Диамагнитная левитация - это явление, при котором диамагнетики, то есть вещества, слабо отталкивающиеся магнитным полем, могут парить над сильным постоянным или переменным магнитом. Это происходит из-за того, что диамагнетики создают внутри себя противоположное магнитное поле, которое компенсирует силу тяжести.
Диамагнитная левитация может быть наблюдена с помощью различных материалов, таких как вода, висмут, пиролитический графит, а также с живыми организмами, такими как лягушки, растения и даже человек. Для этого необходимо использовать магниты с высокой индукцией, порядка нескольких тесла.
Диамагнитная левитация имеет много потенциальных применений в науке и технологии, таких как создание сверхпроводящих устройств, магнитных подвесов, биомедицинских исследований и других. Однако она также представляет собой интересный и занимательный физический эксперимент, который можно провести дома или в школе.
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.
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.
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
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).
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.
Пирографиту (графит особой структуры с магнитной восприимчивостью около 95*10-5) для парения над магнитами достаточно еще меньшей индукции — всего 0,5 Тл.
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 — 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.
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:
Соответственно, для левитации должно выполняться условие:
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.
Однако, для достижения таких высоких значений магнитной индукции и градиента поля необходимы сильные постоянные магниты или электромагниты с большим током. Кроме того, диамагнетики обладают свойством анизотропии, то есть их магнитная восприимчивость зависит от направления магнитного поля. Это означает, что диамагнетик может левитировать только в определенном положении относительно магнита.
Для обеспечения устойчивости левитации необходимо также учитывать силы, возникающие при смещении диамагнетика в горизонтальном направлении. Если эти силы стремятся вернуть диамагнетик в положение равновесия, то левитация называется статически устойчивой. Если же эти силы отталкивают диамагнетик от положения равновесия, то левитация называется статически неустойчивой и требует дополнительных механизмов стабилизации, таких как вращение, колебание или обратная связь.
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
Андрей Повный