Levitacija je premagovanje gravitacije, pri katerem je subjekt ali objekt v prostoru brez podpore. Beseda "levitacija" izvira iz latinskega Levitas, kar pomeni "lahkost".
Levitacijo je napačno enačiti z letom, ker slednje temelji na zračnem uporu, zato ptice, žuželke in druge živali letijo in ne levitirajo.
Levitacija v fiziki
Levitacija v fiziki se nanaša na stabilen položaj telesa v gravitacijskem polju, medtem ko se telo ne sme dotikati drugih predmetov. Levitacija pomeni nekaj potrebnih in težkih pogojev:
- Sila, ki lahko izravna gravitacijsko silo in silo gravitacije.
- Sila, ki lahko zagotovi stabilnost telesa v prostoru.
Iz Gaussovega zakona izhaja, da v statičnem magnetnem polju statična telesa ali predmeti niso sposobni levitacije. Če pa spremenite pogoje, lahko dosežete levitacijo.
Kvantna levitacija
Širša javnost se je za kvantno levitacijo prvič seznanila marca 1991, ko je bila v znanstveni reviji Nature objavljena zanimiva fotografija. Prikazal je direktorja laboratorija za raziskave superprevodnosti v Tokiu Don Tapscotta, ki stoji na keramični superprevodni plošči, med tlemi in ploščo pa ni bilo ničesar. Fotografija se je izkazala za resnično in plošča, ki je skupaj z režiserjem, ki je na njej stala, tehta približno 120 kilogramov, bi lahko lebdela nad tlemi zaradi učinka superprevodnosti, znanega kot Meissner-Ochsenfeldov učinek.
Diamagnetna levitacija
To je ime vrste visečega v magnetnem polju telesa, ki vsebuje vodo, ki je sam diamagnet, torej material, katerega atomi se lahko magnetizirajo proti smeri glavnega elektromagnetnega polje.
V procesu diamagnetne levitacije imajo glavno vlogo diamagnetne lastnosti prevodnikov, katerih atomi pod vplivom zunanjega magnetnega polja nekoliko spremenijo parametre gibanja elektronov v njihovih molekulah, kar vodi do pojava šibkega magnetnega polja v nasprotni smeri od glavnega. Učinek tega šibkega elektromagnetnega polja je dovolj za premagovanje gravitacije.
Da bi dokazali diamagnetno levitacijo, so znanstveniki večkrat izvedli poskuse na majhnih živalih.
Ta vrsta levitacije je bila uporabljena v poskusih na živih predmetih. Med poskusi vzunanje magnetno polje z indukcijo približno 17 Tes je bilo doseženo suspendirano stanje (levitacija) žab in miši.
Po tretjem Newtonovem zakonu lahko lastnosti diamagnetov uporabimo obratno, to je za levitacijo magneta v polju diamagneta ali za stabilizacijo v elektromagnetnem polju.
Diamagnetna levitacija je po naravi identična kvantni levitaciji. To pomeni, da tako kot pri delovanju Meissnerjevega učinka pride do absolutnega premika magnetnega polja iz materiala prevodnika. Edina majhna razlika je v tem, da je za dosego diamagnetne levitacije potrebno veliko močnejše elektromagnetno polje, vendar pa sploh ni potrebno ohlajati prevodnikov, da bi dosegli njihovo superprevodnost, kot je to v primeru kvantne levitacije.
Doma lahko celo nastavite več poskusov na diamagnetno levitacijo, na primer, če imate dve plošči bizmuta (ki je diamagnet), lahko nastavite magnet z nizko indukcijo, približno 1 T, v suspendiranem stanju. Poleg tega lahko v elektromagnetnem polju z indukcijo 11 Teslov stabilizirate majhen magnet v visečem stanju tako, da s prsti prilagodite njegov položaj, pri čemer se magneta sploh ne dotikate.
