Эксперимент с магнитной левитацией: удивительное зрелище дома. Левитрон своими руками: самодельная схема устройства для левитации в магнитном поле

Магнитная левитация своими руками

Какой выбрать

Для начала нужно раздобыть подходящий сверхпроводник. Открыватели высокотемпературной сверхпроводимости запекали смесь оксидов в специальной печи, но для простых опытов мы рекомендуем купить готовые сверхпроводники. Они выпускаются в виде поликристаллической керамики, текстурированной керамики, сверхпроводящих лент первого и второго поколения.

Поликристаллическая керамика стоит недорого, но и параметры у нее далеки от рекордных: уже небольшие магнитные поля и токи могут разрушить сверхпроводимость. Ленты первого поколения тоже не поражают своими параметрами. Совсем другое дело — текстурированная керамика, она имеет наилучшие характеристики. Но для развлекательных опытов она неудобна, хрупка, деградирует со временем, и самое главное — найти ее в свободной продаже довольно сложно. А вот ленты второго поколения оказались идеальным вариантом для максимального числа наглядных опытов. Этот высокотехнологичный продукт умеют производить всего четыре компании в мире, в том числе российская «СуперОкс». И, что весьма важно, свои ленты, сделанные на основе GdBa2Cu3O7-x, они готовы продавать в количестве от одного метра, чего как раз хватает для проведения наглядных научных экспериментов.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Магнитная левитация
Сверхпроводящая лента второго поколения имеет сложную структуру из множества слоев различного назначения. Толщина некоторых слоев измеряется нанометрами, так что это самые настоящие нанотехнологии.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Calor Fuga

Свет не только давит на предметы, но и нагревает их — благодаря этому тоже можно устроить левитацию. Дело в том, что когда одна сторона находящегося в воздухе тела нагрета сильнее, чем другая, то молекулы газа отскакивают от нее в среднем быстрее — так возникает фотофоретическая сила.

При этом более нагретой стороной не обязательно становится та, на которую падает свет. Так, в 2004 году ученые Осакского университета пронаблюдали отрицательный фотофорез — миграцию микроскопических капель в лазерном пучке к источнику излучения. Разумеется, такое поведение не смогло бы обеспечить радиационное давление — ведь фотоны в лазерном пучке летят от источника, а значит только отталкивают каплю от него.

Заставить молекулы отскакивать от одной поверхности тела быстрее, чем от другой, может не только разница в температуре. В середине февраля американские физики продемонстрировали, как диски диаметром в полсантиметра левитируют в вакуумной камере при давлении в десятитысячные доли атмосферного, хотя разница в температуре их поверхностей была пренебрежимо мала.

Полимерный диск весом 0,3 микроньютона левитирует при давлении 30 паскалей и интенсивности излучения порядка солнечной

Mohsen Azadi et al. / Science Advances, 2021

Поделиться

Достичь этого удалось благодаря структуре дисков: снизу их покрывали слоем из углеродных трубок с нанометровыми неоднородностями, а сверху — гладким полимерным материалом. В результате, несмотря на почти одинаковые температуры верхнего и нижнего слоя, молекулы все равно отскакивали от них по-разному — этого хватило, чтобы с помощью светодиодов преодолеть тяготение и заставить диски левитировать.

Так авторы показали возможность левитации под действием солнечного света в мезосфере, верхнем слое воздушной оболочки Земли. Она уже слишком разрежена для самолетов и воздушных шаров, но еще слишком плотна для космических спутников. Возможно, теперь путь в мезосферу будет открыт для подобных компактных аппаратов — они смогут, например, собирать атмосферные данные для метеорологов и климатологов.

Магнитная левитация

Однажды я увидел устройство, в котором магнит парил в воздухе и, задавшись вопросом, как это сделано, решил проверить некоторые теории. После многих проб и ошибок мне удалось получить то, что вы можете видеть на Рисунке 1.

Магнитный левитатор Магнитный левитатор Магнитный левитатор
Рисунок 1. Магнитная левитация в действии.

Основные элементы устройства – катушка, создающая магнитное поле, и установленный на ее торцевой поверхности линейный датчик Холла, необходимый для обнаружения поля постоянного магнита. Под контролем этого датчика при приближении постоянного магнита ток катушки выключается, магнит начинает падать, удаляясь от катушки, и катушка включается опять, эффективно удерживая магнит «подвешенным» в воздухе.

Эмалированным медным проводом сечением 0.45 мм я намотал небольшую катушку (Рисунок 2). Ее размеры и количество витков не столь важны, как электрическое сопротивление, которое должно быть достаточно большим, чтобы ограничить ток, забираемый от источника питания. Я стремился не выйти за пределы 0.5 А при напряжении питания 5 В, для чего сопротивление должно было находиться в диапазоне от 10 до 15 Ом (5 В/0.5 А = 10 Ом).

