Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Электрические аппараты | Электрические машины
Автоматизация | Робототехника | Возобновляемая энергетика | Тренды, актуальные вопросы | Научно-популярные статьи | Контакты



 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / Справочник электрика / Полезная информация / Что такое диамагнитная левитация и как это возможно


 Школа для электрика в Telegram

Что такое диамагнитная левитация и как это возможно


Для начала имеет смысл упомянуть классический эффект Мейснера, при котором из объема проводника, пребывающего в сверхпроводящем состоянии, полностью вытесняется магнитное поле, в которое он помещен.

Так, если над охлажденной до критической температуры пластиной из оксида иттрия-бария-меди, ставшей в этих условиях сверхпроводником, разместить магнит, то он сможет парить в воздухе, преодолевая силу тяжести.

Оксид иттрия-бария-меди имеет критическую температуру 93К, поэтому жидкого азота с его 77,4 К с избытком хватает для сообщения пластине нужной температуры, при которой она становится сверхпроводником.

Диамагнитная левитация

Суть эффекта Мейснера состоит в том, что наведенное в пластине из сверхпроводника магнитное поле будет вытеснено и направлено навстречу магнитному полю постоянного магнита. По этой причине, пока сверхпроводник является таковым (что обусловлено его температурой), магнит сможет продолжать над ним парить.

Магнитная восприимчивость различных химических веществ

Но существует и другой эффект, называемый диамагнитной левитацией. Этот эффект внешне очень похож на эффект Мейснера. Более того, природа диамагнитной левитации - та же, что и у эффекта Мейснера.

Напомним, что диамагнетики — это такие вещества, которые намагничиваются против направления внешнего магнитного поля, при этом степень намагничивания зависит от магнитной восприимчивости вещества.

Однако, в отличие от эффекта Мейснера, для демонстрации и наблюдения диамагнитной левитации не нужно ничего охлаждать, ведь проявление диамагнитных свойств у известных веществ не требует их нахождения при низких температурах.

Так, диамагнитная левитация при комнатной температуре в качестве единственного и главного условия для своего проявления требует лишь относительно сильного внешнего магнитного поля.

Диамагнитная левитация используется во многих экспериментах, где она служит для компенсации земной гравитации и позволяет таким образом имитировать условия невесомости в наземной лаборатории. Рассмотрим несколько таких экспериментов.

Наблюдение диамагнитной левитации

Демонстрация диамагнитной левитации

Если взять небольшой неодимовый магнит с индукцией в 1 Тл и разместить его между двумя кусками висмута, так, чтобы висмут перекрывал магнит сверху и снизу, то магнит сможет парить в этой щели, преодолевая силу земного притяжения.

Для справки: магнитная восприимчивость висмута в 9,5 раз больше, чем у золота и в 52,5 раза больше, чем у меди (см. таблицу выше).

Неодимовые магниты

При такой же магнитной индукции в 1 Тл кусок графитового стержня от простого карандаша можно устойчиво подвесить в воздухе над неодимовыми магнитами, расставленными так, чтобы их полюса располагались в шахматном порядке.

Диамагнитная левитация

Пирографиту (графит особой структуры с магнитной восприимчивостью около 95*10-5) для парения над магнитами достаточно еще меньшей индукции — всего 0,5 Тл.

Левитация магнита между пальцами

Если взять маленький магнит, который может уместиться между пальцами, да такой, чтобы он обладал индукцией в 11 Тл, то этот магнит можно стабилизировать в левитирующем состоянии просто разместив его между пальцами.

Вода - диамагнетик

Вода — известный диамагнетик. Внешнее магнитное поле влияет на движение электронов в ее молекулах. В результате у воды появляется слабое собственное магнитное поле, направление которого противоположно приложенному внешнему.

Левитация лягушки

Эффект диамагнитного отталкивания воды в сильном магнитном поле, когда становится возможным преодолеть силу тяжести, можно наблюдать в известных экспериментах с левитирующей лягушкой (в лягушке есть достаточно воды) и левитирующей каплей воды из лаборатории Университета Неймегена (Нидерланды).

В их экспериментах применялось магнитное поле от катушки Биттера со внутренним диаметром 32 мм с индукцией около 16 Тл. Оригинальная работа, проведенная исследователями института, была впервые опубликована в Physics World в апреле 1997 года.

Условия возможности диамагнитной левитации

Для того, чтобы диамагнитный объект смог левитировать в магнитном поле с неким градиентом напряженности, необходим определенный баланс между силой F, действующей на диамагнетик со стороны магнитного поля, и силой тяжести mg.

Иными словами, сила тяжести должна быть скомпенсирована магнитной силой в вертикальном направлении.

Магнитная сила, действующая на диамагнетик, и зависящая как от вертикального градиента магнитной индукции, так и от магнитной восприимчивости, вычисляется через магнитный момент следующим образом:

Магнитная сила, действующая на диамагнетик

Соответственно, для левитации должно выполняться условие:

Условия возможности диамагнитной левитации

Учитывая, что магнитная восприимчивость большинства известных диамагнетиков имеет порядок 10-5, а плотность — порядка нескольких г/м3, получаем необходимый градиент поля от 1000 до 10000 Тл/м. Приняв размер для вычисления градиента B за 10 см, получаем, что для левитации диамагнетиков достаточно магнитной индукции от 1 до 10 Тл.

Смотрите также:

Что такое диамагнетизм и диамагнитные материалы

Бесконтактные магнитные подшипники: устройство, возможности, достоинства и недостатки

Магнитная левитация на транспорте - маглев, системы Хальбаха и Inductrack