Pogosto pojavljajoči se diamagneti so skoraj vsi inertni plini, fosfor, dušik, silicij, vodik, srebro, zlato, baker in cink. Celo človeško telo je diamagnetno v pravem elektromagnetnem magnetnem polju.
magnetna levitacija
Magnetna levitacija je učinkovitametoda dvigovanja predmeta z uporabo magnetnega polja. V tem primeru se magnetni tlak uporablja za kompenzacijo gravitacije in prostega padca.
Po Earnshawovem izreku je nemogoče stalno držati predmet v gravitacijskem polju. Se pravi, da je levitacija v takih pogojih nemogoča, a če upoštevamo mehanizme delovanja diamagnetov, vrtinčnih tokov in superprevodnikov, je mogoče doseči učinkovito levitacijo.
Če magnetna levitacija zagotavlja dvig z mehansko podporo, se ta pojav imenuje psevdolevitacija.
Meissnerjev učinek
Meissnerjev učinek je proces absolutnega premika magnetnega polja iz celotne prostornine prevodnika. To se običajno zgodi med prehodom prevodnika v superprevodno stanje. V tem se superprevodniki razlikujejo od idealnih – kljub dejstvu, da oba nimata upora, magnetna indukcija idealnih prevodnikov ostaja nespremenjena.
Ta pojav sta leta 1933 prvič opazila in opisala dva nemška fizika - Meissner in Oksenfeld. Zato se kvantna levitacija včasih imenuje učinek Meissner-Ochsenfeld.
Iz splošnih zakonov elektromagnetnega polja izhaja, da je ob odsotnosti magnetnega polja v volumnu prevodnika v njem prisoten le površinski tok, ki zaseda prostor blizu površine superprevodnika. Pod temi pogoji se superprevodnik obnaša na enak način kot diamagnet, čeprav ni eden.
Meissnerjev učinek je razdeljen na polni in delni, vodvisno od kakovosti superprevodnikov. Popoln Meissnerjev učinek opazimo, ko je magnetno polje popolnoma premaknjeno.
visokotemperaturni superprevodniki
V naravi je malo čistih superprevodnikov. Večina njihovih superprevodnih materialov je zlitin, ki najpogosteje kažejo le delni Meissnerjev učinek.
V superprevodnikih je sposobnost popolnega izpodrivanja magnetnega polja iz njegove prostornine tista, ki ločuje materiale na superprevodnike prve in druge vrste. Superprevodniki prve vrste so čiste snovi, kot so živo srebro, svinec in kositer, ki lahko pokažejo celoten Meissnerjev učinek tudi v velikih magnetnih poljih. Superprevodniki druge vrste so najpogosteje zlitine, pa tudi keramika ali nekatere organske spojine, ki so v pogojih magnetnega polja z visoko indukcijo sposobne le delno premakniti magnetno polje iz svoje prostornine. Kljub temu so v pogojih zelo nizke jakosti magnetnega polja skoraj vsi superprevodniki, vključno s tipom II, sposobni popolnega Meissnerjevega učinka.
Znano je, da ima več sto zlitin, spojin in več čistih materialov značilnosti kvantne superprevodnosti.
Izkušnja Mohamedove krste
"Mohamedova krsta" je neke vrste trik z levitacijo. To je bilo ime poskusa, ki je jasno pokazal učinek.
Po muslimanski legendi je bila krsta preroka Mohameda v zraku v limbu, brez kakršne koli podpore in podpore. Točno takood tod tudi ime izkušnje.
Znanstvena razlaga izkušenj
Superprevodnost je mogoče doseči le pri zelo nizkih temperaturah, zato je treba superprevodnik ohladiti vnaprej, na primer z visokotemperaturnimi plini, kot sta tekoči helij ali tekoči dušik.
Nato se magnet položi na površino ravnega ohlajenega superprevodnika. Tudi v poljih z najmanjšo magnetno indukcijo, ki ne presega 0,001 Tesle, se magnet dvigne nad površino superprevodnika za približno 7-8 milimetrov. Če postopoma povečujete jakost magnetnega polja, se bo razdalja med površino superprevodnika in magnetom vse bolj povečevala.
Magnet bo še naprej lebdel, dokler se zunanji pogoji ne spremenijo in superprevodnik ne izgubi svojih superprevodnih lastnosti.