Магнитный левитатор
Рисунок 2. Электромагнитная катушка.

Однако, поскольку схема теперь доработана таким образом, чтобы в отсутствие магнита ток катушки выключался, ее сопротивление можно снизить, но до значения не менее 5 Ом.

Поскольку собственной мощности катушки недостаточно, ее требуется дополнить металлической пластиной. Я вырезал стальной диск толщиной 5 мм с диаметром, равным внешнему диаметру катушки, хотя диаметр может быть и немного меньше (Рисунок 3).

Магнитный левитатор
Рисунок 3. К нижней части катушки должна быть
прикреплена металлическая пластина.

Магнит левитирует в узком интервале расстояний, в котором сам не способен примагнититься к пластине, и нуждается в небольшой помощи поля катушки, поддерживающей его в «подвешенном» состоянии.

К металлическому диску крепится датчик Холла, плоская сторона которого должна быть обращена в сторону катушки (Рисунки 4, 5).

Магнитный левитатор
Рисунок 4. Эта сторона датчика должна быть обращена
к катушке.
 
Магнитный левитатор
Рисунок 5. Эта сторона датчика должна «смотреть»
на магнит.

Для удобства я установил датчик в пластиковый диск (Рисунок 6), который вырезал из акрилового листа, но можно обойтись и просто клеем или двухсторонним скотчем.

Магнитный левитатор
Рисунок 6. Датчик установлен скругленными гранями
в сторону магнита.

Очень важно установить датчик по центру катушки и ее металлического сердечника.

Первоначально я пытался считывать сигнал датчика Холла и управлять катушкой через транзистор с помощью системы PICAXE, выпускаемой фирмой Revolution Education на основе микроконтроллера PIC, но PICAXE оказалась слишком медленной. Тогда я решил воспользоваться операционным усилителем (ОУ) LM358, и это дало желаемый результат.

Конструкция получилась очень простой. Я обнаружил, что когда магнит левитирует, схема, в зависимости от веса объекта, потребляет всего 50…150 мА. Но если магнит убрать, управляющий транзистор полностью открывается, средний ток увеличивается, и стабилизатор 5 В начинает перегреваться.

Поэтому схема была переработана (Рисунок 7). Чтобы отключать катушку при отсутствии магнита, я использовал второй операционный усилитель микросхемы LM358.

Рисунок 7. Принципиальная схема устройства.

Вся схема, включая катушку, питается напряжением 5 В, стабилизированным микросхемой LM7805, максимальный ток которой не должен превышать 0.5 А.

В отсутствие внешнего поля выходное напряжение линейного датчика Холла UGN3503U равно примерно половине напряжения питания 5 В. Если к датчику поднести магнит, выходное напряжение увеличивается или уменьшается, в зависимости от того, каким полюсом магнит направлен к датчику (северным или южным). В этой схеме при приближении магнита напряжение должно повышаться, поэтому подносить магнит к датчику нужно южным полюсом.

Выход датчика подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя (ОУ1), на неинвертирующий вход которого подается напряжение с делителя напряжения R1/R2. Подстроечный резистор R2 используется для уравновешивания в точке левитации разных по размерам и весу магнитов и объектов.

Выход ОУ1 через резистор 1 кОм соединен с базой транзистора BD681, управляющего включением катушки. Здесь подойдет практически любой NPN транзистор или MOSFET с допустимым током не менее 1 А.

Второй операционный усилитель микросхемы (ОУ2) используется для слежения за частотой переключения транзистора Q1. Для этого выходное напряжение ОУ1, эффективно сглаженное RC-фильтром R9/С4 (100 кОм/1 мкФ), подается на неинвертирующий вход ОУ2.

На инвертирующий вход ОУ2 поступает напряжение с делителя R7/R8, в одно плечо которого включен подстроечный резистор. Пока ток катушки, управляемый выходом ОУ1, пульсирует, стремясь удерживать магнит в подвешенном состоянии, аналоговое напряжение на неинвертирующем входе ОУ2 ниже установленного делителем на инвертирующем входе. Но если убрать магнит, напряжение на этом входе увеличится, поскольку ОУ1 будет пытаться вернуть магнит на место, непрерывно открывая транзистор управления током катушки, колебания прекратятся, и выходное напряжение ОУ1 станет постоянно высоким. В результате напряжение на неинвертирующем входе ОУ2 превысит напряжение на инвертирующем, и уровень выходного сигнала переключится на высокий. К выходу ОУ2 через резистор 5.1 кОм подключена база NPN транзистора BC337, коллектор которого соединен с базой транзистора BD681, управляющего током катушки. Шунтируя базовый резистор 1 кОм (R3) на землю, Q2 отключает катушку.

