Kvantna levitacija (meissnerov efekat): naučno objašnjenje

Levitacija je prevladavanje gravitacije, u kojoj subjekt ili objekt su u prostoru bez podrške. Riječ "levitacija" dolazi od latinskog Levitas, što znači "lakoća".

Levitacija je pogrešna za izjednačavanje sa letom, jer ovo drugo zasniva se na otporu vazduha, zbog čega ptice, insekti i druge životinje lete, a ne levitiraju.

Levitacija u fizici

Levitacija u fizici se odnosi na stabilan položaj tijela u gravitacionom polju, dok tijelo ne smije dodirivati druge objekte. Levitacija podrazumijeva neke neophodne i teške uslove:

• Sila koja je u stanju da kompenzuje gravitaciono privlačenje i gravitaciju.
• Sila koja je u stanju da osigura stabilnost tijela u svemiru.

Iz Gaussovog zakona slijedi da statička tijela ili objekti nisu sposobni za levitaciju u statičkom magnetnom polju. Međutim, ako promijenite uvjete, možete postići levitaciju.

Kvantna levitacija

Šira javnost je prvi put postala svjesna kvantne levitacije u martu 1991. godine, kada je zanimljiva fotografija objavljena u naučnom časopisu Nature. Na njemu je direktor Tokijske Laboratorije za istraživanje supravodljivosti Don Tapscott stajao na keramičkoj supravodljivoj ploči, a između poda i ploče nije bilo ničega. Fotografija se pokazala stvarnom, a ploča, koja je zajedno s režiserom koji je stajao na njoj, teška oko 120 kilograma, mogla bi levitirati iznad poda zahvaljujući efektu supravodljivosti, poznatom kao Meissner-Oxenfeldov efekat.

Dijamagnetska levitacija

Ovo je naziv tipa suspendiranog stanja u magnetnom polju tijela koje sadrži vodu, koje je samo po sebi dijamagnet, odnosno materijal čiji su atomi sposobni magnetizirati u smjeru glavnog elektromagnetnog polja.

U procesu dijamagnetske levitacije glavnu ulogu imaju dijamagnetska svojstva provodnika, čiji atomi pod uticajem spoljašnjeg magnetnog polja neznatno menjaju parametre kretanja elektrona u svojim molekulima, što dovodi do pojave slabog magnetnog polja nasuprot u pravcu glavnog. Efekat ovog slabog elektromagnetnog polja dovoljan je da savlada gravitaciju.

Da bi demonstrirali dijamagnetnu levitaciju, naučnici su više puta provodili eksperimente na malim životinjama.

Ova vrsta levitacije korištena je u eksperimentima na živim objektima. Tokom eksperimenata u spoljašnjem magnetnom polju sa indukcijom od oko 17 Tesla, postignuto je suspendovano stanje (levitacija) žaba i miševa.

Prema Newtonovom trećem zakonu, svojstva dijamagneta mogu se koristiti obrnuto, odnosno za levitaciju magneta u polju dijamagneta ili za njegovu stabilizaciju u elektromagnetnom polju.

Dijamagnetska levitacija je po prirodi identična kvantnoj levitaciji. To jest, kao i kod Meissnerovog efekta, postoji apsolutni pomak provodnika magnetnog polja iz materijala. Jedina mala razlika je u tome što je za postizanje dijamagnetske levitacije potrebno mnogo jače elektromagnetno polje, međutim, apsolutno nije potrebno hladiti provodnike da bi se postigla njihova supravodljivost, kao u slučaju kvantne levitacije.

At kući, možeš čak i da bi se napravilo nekoliko eksperimenata na dijamagnetskoj levitaciji, na primjer, u prisustvu dvije ploče bizmuta (što je dijamagnet), magnet sa niskom indukcijom može biti suspendovan, oko 1 Tl. Osim toga, u elektromagnetnom polju sa indukcijom od 11 Tesla, mali magnet se može stabilizovati u visećem stanju podešavanjem njegovog položaja prstima, a da pritom uopšte ne dodirujete magnet.

Uobičajeni dijamagneti su skoro svi inertni gasovi, fosfor, azot, silicijum, vodonik, srebro, zlato, bakar i cink. Čak je i ljudsko tijelo dijamagnet u pravom elektromagnetnom magnetnom polju.

