Диамагнитная Левитация

Содержание

1 Урок №1: все может левитировать
2 Как летает лягушка?
- 2.1 Гравитация против магнитной силы
3 Почему вы использовали лягушку?
4 Что еще можно сделать с диамагнетизмом?
5 Будет или не будет левитировать: объяснение для гиков
6 Справочная информация

Видеть — значит верить: маленькая лягушка (живая!) и водяной шар левитируют внутри вертикального отверстия диаметром 32 мм Горького соленоида в магнитном поле около 16 Тесл.

Эти фотографии воды и лягушки, парящей внутри Магнита (не на борту космического корабля), являются первыми наблюдениями магнитной левитации живых организмов в среде комнатной температуры. Они несколько противоречат интуиции. Как они могут левитировать?

Урок №1: все может левитировать

Можно магнитно левитировать любой материал и любое живое существо на земле. Молекулярный магнетизм присутствует всегда, хотя он очень слаб и обычно остается незамеченным. Это может создать у вас впечатление, что материалы вокруг нас в основном немагнитны. Но это не так. Все они притягательны. Мы называем их «диамагнитными». С достаточно высокими магнитными полями можно левитировать все диамагнитные материалы. В нашей лаборатории мы разрабатываем и строим магниты, которые имеют очень высокие магнитные поля. Мы используем его для исследования молекул и материалов. И покажи миру левитирующую лягушку.

Как летает лягушка?

Чтобы объяснить, мы должны начать с самого начала. Вся материя во Вселенной состоит из маленьких частиц, называемых атомами. Каждый атом содержит электроны, которые вращаются вокруг ядра, называемого ядром. Если вы помещаете атом в магнитное поле (или большой кусок материи, содержащий миллиарды и миллиарды атомов), электронам, делающим свои круги внутри, это не очень нравится. Они изменяют свое движение в противоположном направлении от внешнего воздействия. Они создают собственное магнитное поле. Атомы ведут себя как маленькие магнитные иглы, направленные в направлении, противоположном магнитному полю. Есть несколько материалов (например, железо), атомы которых немного сумасшедшие и любят находиться в магнитном поле. Их магнитные «иглы» ориентированы в одном направлении. Но это исключения из общего правила.

Гравитация против магнитной силы

Магниты отталкивают друг друга, если вы пытаетесь свести вместе их похожие полюса, два северных или два южных полюса. Точно так же Северный полюс внешнего поля будет пытаться оттолкнуть «северные полюса » намагниченных атомов. Наши магниты создают очень большое магнитное поле (примерно в 100-1000 раз больше, чем бытовые магниты). В этом поле все атомы внутри лягушки действуют как очень маленькие магниты, создавая небольшое поле. Вы можете сказать, что лягушка теперь состоит из этих крошечных магнитов, все из которых отталкиваются большим магнитом. Сила, называемая диамагнитной силой, которая направлена вверх, оказывается достаточно сильной, чтобы компенсировать силу тяжести (направленную вниз), которая также действует на каждый атом лягушки. Таким образом, атомы лягушки вообще не чувствуют никакой силы, и лягушка плавает, как будто она находится в космическом корабле. Маленькая лягушка выглядела уютно внутри Магнита и после этого счастливо присоединилась к своим собратьям-лягушкам на биологическом факультете. Есть более основательное объяснение? Тот, что с формулами, можно найти ниже.

Почему вы использовали лягушку?

Как бы ни были распространены биологические исследования, лягушки-редкие клиенты в физических лабораториях, и вы можете задаться вопросом, почему мы левитировали лягушек, а не «что-то научное». Мы приносим извинения тем, кто считает, что» настоящая физика » должна включать в себя только неясные вещества и всегда быть скучной.Левитация диамагнитного материала была впервые продемонстрирована в 1939 году, когда маленькие шарики графита и висмута были левитированы в электромагните (исторические подробности читайте в «физике сегодня»).Ученым потребовалось еще 50 лет, чтобы заново открыть левитацию, когда физики из Гренобля подняли несколько органических материалов с помощью диамагнитной силы.

Когда мы, в свою очередь, заново открыли левитацию (не зная о предыдущих экспериментах) с левитирующей водой, мы были поражены, обнаружив, что 90% наших коллег не верили, что вода может левитировать. Мы хотели, чтобы люди знали об этом явлении. Мы левитировали живую лягушку и другие не очень научные объекты, такие как различные растения, лягушки, рыбы и мыши, из-за их очевидной привлекательности для более широкой аудитории и в надежде, что исследователи из различных дисциплин, а не только физики, никогда не забудут эту часто пренебрегаемую силу и возможности, которые она предлагает.

Что еще можно сделать с диамагнетизмом?

Диамагнитная левитация отличается от любого другого известного способа левитации или парения вещей. Гравитационная сила компенсируется на уровне отдельных атомов и молекул. Это, по сути, самое близкое, что мы можем — вероятно, когда — либо-приблизиться к научно-фантастической антигравитационной машине. Поэтому не всегда нужно организовывать космический полет для изучения эффектов микрогравитации– некоторые эксперименты можно проводить внутри Магнита. Как выращивание кристаллов или тканей тела без каркаса.

Будет или не будет левитировать: объяснение для гиков

Будет ли объект левитировать или не будет левитировать в магнитном поле B, определяется балансом между магнитной силой F = M∇B и гравитацией mg = pV g, где ρ-плотность материала, V-объем и g = 9,8 м/с2. Магнитный момент M = (χ / Μ₀ )VB так, что F = (χ / µ₀ )BV∇B = (χ / 2μ₀ )V∇B 2. Поэтому вертикальный градиент поля ∇B 2, необходимый для левитации, должен быть больше 2 мкм₀ pg/χ. Молекулярная восприимчивость χ обычно составляет 10-5 для диамагнетиков и 10-3 для парамагнитных материалов, и, поскольку ρ чаще всего составляет несколько г/см3, их магнитная левитация требует градиентов поля

1000 и 10 Т 2 /м соответственно. Принимая l = 10 см в качестве типичного размера магнитов высокого поля и ∇B 2

B 2 /l в качестве оценки мы находим, что поля порядка 1 и 10T достаточны для того, чтобы вызвать левитацию пара — и диамагнетиков. Этот результат не должен вызывать удивления, потому что, как мы знаем, магнитные поля менее 0,1 Тл могут левитировать сверхпроводник (χ= -1), и, исходя из приведенных выше формул, магнитная сила возрастает с увеличением B2.