Второй транзистор BC337 (Q3), также подключенный к выходу ОУ2, управляет светодиодами, закорачивая на землю токоограничительный резистор R12, когда их надо погасить.

Установка точки отключения катушки легко выполняется вращением движка подстроечного резистора R8 до положения, в котором светодиоды погаснут. Если внести магнит в зону чувствительности датчика, светодиоды зажгутся вновь, ток катушки начнет пульсировать, и далее лишь останется с помощью подстроечного резистора R2 найти точку равновесия магнита.

Теперь, после того, как все ошибки схемы были устранены, имея несколько простых компонентов, ее очень легко повторить.

Магнитный левитатор
Рисунок 8. Вид печатной платы со стороны элементов.

Конструкция печатной платы представлена на Рисунках 8 и 9. Площадки, помеченные «TP», служили тестовыми точками, в которые в процессе отладки я запаивал штырьки для подключения приборов. При повторении схемы их можно не устанавливать.

Рисунок 9. Рисунок печатной платы со
стороны проводников.

Использование МЛ

Применения МЛ не исчерпывается демонстрацией, где левитирующая лягушка подвешена в воздухе при помощи сильного МП. Небольшой перечень возможностей использования левитации с воздействием магнитного поля:

  • на транспорте;
  • в энергетике;
  • в летательных аппаратах;
  • ветряных генераторах;
  • магнитных подшипниках.

Транспорт с магнитной левитацией

Основной плюс использования маглевов – экономный режим потребления энергии, за счёт снижения трения между рельсами и колёсами в традиционных вариантах. Основные затраты приходятся на преодоление сопротивления воздушных масс. Современное оформление вагонов, практическое отсутствие шумов и вибрации делают этот вид транспорта перспективным.

История супер поездов

В России не производят маглевы, но в Санкт-Петербурге подобные разработки грузовых поездов на магнитной подушке уже ведутся. Ученые создали прототип грузового маглева, в дальнейшем обещают сконструировать и пассажирский.

Страны лидеры – Китай и Япония, представляют свои разработки, которые работают уже не один год. Коммерческая скоростная линия в Шанхае позволяет перемещаться из одной точки в другую со скоростью более 430 км/ч.

Японский вариант

Скоростное первенство по праву достаётся японским поездам подобного типа. Весной 2015 года опытный экземпляр поезда установил рекорд на участке, построенном в префектуре Яманаси. Модель Синкансэн L0 развила на этом участке скорость 603 км/ч. Японцы ведут разработки ещё с 70-х годов прошлого века. Работы ведутся в институте ж/д техники (JRTRI), в тесном сотрудничестве с оператором Japan Railways.


Японский JR-Maglev

Магнитные подшипники

В лазерных установках и в оборудовании, где необходима высокая точность (оптические системы), нашли своё применение магнитные подшипники. Они обладают целой линейкой положительных качеств:

  • отсутствие трения, потери равны нулю;
  • повышенная скорость вращения;
  • низкий коэффициент вибрации;
  • возможность герметизации;
  • автоматический электронный контроль.

Газовые турбины, электрогенераторы, работающие на высоких оборотах, криогенные установки – это только некоторые решения для использования таких подшипников.


Бесконтактный магнитный подшипник

Применение в энергетике

Избавление от трения в магнитных подшипниках позволяет говорить о применении магнитной левитации в энергетике. КПД газовых турбин на ТЭС (тепловых электрических станциях) повысился с применением таких деталей. Возможность контролировать и регулировать работу подшипниковых узлов высокооборотных генераторов тока позволила модернизировать и повысить коэффициент автоматизации процесса получения электроэнергии.

Летательные аппараты

Обычный вертолёт тоже можно назвать левитирующим объектом, однако силу земного притяжения он преодолевает с помощью воздушного потока, создаваемого лопастями. Летательные аппараты, использующие МП и движущиеся целенаправленно в разных плоскостях, – это ещё только будущее. В отличие от поездов, проблема конструктивного выполнения стороннего МП находится только в процессе поиска решения.


Самолёт на магнитной подушке

Использование МЛ в ветрогенераторах

Всё дело – в магнитной подвеске, которая значительно увеличивает срок службы генератора. При её наличии ветряная турбина требует гораздо меньших затрат в обслуживании.

Дальнейшие перспективы использования

Переход транспорта любых видов на МЛ позволит в корне изменить транспортные системы. Кроме коллективного использования таких видов транспорта, возможен переход на индивидуальные системы передвижения человека. Экономия энергии, долговечность вращающихся механизмов, подъём и перемещение грузов – всё это в корне изменит структуру промышленных и сельскохозяйственных объектов, а также внешний облик планеты.

