Levitation ist die Überwindung der Schwerkraft, bei der sich das Subjekt oder Objekt ohne Unterstützung im Raum befindet. Das Wort "Levitation" kommt vom lateinischen Levitas, was "Leichtigkeit" bedeutet.
Schweben ist falsch mit Fliegen gleichzusetzen, denn Letzteres basiert auf dem Luftwiderstand, weshalb Vögel, Insekten und andere Tiere fliegen und nicht schweben.
Levitation in der Physik
Levitation bezieht sich in der Physik auf die stabile Position eines Körpers in einem Gravitationsfeld, während der Körper andere Objekte nicht berühren sollte. Levitation setzt einige notwendige und schwierige Bedingungen voraus:
- Eine Kraft, die die Anziehungskraft und die Schwerkraft ausgleichen kann.
- Die Kraft, die die Stabilität des Körpers im Raum gewährleisten kann.
Aus dem Gaußschen Gesetz folgt, dass in einem statischen Magnetfeld statische Körper oder Gegenstände nicht schweben können. Wenn Sie jedoch die Bedingungen ändern, können Sie Schweben erreichen.
Quantenschwebebahn
Die breite Öffentlichkeit wurde erstmals im März 1991 auf die Quantenlevitation aufmerksam, als ein interessantes Foto in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde. Es zeigte den Direktor des Tokyo Supraconductivity Research Laboratory, Don Tapscott, der auf einer keramischen supraleitenden Platte stand, und es war nichts zwischen dem Boden und der Platte. Das Foto entpuppte sich als echt, und die Platte, die zusammen mit dem darauf stehenden Regisseur etwa 120 Kilogramm wog, konnte dank eines als Meissner-Ochsenfeld-Effekt bekannten Supraleitungseffekts über dem Boden schweben.
Diamagnetische Levitation
Dies ist der Name der Art, im Magnetfeld eines Wasser enth altenden Körpers zu schweben, der selbst ein Diamagnet ist, dh ein Material, dessen Atome gegen die Richtung des Hauptelektromagneten magnetisiert werden können Feld.
Beim Prozess der diamagnetischen Levitation spielen die diamagnetischen Eigenschaften von Leitern die Hauptrolle, deren Atome unter Einwirkung eines äußeren Magnetfelds die Parameter der Bewegung von Elektronen in ihren Molekülen geringfügig ändern, was zu führt das Auftreten eines schwachen Magnetfelds in entgegengesetzter Richtung zum Hauptmagnetfeld. Die Wirkung dieses schwachen elektromagnetischen Feldes reicht aus, um die Schwerkraft zu überwinden.
Um die diamagnetische Levitation zu demonstrieren, führten Wissenschaftler wiederholt Experimente an kleinen Tieren durch.
Diese Art der Levitation wurde in Experimenten mit lebenden Objekten verwendet. Bei Experimenten ineinem externen Magnetfeld mit einer Induktion von etwa 17 Tesla, wurde ein schwebender Zustand (Levitation) von Fröschen und Mäusen erreicht.
Nach dem dritten Newtonschen Gesetz können die Eigenschaften von Diamagneten umgekehrt genutzt werden, um einen Magneten im Feld eines Diamagneten zum Schweben zu bringen oder in einem elektromagnetischen Feld zu stabilisieren.
Diamagnetische Levitation ist von Natur aus identisch mit Quantenlevitation. Das heißt, wie bei der Wirkung des Meissner-Effekts gibt es eine absolute Verschiebung des Magnetfelds vom Material des Leiters. Der einzige geringfügige Unterschied besteht darin, dass zum Erzielen der diamagnetischen Levitation ein viel stärkeres elektromagnetisches Feld benötigt wird, es jedoch überhaupt nicht erforderlich ist, die Leiter zu kühlen, um ihre Supraleitung zu erreichen, wie dies bei der Quantenlevitation der Fall ist.
Zu Hause können Sie sogar mehrere Experimente zur diamagnetischen Levitation aufbauen, zum Beispiel, wenn Sie zwei Wismutplatten haben (das ist ein Diamagnet), können Sie einen Magneten mit einer niedrigen Induktion, etwa 1 T, setzen, im Schwebezustand. Darüber hinaus können Sie in einem elektromagnetischen Feld mit einer Induktion von 11 Tesla einen kleinen Magneten in einem schwebenden Zustand stabilisieren, indem Sie seine Position mit Ihren Fingern anpassen, ohne den Magneten überhaupt zu berühren.
Häufig vorkommende Diamagnete sind fast alle Edelgase, Phosphor, Stickstoff, Silizium, Wasserstoff, Silber, Gold, Kupfer und Zink. Auch der menschliche Körper ist im richtigen elektromagnetischen Magnetfeld diamagnetisch.
