раз больше, чем в случае, скажем, сверхпроводников.

Будь объект будет или не будет левитировать в магнитном поле B определяется балансом между магнитной силы F = M ∇ B и тяжести мг = ρV г, где ρ -плотность материала, V -объем и г = 9,8 / с 2 . Магнитный момент М = (χ / μ 0) В.Б. , так что F = (χ / μ 0) Б.В. ∇ B = (χ / 2μ 0) В ∇ B 2 . Таким образом, вертикальный градиент поля ∇ B 2 , необходимое для левитации должен быть больше, чем 2μ 0 ρ г / χ. Молекулярные восприимчивости χ обычно являются 10 -5 для диамагнетиков и 10 -3 для парамагнетиков и, так как ρ чаще всего несколько г / см 3 , их магнитной левитации требуется полевые градиенты ~ 1000 и 10 Т 2 / м соответственно. Принимая л = 10 см как типичный размер сильного поля магнитов и ∇ B 2 ~ B 2 / л в качестве оценки, мы находим, что поля порядка 1 и 10Т достаточно, чтобы вызвать левитации пара-и диамагнитных. Этот результат не должен быть сюрпризом, потому что, как мы знаем, магнитные поля менее 0.1T может левитировать сверхпроводник (χ = -1) и, из приведенных выше формул, магнитная сила увеличивается B 2.

Самый простой и 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? Игорь Белецкий высказывает на видео идеи практической реализации левитрона и проводит опыты.

Естественно, постоянные магниты направлены друг к другу одноименными полюсами, что и заставляет их отталкиваться. Но для устойчивой 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 сторон.
Решающим фактором для стабильной левитации является вращение самого волчка, вследствие чего возникает в гироскопический эффект, благодаря нему волчок не опрокидывается, хотя постоянно к этому стремится, и как только трение а воздух притормозит его вращение, сила магнитного притяжения возьмет верх.
Было бы заманчиво найти практическое применение такому подвесу. Например, сделать бесконтактный маховик – накопителя энергии. Но беда в том, что что по схеме левитрона, когда большой магнит удерживает маленький, не получается подвесить массивное тело. Сила отталкивания крайне мала – жалкие 30 грамм. Это предел. Нагрузишь больше и система сложится, а увеличивать габариты магнита непрактично и дорого. Но как же так? Неодимовые магниты обладают просто чудовищной силой отталкивания, и это действительно так.

Продаются магниты дешевле в этом китайском магазине .
Автор видео Игорь Белецкий попытался реализовать динамическую левитацию по принципу магнитного подвеса, расположив ось вращения вертикально.Вес маховика легко компенсируется двумя маленькими кольцевыми магнитами, а вот осевую стабилизацию должны были обеспечить небольшие магниты на концах оси. Плюс гироскопический эффект от вращения самого маховика. К сожалению, проведя множество экспериментов, он так и не добился желаемого. Возможно, он снова выбрал не самую удачную схему, потому что, чем больше в системе магнитов, а значит и напряжений, тем сложнее ее уравновесить.

Самый простой и дешевый способ магнитного подвеса предложил еще профессор механики Нурбей Гулия. Он просто перенес всю массу маховика на кольцевые магниты, а осевую стабилизацию оставил за обычными подшипниками, что вполне логично, ведь при вертикальной оси вращения нагрузка на них минимальная, как и потери на трение. Это, конечно, не чистая левитация, но что то весьма близкое. Автор ролика быстро собрал похожую конструкцию и убедился в ее практичности. Вместо подшипников для стабилизации оси он использовал графитовые втулки. Трение у них действительно минимально. Теперь бы еще поместить всё в безвоздушную капсулу и получится настоящий накопитель механической энергии. А потом, для полного счастья, было бы логично сделать бесконтактный отбор мощности. Самый простой способ – превратить маховик в магнитный ротор. Например, добавим катушку индуктивности и получим генератор, который при необходимости сможет работать и как электромотор для раскрутки маховика накопителя. Но это уже совсем другая история.