Левитирующий горшок

Левитирующий цветочный горшок может не только зависать в пространстве, но и вращаться вокруг своей оси, стоит лишь слегко подтолкнуть его. Тут пользу от аксессуара получает и само растение. Обогащаясь лучами дневного света со всех сторон, ваш цветок будет выглядеть намного лучше, чем его собратья, получающие свет с одной стороны.

О положительном воздействии магнитов на организм человека давно известно, как в медицине, так и в нетрадиционных методах лечения. Это отличный предмет для снятия стресса и борьбы с головной болью. Расположите парящий горшок с цветами на своем рабочем столе, и вы навсегда забудете о мигренях и плохом настроении.

Наблюдая за растением, которое парит в воздухе, можно успокоиться и расслабиться. Движения горшочка завораживают и помогают улучшить мозговую деятельность. Парящий цветок можно отнести к разряду антистрессовых гаджетов. Левитирующий горшок для растений имеет диаметр 8.5 см и глубину 3,5 см. Такой горшочек идеально подойдет для комнатной фиалки или небольшого деревца-бонсай.

Также в комплекте имеется подставка под горшок. Аксессуар выполнен из качественного пластика и оформлен в цветовой гамме под натуральное дерево. В подставке имеется гнездо для кабеля и 4 led лампы. Адаптер питания, работающий от сети, вы также получаете в комплекте, покупая горшок для левитирующего растения.

Левитирующие горшки для цветов просты и понятны в обслуживании. Идеальным решением будет использовать горшок для цветов, парящий в воздухе в виде кашпо, тогда полив растения не будет мешать механизму работы устройства. Если вы хотите, чтобы парящий цветок в горшке еще и вращался, то подключите его к сети.

Парящие растения в горшках — хорошее решение для офиса. Если через ваш кабинет каждый день проходит большой поток людей, то парящее растение сможет не только стать украшением рабочей зоны, но и смягчить плохую энергетику недоброжелателей. Удивительный парящий в воздухе цветочный горшок станет отличным подарком для человека, ценящего новые технологические разработки. Такой презент порадует и удивит любого цветовода.

Устойчивость

Мало только заставить предмет парить и зависать в воздухе. Необходимо добиться его устойчивого состояния, которое бывает:

  • статическое;
  • динамическое.

Два этих невесомых состояния имеют некоторые принципиальные различия.

Статическая

Равнодействующие силы, которые возвращают предмет в равновесное положение при любом его отклонении, обеспечивают статическую устойчивость.

Динамическая

Способность устройства, создающего левитацию, подавлять всевозможные вибрирующие движения обеспечивает динамическое устойчивое состояние. Так как само МП не имеет встроенного механизма подавления вибраций, то это делается дополнительно. Для этого используются варианты воздействия:

  • лобового сопротивления;
  • действия вихревых токов;
  • работа управляемых электромагнитов;
  • гашение вибрации с помощью инерционного демпфера.

Для работы электромагнитов в данном случае применяются БЭУ (блоки электронного управления), которые контролируют процесс смещения и вносят необходимую коррекцию в работу магнитов.

Равно нулю

Наш первый опыт — измерение сопротивления сверхпроводника. Действительно ли оно нулевое? Измерять его обычным омметром бессмысленно: он покажет нуль и при подключении к медному проводу. Столь малые сопротивления измеряются иначе: через проводник пропускают большой ток и измеряют падения напряжения на нем. В качестве источника тока мы взяли обычную щелочную батарейку, которая при коротком замыкании дает около 5 А. При комнатной температуре как метр сверхпроводящей ленты, так и метр медного провода показывают сопротивление в несколько сотых ома. Охлаждаем проводники жидким азотом и сразу наблюдаем интересный эффект: еще до того как мы пустили ток, вольтметр уже показал примерно 1 мВ. По всей видимости, это термо-ЭДС, поскольку в нашей схеме много различных металлов (медь, припой, стальные «крокодильчики») и перепады температуры в сотни градусов (вычтем это напряжение при дальнейших измерениях).

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Магнитная левитация
Тонкий дисковый магнит прекрасно подходит для создания левитирующей платформы над сверхпроводником. В случае сверхпроводника-снежинки он легко «вдавливается» в горизонтальном положении, а в случае сверхпроводника-квадрата его стоит «вмораживать».
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

А теперь пропускаем ток через охлажденную медь: тот же провод показывает сопротивление уже всего в тысячные доли ома. А что же со сверхпроводящей лентой? Подключаем батарейку, стрелка амперметра мигом устремляется к противоположному краю шкалы, а вот вольтметр своих показаний не меняет даже на десятую милливольта. Сопротивление ленты в жидком азоте в точности равно нулю.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Магнитная левитация
В качестве кюветы для сверхпроводящей сборки в форме снежинки отлично подошла крышка от пятилитровой бутыли с водой. В качестве теплоизоляционной подставки под крышку стоит использовать кусок меламиновой губки. Доливать азот приходится не чаще одного раза в десять минут.

