Kvantum levitáció (meissner-effektus): tudományos magyarázat

A lebegés a gravitáció leküzdése, amelyben egy tárgy vagy tárgy támogatás nélkül van az űrben. A "levitáció" szó a Latin Levitasból származik, ami "könnyedséget"jelent.

A lebegés helytelen a repüléssel egyenlővé tenni, mivel az utóbbi a légellenálláson alapul, ezért a madarak, rovarok és más állatok repülnek, nem lebegnek.

Lebegés a fizikában

A fizika lebegése a test stabil helyzetére utal egy gravitációs mezőben, míg a test nem érinthet más tárgyakat. A levitáció néhány szükséges és nehéz feltételt jelent:

• Olyan erő, amely képes kompenzálni a gravitációs vonzást és a gravitációt.
• Az erő, amely képes biztosítani a test stabilitását az űrben.

Gauss törvényéből következik, hogy a statikus testek vagy tárgyak nem képesek lebegni statikus mágneses mezőben. Ha azonban megváltoztatja a feltételeket, akkor lebegést érhet el.

Kvantum levitáció

A nagyközönség először 1991 márciusában értesült a kvantum levitációról, amikor érdekes fotót tettek közzé a Nature tudományos folyóiratban. A Tokiói szupravezető Kutató Laboratórium igazgatója, Don Tapscott egy kerámia szupravezető lemezen állt, és semmi sem volt a padló és a lemez között. A fotó valódinak bizonyult, a lemez, amely a rajta álló rendezővel együtt körülbelül 120 kilogrammot nyomott, a Meissner-Oxenfeld-effektus néven ismert szupravezető hatásnak köszönhetően lebeghetett a padló felett.

Diamágneses levitáció

Ez a neve a felfüggesztett állapot típusának a vizet tartalmazó test mágneses mezőjében, amely önmagában diamagnet, vagyis olyan anyag, amelynek atomjai képesek mágnesezni a fő elektromágneses mező irányával szemben.

A diamágneses levitáció folyamatában a fő szerepet a vezetők diamágneses tulajdonságai játsszák, amelyek atomjai külső mágneses mező hatására kissé megváltoztatják az elektronok mozgásának paramétereit molekuláikban, ami egy gyenge mágneses mező megjelenéséhez vezet, szemben a fő irányával. Ennek a gyenge elektromágneses mezőnek a hatása elegendő a gravitáció leküzdéséhez.

A diamágneses levitáció bemutatására a tudósok többször végeztek kísérleteket kis állatokon.

Ezt a fajta lebegést élő tárgyakkal végzett kísérletekben használták. 17 Tesla indukcióval végzett külső mágneses mezőben végzett kísérletek során a békák és egerek felfüggesztett állapotát (lebegését) sikerült elérni.

Newton harmadik törvénye szerint a diamágnesek tulajdonságai fordítva használhatók, vagyis egy mágnes lebegtetésére a diamágnes területén vagy elektromágneses mezőben történő stabilizálására.

A diamágneses levitáció természetében megegyezik a kvantum levitációval. Ez azt jelenti, hogy a Meissner-effektushoz hasonlóan a mágneses térvezető abszolút elmozdulása van az anyagból. Az egyetlen kis különbség az, hogy a diamágneses levitáció eléréséhez sokkal erősebb elektromágneses mezőre van szükség, azonban a szupravezető képességük elérése érdekében nem feltétlenül szükséges a vezetők hűtése, mint a kvantum levitáció esetében.

At otthon, akkor , még akkor is, ha több kísérletet végeznek a diamágneses levitációra, például két bizmutlemez (amely diamágnes) jelenlétében, egy alacsony indukciójú, körülbelül 1 Tl-es mágnes felfüggesztett állapotban telepíthető. Ezenkívül egy 11 Tesla indukciójú elektromágneses mezőben egy kis mágnes felfüggesztett állapotban stabilizálható úgy, hogy az ujjaival beállítja helyzetét, miközben egyáltalán nem érinti a mágnest.

A közös diamágnesek szinte minden inert gáz, foszfor, nitrogén, Szilícium, hidrogén, ezüst, arany, réz és cink. Még az emberi test is diamagnet a megfelelő elektromágneses mágneses mezőben.