Magnetschwebebahn
Magnetschwebebahn ist effektiveine Methode zum Anheben eines Objekts mithilfe eines Magnetfelds. In diesem Fall wird magnetischer Druck verwendet, um die Schwerkraft und den freien Fall zu kompensieren.
Nach dem Satz von Earnshaw ist es unmöglich, ein Objekt stabil in einem Gravitationsfeld zu h alten. Das heißt, Schweben ist unter solchen Bedingungen unmöglich, aber wenn wir die Wirkungsmechanismen von Diamagneten, Wirbelströmen und Supraleitern berücksichtigen, dann kann ein wirksames Schweben erreicht werden.
Wenn die Magnetschwebebahn für Auftrieb mit mechanischer Unterstützung sorgt, wird dieses Phänomen als Pseudo-Levitation bezeichnet.
Meissner-Effekt
Der Meissner-Effekt ist der Prozess der absoluten Verschiebung des Magnetfelds aus dem gesamten Volumen des Leiters. Dies geschieht üblicherweise während des Übergangs des Leiters in den supraleitenden Zustand. Darin unterscheiden sich Supraleiter von idealen - obwohl beide keinen Widerstand haben, bleibt die magnetische Induktion idealer Leiter unverändert.
Zum ersten Mal wurde dieses Phänomen 1933 von zwei deutschen Physikern - Meissner und Oksenfeld - beobachtet und beschrieben. Aus diesem Grund wird die Quantenlevitation manchmal als Meissner-Ochsenfeld-Effekt bezeichnet.
Aus den allgemeinen Gesetzen des elektromagnetischen Feldes folgt, dass in Abwesenheit eines Magnetfeldes im Volumen eines Leiters nur ein Oberflächenstrom darin vorhanden ist, der den Raum nahe der Oberfläche des Supraleiters einnimmt. Unter diesen Bedingungen verhält sich ein Supraleiter wie ein Diamagnet, ist aber keiner.
Der Meissner-Effekt wird in vollständig und teilweise unterteilt, inabhängig von der Qualität der Supraleiter. Der volle Meissner-Effekt wird beobachtet, wenn das Magnetfeld vollständig verschoben wird.
Hochtemperatursupraleiter
Es gibt nur wenige reine Supraleiter in der Natur. Die meisten ihrer supraleitenden Materialien sind Legierungen, die meistens nur einen partiellen Meissner-Effekt aufweisen.
In Supraleitern ist es die Fähigkeit, das Magnetfeld vollständig aus seinem Volumen zu verdrängen, die Materialien in Supraleiter des ersten und zweiten Typs trennt. Supraleiter der ersten Art sind Reinstoffe wie Quecksilber, Blei und Zinn, die auch in hohen Magnetfeldern den vollen Meissner-Effekt zeigen können. Supraleiter des zweiten Typs sind meistens Legierungen sowie Keramiken oder einige organische Verbindungen, die unter Bedingungen eines Magnetfelds mit hoher Induktion das Magnetfeld nur teilweise aus ihrem Volumen verdrängen können. Dennoch sind unter Bedingungen sehr geringer Magnetfeldstärke fast alle Supraleiter, einschließlich Typ II, in der Lage, den vollen Meissner-Effekt zu erzielen.
Mehrere hundert Legierungen, Verbindungen und mehrere reine Materialien sind dafür bekannt, dass sie die Eigenschaften der Quantensupraleitung aufweisen.
Mohammeds Sargerlebnis
"Mohammeds Sarg" ist eine Art Trick mit Levitation. Dies war der Name des Experiments, das die Wirkung eindeutig demonstrierte.
Nach der muslimischen Legende war der Sarg des Propheten Mohammed in der Luft in der Schwebe, ohne Unterstützung und Unterstützung. Genaudaher der Name des Erlebnisses.
Wissenschaftliche Erklärung von Erfahrung
Supraleitung kann nur bei sehr tiefen Temperaturen erreicht werden, daher muss der Supraleiter vorher gekühlt werden, beispielsweise mit Hochtemperaturgasen wie flüssigem Helium oder flüssigem Stickstoff.
Dann wird ein Magnet auf die Oberfläche eines flach gekühlten Supraleiters gelegt. Selbst in Feldern mit einer minimalen magnetischen Induktion von nicht mehr als 0,001 Tesla hebt sich der Magnet um etwa 7-8 Millimeter über die Oberfläche des Supraleiters hinaus. Wenn Sie die magnetische Feldstärke allmählich erhöhen, wird der Abstand zwischen der Oberfläche des Supraleiters und dem Magneten immer größer.
Der Magnet schwebt weiter, bis sich die äußeren Bedingungen ändern und der Supraleiter seine supraleitenden Eigenschaften verliert.