Шаг 6: Неодимовые магниты NdFeB (неодим-железо-бор)

Из Википедии: «Неодим — химический элемент, редкоземельный металл серебристо-белого цвета с золотистым оттенком. Относится к группе лантаноидов. Легко окисляется на воздухе. Открыт в 1885 году австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом. Используется как компонент сплавов с алюминием и магнием для самолёто- и ракетостроения.»

Неодим — это металл, который является ферромагнитным (в частности, он показывает антиферромагнитные свойства), что означает, что подобно железу его можно намагнитить, чтобы он стал магнитом. Но его температура Кюри составляет 19К (-254 ° С), поэтому в чистом виде его магнетизм проявляется только при чрезвычайно низких температурах. Однако соединения неодима с переходными металлами, такими как железо, могут иметь температуры Кюри значительно выше комнатной температуры, и они используются для изготовления неодимовых магнитов.

Сильный — это слово, которое используют для описания неодимового магнита. Вы не можете использовать ферритовые магниты, потому что их магнетизм слишком слаб. Неодимовые магниты намного дороже ферритовых магнитов. Маленькие магниты используются для основы, большие магниты для плавающей/левитирующей части.

Внимание! Вам нужно быть осторожным при использовании неодимовых магнитов, так как их сильный магнетизм может навредить вам, или они могут сломать данные вашего жесткого диска или других электронных устройств, на которые влияют магнитные поля.Совет! Вы можете отделить два магнита, потянув их в горизонтальное положение, вы не сможете отделить их в противоположном направлении, потому что их магнитное поле слишком сильное. Они также очень хрупкие и легко ломаются.

Высокотемпературные сверхпроводники

В природе мало чистых сверхпроводников. Большинство их материалов, обладающих свойствами сверхпроводимости, являются сплавами, у которых чаще всего наблюдается лишь частичный эффект Мейснера.

Читайте также:  15 основных триггеров, которые мгновенно конвертят посетителей в лиды [+59 примеров]

В сверхпроводниках именно способность полностью вытеснять магнитное поле из своего объема разделяет материалы на сверхпроводники первого и второго типов. Сверхпроводниками первого типа являются чистые вещества, например, ртуть, свинец и олово, способные даже при высоких магнитных полях продемонстрировать полный эффект Мейснера. Сверхпроводники второго типа – чаще всего сплавы, а также керамика или некоторые органические соединения, которые в условиях магнитного поля с высокой индукцией способны лишь на частичное вытеснение магнитного поля из своего объема. Тем не менее в условиях очень малой индукции магнитного поля практически все сверхпроводники, в том числе и второго типа, способны на полный эффект Мейснера.

Известно несколько сотен сплавов, соединений и несколько чистых материалов, обладающих характеристиками квантовой сверхпроводимости.


Эксперименты по левитации дома

До того, как сделать левитирующий магнит, можно выполнить небольшой опыт по созданию условий левитации дома. Для этого понадобятся:

  • шесть кольцеобразных постоянных магнитов с внутренним диаметром 6-8 мм;
  • обычный графитовый карандаш;
  • подставка, выполненная из куска поролона размером 120*250 мм;
  • упор из плексиглаза, оргстекла или другого прочного материала.

Два магнита размещают на карандаше через 100 мм друг от друга. На этом же расстоянии в поролоне закрепляют две пары идентичных магнитов. Тройка магнитов (два на опоре и один на карандаше) должна визуально составлять пирамиду. Регулируя расстояния между магнитами, добиваются левитации карандаша.

Левитация карандаша в домашних условиях

Lux Pressura

Еще один способ устроить левитацию — это использовать давление света. Гипотезу об этом явлении еще четыре века назад выдвинул Иоганн Кеплер в качестве объяснения тому, что наблюдаемые хвосты комет направлены в сторону от Солнца. Во второй половине XIX века давление света удалось обосновать в рамках классической электродинамики Максвелла, а уже несколько лет спустя теоретический прогноз подтвердился в опытах Петра Лебедева.