Magnetna levitacija

Magnetna levitacija je efikasna metoda podizanja objekta pomoću magnetnog polja. U ovom slučaju, magnetni pritisak se koristi za kompenzaciju gravitacije i slobodnog pada.

Prema Irnshawovoj teoremi, nemoguće je stalno držati objekt u gravitacionom polju. Odnosno, levitacija je nemoguća u takvim uslovima, ali ako uzmemo u obzir mehanizmi djelovanja od dijamagneta, vrtložnih struja i supravodiča moguće je postići efikasnu levitaciju.

Ako magnetna levitacija pruža silu podizanja sa mehaničkom podrškom, ovaj fenomen se obično naziva pseudolevitacija.

Meissnerov efekat

Meissnerov efekat je proces apsolutnog pomeranja magnetnog polja iz celokupne zapremine provodnika. To se obično dešava tokom prelaska provodnika u supravodljivo stanje. Po tome se superprovodnici razlikuju od idealnih – uprkos činjenici da oba nemaju otpor, magnetna indukcija idealnih provodnika ostaje nepromijenjena.

Prvi put su ovaj fenomen primijetili i opisali 1933. godine dva njemačka fizičara – Meissner i Oxenfeld. Zato se kvantna levitacija ponekad naziva Meissner-Oxenfeldov efekat.

Iz opštih zakona elektromagnetnog polja proizilazi da u odsustvu od magnetnog polja u zapremini provodnika, u njemu je prisutna samo površinska struja koja zauzima prostor blizu površine supravodiča. U ovim uslovima, superprovodnik se ponaša na isti način kao dijamagnet, a da nije takav.

Meissnerov efekat se deli na pun i delimičan, u zavisnosti od kvaliteta supravodiča. Potpuni Meissnerov efekat se primećuje kada se magnetno polje potpuno pomeri.

Visokotemperaturni superprovodnici

U prirodi postoji nekoliko čistih supravodiča. Većina njihovih materijala sa svojstvima supravodljivosti su legure, koje najčešće imaju samo djelomični Meissnerov efekat.

U supravodičima, sposobnost potpunog istiskivanja magnetnog polja iz njegove zapremine razdvaja materijale u supravodiče prvog i drugog vrste. Superprovodnici prvog tipa su čiste supstance, na primer, živa, olovo i kalaj, sposobne da pokažu puni Meissnerov efekat čak i pri visokim magnetnim poljima. Supravodiči drugog tipa su najčešće legure, kao i keramika ili neka organska jedinjenja koja su, u uslovima magnetnog polja sa visokom indukcijom, sposobna samo delimično istisnuti magnetno polje iz svoje zapremine. Ipak, u uslovima veoma niske indukcije magnetnog polja, skoro svi superprovodnici, uključujući i drugi tip, sposobni su za potpuni Meissnerov efekat.

poznato je nekoliko stotina legura, jedinjenja i nekoliko čistih materijala sa karakteristikama kvantne supravodljivosti.

"Mahomet

"Mahometov kovčeg" je svojevrsni trik levitacije. Ovo je bio naziv iskustva koje jasno pokazuje efekat.

Prema muslimanskoj legendi, lijes proroka Muhameda suspendovan je u zraku, bez ikakve podrške i podrške. Zato iskustvo ima takvo ime.

Naučno objašnjenje iskustva

Superprovodljivost se može postići samo na vrlo niskim temperaturama, tako da se superprovodnik mora unaprijed ohladiti, na primjer, uz pomoć visokotemperaturnih plinova, poput tečnosti helijum ili tečni azot.

Zatim se magnet postavlja na površinu ravno ohlađenog superprovodnika. Čak i na poljima sa minimalnom magnetnom indukcijom koja ne prelazi 0,001 Tesla, magnet se uzdiže oko 7-8 milimetara iznad površine supravodiča. Ako se indukcija magnetnog polja postepeno povećava, udaljenost između površine supravodiča i magneta će se sve više povećavati.

Magnet će nastaviti levitirati sve dok se vanjski uslovi ne promijene i supravodič izgubi svoje supravodljive karakteristike.