Магнит, парящий в воздухе между кончиками пальцев. Эта «левитация кончика пальца» разрушает один из самых прочных предрассудков в физике: стабильная левитация Магнита невозможна. Иллюстрированный принцип также позволяет использовать магнитные подшипники без трения, которые находят свой путь в высокотехнологичные устройства, потому что они пассивны и дешевы.
Согласно общим законам физики, магнит не может левитировать. Уравнения Максвелла этого не допускают. Конец дискуссии. Так называемая теорема Эрншоу недвусмысленно утверждает, что, как ни старайся, невозможно добиться устойчивой левитации Магнита в системе, управляемой стационарными электрическими, магнитными и гравитационными силами.
Попробуйте сами
Вы можете попробовать почувствовать это в простом эксперименте. Возьмите два магнита и попробуйте поднять один из них, приблизившись к другому магниту сверху. Сила притяжения между магнитами легко допускает ситуацию, в которой нижний Магнит практически невесом (верхний магнит тянет его вверх, компенсируя гравитационную силу). Однако нижний магнит не может оставаться в этом невесомом состоянии более крошечной доли секунды: он либо подпрыгивает и прилипает к верхнему магниту,либо падает. И нет никакого способа повесить Магнит в воздухе, какую бы хитрую конфигурацию с дополнительными магнитами вы ни попробовали. Это обычно называют «неустойчивым равновесием» и чем-то напоминает ситуацию с мячом на вершине холма, который всегда пытается скатиться вниз.
Обмануть природу
Мы нашли способ обмануть природу и» сломать » теорему Эрншоу. Как описано в статье » магнитная левитация на кончиках ваших пальцев (pdf, 139 КБ)», мы стабилизируем левитацию Магнита с помощью диамагнитных сил, создаваемых, казалось бы, немагнитным материалом:человеческими пальцами. С научной точки зрения мы используем нелокальное взаимодействие Магнита с диамагнитной средой, возможность которого ранее не рассматривалась. Так что беспокоиться не о чем: уравнения Максвелла все-таки уцелели.
Левидот: левитирующая игрушка и в то же время прототип миниатюрных магнитных подшипников без трения. В отличие от левитации летающей лягушки, эта левитация не требует экстремальных магнитных полей.
Основная идея нового типа левитации удивительно проста. Возьмем Магнит в невесомом, но неустойчивом положении, о котором говорилось выше, и поместим его между двумя диамагнитными пластинами. (см. фотографию)
Магнит и диамагнет всегда отталкивают друг друга. Поэтому, если плавающий Магнит пытается упасть вниз, нижняя графитовая пластина слегка подталкивает его вверх и предотвращает падение, не касаясь его. Если магнит пытается подпрыгнуть к верхнему магниту, верхняя пластина также препятствует этому. По сути, диамагнитные пластины работают как саморегулирующиеся стабилизаторы, что позволяет пренебречь теоремой Эрншоу. Что действительно противоречит интуиции в этой ситуации-особенно для физиков — так это то, что мельчайшие силы, создаваемые практически немагнитной материей и очень быстро распадающиеся с расстоянием, достаточны для поддержания тонкого баланса между магнитными и гравитационными силами.
На фотографии показан прототип нового поколения (пассивных) магнитных подшипников, основанных на описанном принципе. В отличие от сверхпроводящих подшипников, нет необходимости охлаждать устройство жидким азотом или гелием и отсутствует магнитное трение. С другой стороны, конструкция гораздо проще, чем для активных магнитных подшипников, и не требует сложной электроники. Важно отметить, что нет никаких ограничений ни по размеру, ни по весу левитирующих объектов, и не требуются очень сильные магнитные поля. Наши магнитные подшипники могут быть изготовлены только из постоянных магнитов и по своей природе не имеют трения. Они могут быть размером менее сантиметра (для поддержки высокоскоростных роторов) или много метров (для поддержки маховиков для накопления энергии весом во много тонн). Последнее потребовало бы множества постоянных магнитов, распределенных над тяжелыми левитирующими объектами. Конечно, диамагнетически стабилизированная левитация вряд ли будет панацеей для любого применения, где ранее рассматривались магнитные подшипники. Однако в некоторых случаях они могут взять верх или быть включены в дизайн в других.
Левитация? Полегче!
Чтобы показать, как легко достичь левитации (когда вы знаете, как!) и продемонстрировать, что левитация действительно находится у вас под рукой для практического применения, мы создали буквальную иллюстрацию этого, левитируя магнит между кончиками пальцев. Человеческие пальцы примерно в 20 раз менее диамагнитны, чем графит, и поэтому требуется очень большой магнит, помещенный сверху. Он создает 500 Гауссов (в 200 раз больше магнитного поля Земли) в том месте, где стоит исследователь. Эта левитация кончика пальца, конечно, трюк, но она посылает сообщение-Мы надеемся, — что наука не должна быть скучной или чрезмерно сложной, чтобы быть новой. С другой стороны, миниатюрные магнитные подшипники без трения, подобные этому прототипу на картинке, скорее всего, найдут свой путь в домашних хозяйствах и, надеюсь, не только в качестве левитирующих игрушек, но и в качестве несущих деталей в некоторых приборах.
Дополнительная информация
Эта работа была выполнена Андреем Геймом (Неймеген) и Саймоном Мартином (Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе) в сотрудничестве с Мариусом Боамфой и Ли Хефлингером. Для более научного объяснения левитации кончика пальца, пожалуйста, прочтите объяснение Мартина Саймона и нашу статью в Nature 400, 323-324 (22 июля 1999 года) (pdf, 139 КБ).
https://www.ru.nl/hfml/research/levitation/diamagnetically-stabilised-levitation/
Загрузка...