Современные представления об электромагнитном излучении несколько шире, чем в теории Максвелла — теперь принято считать, что оно имеет не только волновые, но и корпускулярные свойства. Световой луч можно представлять себе как пучок элементарных частиц — фотонов — каждый из которых переносит порцию энергии и обладает импульсом, а значит, по аналогии с механическими частицами (например, маленькими дробинками), может передавать этот импульс другим телам при взаимодействии. Если создать устройство, которое позволяет грамотно распорядиться этим импульсом, то можно подталкивать предмет потоком излучения в нужном направлении.

В 1986 году американский физик Артур Эшкин вместе с коллегами продемонстрировал работу одного из таких устройств — оптического пинцета. Если с помощью обычного пинцета попытаться работать с объектами микромира — клетками, белками, молекулами (и частицами еще меньше), то такой опыт едва ли закончится успехом — механический инструмент слишком груб для этого и лишь разрушит исследуемую систему. Эшкин догадался заменить механические рычаги на интенсивный лазерный пучок, который при помощи давления света удерживает микроскопические частицы, не затрагивая их внутреннюю структуру.

Чтобы обеспечить левитацию объекта в таком пинцете, лазерный луч фокусируют через объектив микроскопа. В результате у пучка возникает «талия» — сужение, в котором интенсивность (число фотонов, пролетающих через единичное поперечное сечение в единицу времени) резко возрастает от краев пучка к его центру. Из-за этого на микрочастицу, помещенную в пучок, со стороны излучения действует градиентная сила, которая втягивает ее в центр пучка — область наибольшей интенсивности (при этом несмотря на то, что всякая частица стремится попасть в центр, детальное описание этого процесса зависит от соотношения между размерами частицы и длиной волны лазера — подробнее об этом можно узнать в материале «Скальпель и пинцет»)

.

Схема работы оптического пинцета: при смещении относительно центра пучка частица испытывает действие возвращающей силы, тогда как центральное положение устойчиво

Wikimedia Commons

Поделиться

Зажатый в луче света объект немного смещается в направлении от источника лазерного луча, поскольку налетающие фотоны передают ему свой импульс — в результате микрочастица оказывается зафиксирована в очень компактной центральной области, что очень удобно для точных измерений в биологии, физике и медицине. Так, при помощи оптической ловушки в 2018 году австралийские физики измерили действующую на отдельный атом силу с точностью до сотых долей аттоньютона — это в десятки миллиардов триллионов (то есть 10²²) раз меньше, чем типичная сила тяжести, которая действует на человека.

Незадолго до этого американские ученые научились создавать трехмерные цветные голограммы, подсвечивая небольшую частицу, которую передвигали оптическим пинцетом со скоростью почти два метра в секунду. Благодаря инерции человеческого зрения, световой след сливался в единое цветное изображение.

Примеры изображений, которые созданы с помощью перемещения частицы оптическим пинцетом (выдержка фотоаппарата 8–56 секунд)

D. Smalley et al. / Nature, 2018

Поделиться

Годом позже физики из Швеции и Германии наблюдали за микрометровыми глицериновыми каплями в лазерном пучке, надеясь отследить их движение и детально описать слияние частиц. Однако вместо этого неожиданно обнаружили, что при касательных столкновениях левитирующие капли не сливаются, а приобретают устойчивые замкнутые траектории неправильной формы, будто шары в руках невидимого жонглера. На качественном уровне авторы объяснили это тем, что левитирующие капли периодически заслоняют друг от друга луч лазера, а потому градиентная сила и давление излучения периодически меняются, заставляя частицы то снижаться и отлетать от центра пучка, то вновь подлетать к нему и набирать высоту.

Слева — наблюдаемое движение глицериновых капель в оптической ловушке, справа — численная модель

Albert Bae et al. / Physical Review Letters, 2019

Поделиться

Кроме того, теоретические оценки показывают, что силами радиационного давления принципиально возможно удерживать и макроскопические объекты — например, небольшие тонкие зеркала массой в доли миллиграмма. Возможно, в обозримом будущем оптические пинцеты станут уже не просто инструментами для работы в микромире, но и заменят механические в макроскопических опытах.