Mágneses levitáció

A mágneses levitáció hatékony módszer egy tárgy mágneses mezővel történő emelésére. Ebben az esetben a mágneses nyomást a gravitáció és a szabad esés kompenzálására használják.

Irnshaw tétele szerint lehetetlen egy tárgyat folyamatosan gravitációs mezőben tartani. Vagyis a levitáció ilyen körülmények között lehetetlen, de ha figyelembe vesszük a cselekvési mechanizmusok a diamágnesek, örvényáramok és szupravezetők közül hatékony lebegés érhető el.

Ha a mágneses levitáció mechanikus támasztékkal biztosítja az emelőerőt, ezt a jelenséget általában pszeudolevitációnak nevezik.

Meissner-effektus

A Meissner-effektus a mágneses mező abszolút elmozdulásának folyamata a vezető teljes térfogatától. Ez általában akkor történik, amikor a vezető szupravezető állapotba kerül. Így különböznek a szupravezetők az ideálisaktól – annak ellenére, hogy mindkettőnek nincs ellenállása, az ideális vezetők mágneses indukciója változatlan marad.

Ezt a jelenséget először 1933 – ban figyelték meg és írták le két német fizikus-Meissner és Oxenfeld. Ez az oka annak, hogy a kvantum levitációt néha Meissner-Oxenfeld-effektusnak nevezik.

Az elektromágneses mező általános törvényeiből következik, hogy hiányában a vezető térfogatában lévő mágneses mezőből csak egy felületi áram van jelen, amely a szupravezető felülete közelében lévő helyet foglalja el. Ilyen körülmények között a szupravezető ugyanúgy viselkedik, mint egy diamagnet, miközben nem ilyen.

A Meissner-effektus teljes és részleges, a szupravezetők minőségétől függően. A teljes Meissner-effektus akkor figyelhető meg, amikor a mágneses mező teljesen elmozdul.

Magas hőmérsékletű szupravezetők

Kevés tiszta szupravezető van a természetben. A szupravezető tulajdonságokkal rendelkező anyagok többsége ötvözetek, amelyek leggyakrabban csak részleges Meissner-hatást fejtenek ki.

A szupravezetőkben az a képesség, hogy teljesen kiszorítsa a mágneses mezőt a térfogatából, amely elválasztja az anyagokat szupravezetőkké az első és a második típusok. Az első típusú szupravezetők tiszta anyagok, például higany, ólom és ón, amelyek képesek a teljes Meissner-effektus bemutatására még nagy mágneses mezők esetén is. A második típusú szupravezetők leggyakrabban ötvözetek, valamint kerámiák vagy bizonyos szerves vegyületek, amelyek nagy indukciójú mágneses mező körülményei között csak részben képesek kiszorítani a mágneses mezőt térfogatukból. Mindazonáltal nagyon alacsony mágneses mező indukció esetén szinte minden szupravezető, beleértve a második típust is, képes a teljes Meissner-effektusra.

Több száz ötvözet, vegyület és számos tiszta anyag ismert a kvantum szupravezetés jellemzőivel.

A " Mahomet

"Mahomet koporsója" egyfajta lebegési trükk. Ez volt a neve egy olyan tapasztalatnak, amely egyértelműen bizonyítja a hatást.

A muszlim legenda szerint Mahomed Próféta koporsóját felfüggesztették a levegőben, támogatás nélkül. Ezért van a tapasztalatnak ilyen neve.

A tapasztalatok tudományos magyarázata

A szupravezetés csak nagyon alacsony hőmérsékleten érhető el, ezért a szupravezetőt előre le kell hűteni, például magas hőmérsékletű gázok, például folyadék felhasználásával hélium vagy folyékony nitrogén.

Ezután egy mágnest helyeznek egy lapos hűtött szupravezető felületére. Még olyan területeken is, ahol a minimális mágneses indukció nem haladja meg a 0,001 Tesla értéket, a mágnes körülbelül 7-8 milliméterrel emelkedik a szupravezető felülete felett. Ha a mágneses mező indukciója fokozatosan növekszik, a szupravezető és a mágnes felülete közötti távolság egyre nagyobb lesz.

A mágnes addig fog lebegni, amíg a külső körülmények meg nem változnak, és a szupravezető elveszíti szupravezető tulajdonságait.