Летательные аппараты

Теперь перейдем к взаимодействию сверхпроводника и магнитного поля. Малые поля из сверхпроводника вообще выталкиваются, а более сильные проникают в него не сплошным потоком, а в виде отдельных «струй». Кроме того, если мы двигаем магнит возле сверхпроводника, то в последнем наводятся токи, и их поле стремится вернуть магнит назад. Все это делает возможной сверхпроводящую или, как ее еще называют, квантовую левитацию: магнит или сверхпроводник могут висеть в воздухе, стабильно удерживаемые магнитным полем. Чтобы убедиться в этом, достаточно маленького редкоземельного магнитика и кусочка сверхпроводящей ленты. Если же иметь хотя бы метр ленты и неодимовые магниты покрупнее (мы использовали диск 40 x 5 мм и цилиндр 25 x 25 мм), то можно сделать эту левитацию весьма зрелищной, подняв в воздух дополнительный груз.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В первую очередь нужно нарезать ленту на кусочки и скрепить их в пакет достаточной площади и толщины. Скреплять можно и суперклеем, но это не слишком надежно, так что лучше спаять их обычным маломощным паяльником с обычным оловянно-свинцовым припоем. По результатам наших опытов можно рекомендовать два варианта пакетов. Первый — квадрат со стороной в три ширины ленты (36 x 36 мм) из восьми слоев, где в каждом следующем слое ленты укладываются перпендикулярно лентам предыдущего слоя. Второй — восьмилучевая «снежинка» из 24 отрезков ленты длиной 40 мм, уложенных друг на друга так, что каждый следующий отрезок повернут на 45 градусов относительно предыдущего и пересекает его в середине. Первый вариант немного проще в изготовлении, намного компактнее и прочнее, зато второй обеспечивает лучшую стабилизацию магнита и экономичный расход азота за счет его впитывания в широкие щели между листами.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Магнитная левитация
Сверхпроводник может висеть не только над магнитом, но и под ним, да и вообще в любом положении относительно магнита. Равно как и магнит совсем не обязан висеть именно над сверхпроводником.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Кстати, о стабилизации стоит сказать отдельно. Если заморозить сверхпроводник, а потом просто поднести к нему магнит, то висеть магнит не будет — упадет в стороне от сверхпроводника. Чтобы стабилизировать магнит, нам нужно заставить поле проникнуть внутрь сверхпроводника. Сделать это можно двумя способами: «вмораживанием» и «вдавливанием». В первом случае мы размещаем магнит над теплым сверхпроводником на специальной опоре, затем наливаем жидкий азот и убираем опору. Такой метод отлично работает с «квадратом», он же подойдет и для монокристаллической керамики, если вы ее найдете. Со «снежинкой» метод тоже работает, хоть и чуть хуже. Второй метод предполагает, что вы будете силой приближать магнит к уже охлажденному сверхпроводнику, пока тот не захватит поле. С монокристаллом керамики такой метод почти не работает: слишком большие усилия нужны. А вот с нашей «снежинкой» работает великолепно, позволяя стабильно подвесить магнит в разных положениях (с «квадратом» тоже, но положение магнита невозможно сделать произвольным).

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Магнитная левитация
Чтобы увидеть квантовую левитацию, достаточно даже небольшого отрезка сверхпроводящей ленты. Правда, удерживать в воздухе получится лишь маленький магнитик и на небольшой высоте.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Подъёмная сила

Знакомство с коэффициентом спроса и использования

Преодоление земного притяжения заставляет левитирующий объект зависать в воздухе. В случае МЛ сила, заставляющая это сделать, – магнитное поле, действующее на него. Кроме того, существует способность магнетиков и систем, собранных с их использованием, воздействовать друг на друга. Сила, с которой они либо притягиваются, либо отталкиваются, зависит от магнитной поверхности и создаваемого ими МП.

Исходя из этого, можно, применив формулу, рассчитать магнитное давление Pmag.:

P mag = B2/2µ0,

где:

  • B – магнитная индукция, Тл;
  • µ0 – магнитопроницаемость в вакууме, µ0 = 4π×10−7 Н·А−2.

Искомая сила на 1 м2 поверхности (Pmag) измеряется в Паскалях.

Левитирующий магнит – результат действия подъёмной силы МП

Vox Suspende

Другой вид левитации — акустическая. Когда когерентные акустические волны (с неизменной во времени разностью фаз) накладываются друг на друга, возможно образование стоячей волны — такого состояния колебаний, при котором области минимальной и максимальной амплитуды не движутся, и волна словно замирает в пространстве. Так образуются статичные области повышенного и пониженного давления — это можно использовать для левитации, помещая в области минимума давления предмет, который по размерам не превышает длину волны. Повышенное давление вокруг будет удерживать его от падения и стабилизировать относительно небольших смещений в стороны.

Небольшие шарики левитируют в узлах вертикальной стоячей акустической волны

Wikimedia Commons

Поделиться

Если плавно менять фазу и амплитуду звуковых волн, можно менять расположение и «глубину» акустических «ям» — и таким образом заставлять предметы не просто висеть в воздухе, а перемещаться в пространстве. Так, в январе этого года японские инженеры показали устройство, в котором управляемый ультразвуковыми излучателями воздушный шарик стал интерфейсом ввода-вывода.

Воздушный шарик вращается под действием ультразвуковых волн, которые испускают окружающие его излучатели

ShinodaLab / YouTube

Поделиться

Экспериментаторы сейчас продолжают бороться с техническими ограничениями акустической левитации — осенью 2018 британские инженеры научили свое устройство огибать препятствия, расположив перед излучателями структурированную пластину с размерами полостей порядка длины волны. Из-за этого фаза каждой из волн меняется так, что при сложении их друг с другом получающееся звуковое поле огибает область вблизи излучателей.

А незадолго до этого другие британские исследователи заставили левитировать предмет крупнее длины волны — для этого они расположили 192 ультразвуковых преобразователя на поверхности сферического сектора и с их помощью вместо обычной стоячей волны создали в воздухе набор звуковых вихрей противоположной направленности. Такая конфигурация звукового поля смогла удержать полистирольный шарик диаметром 1,6 сантиметра — почти вдвое больше длины волны.

Левитация шарика с диаметром почти на 20 процентов превосходящим длину волны в акустическом вихре

UpnaLab / YouTube

Поделиться

Наконец, третьи британские инженеры весной 2020 организовали управление левитацией движениями руки: информацию о ее положении считывал инфракрасный датчик и передавал на ультразвуковые массивы излучателей. В ответ последние регулировали испускаемые волны и перемещали летящий шарик вслед за направлением, на которое указывает палец. Для демонстрации исследователи представили прототип игрового автомата, требующего от игрока проводить шарик через кольца.

Датчик движения передает информацию о движениях руки массиву ультразвуковых излучателей, которые ведут шарик вслед за движениями пальца

Rafael Morales Gonzalez et al. / CHI EA 2020

Поделиться

При желании простейший (и относительно дешевый) акустический левитатор можно собрать и в домашних условиях — соответствующую инструкцию в 2017 году опубликовали ученые Бристольского университета. В качестве деталей для сборки они предложили использовать ультразвуковые датчики парковки для автомобилей и микроконтроллер Arduino Nano.

Диамагнетизм

Диамагнетизм отмечает умение объекта формировать магнитное поле, вступающее в сопротивление к внешнему. Поэтому они не притягиваются, а отталкиваются, что приводит к таким поразительным вещам, как левитация диамагнитного материала, если его установить над мощным магнитом.

Пиролитический углерод, левитирующий над постоянным магнитом

По большей части диамагнетизм присутствует во всех материалах, и он всегда слабо влияет на реакцию материала по отношению к магнитному полю. У всех проводников заметен эффективный диамагнетизм, если магнитное поле меняется. К примеру, сила Лоренца на электронах заставит их циркулировать вокруг вихревых токов. Далее токи создадут индуцированное магнитное поле, сопротивляющееся перемещению проводника.







Магнит и магнитные поля
  • Электрические токи и магнитные поля
  • Постоянные магниты
  • Линии магнитного поля
  • Геомагнетизм
Магниты
Магнитная сила на движущемся электрическом заряде
  • Величина магнитной силы
  • Направление магнитной силы: Правило правой руки
Движение заряженной частицы в магнитном поле
  • Электрические и магнитные силы
  • Постоянная скорость формирует прямую линию
  • Круговое движение
  • Спиральное движение
  • Примеры и приложения
Магнитные поля, магнитные силы и проводники
  • Эффект Холла
  • Магнитная сила на токопроводящем проводнике
  • Вращательный момент на токовой петле: прямоугольный и общий
  • Закон Ампера: создание магнитного поля в длинной прямой проволоке
  • Магнитная сила между двумя параллельными проводниками
Применение магнетизма
  • Масс-спектрометр
  • Ферромагнетизм
  • Парамагнетизм и диамагнетизм
  • Соленоиды, токовые петли и электромагниты

Шаг 9: Подготовка SS495a модуля датчика Холла

Вырежьте макет PCB на две части, одну часть, чтобы прикрепить датчик холла, а другой — к цепи LM324. Прикрепите два магнитных датчика перпендикулярно печатной плате. Используйте тонкие провода для соединения двух штырей датчиков VCC вместе, сделайте то же самое с контактами GND. Выходные контакты отдельно.

Источники

  • https://www.PopMech.ru/diy/52608-eksperimentiruem-s-magnitnoy-levitatsiey-kak-povtorit-eye-doma/
  • https://nplus1.ru/material/2021/02/26/levitation
  • https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=163231
  • https://BurForum.ru/teoriya-i-opyt/kak-sdelat-levitiruyushchij-magnit.html
  • https://ArduinoPlus.ru/arduino-levitaciya/
  • https://ToolsTver.ru/teoriya/elektromagnitnaya-levitaciya.html
  • https://amperof.ru/teoriya/magnitnaya-levitaciya.html

[свернуть]

Related Posts