Levitation er overvindelsen af tyngdekraften, hvor subjektet eller objektet er i rummet uden støtte. Ordet "levitation" kommer fra det latinske Levitas, som betyder "lethed".
Levitation er forkert at sidestille med flyvning, fordi sidstnævnte er baseret på luftmodstand, hvorfor fugle, insekter og andre dyr flyver og ikke svæver.
Levitation i fysik
Levitation i fysik refererer til den stabile position af et legeme i et gravitationsfelt, mens kroppen ikke bør røre andre objekter. Levitation indebærer nogle nødvendige og vanskelige betingelser:
- En kraft, der kan udligne tyngdekraften og tyngdekraften.
- Kraften, der kan sikre kroppens stabilitet i rummet.
Af Gauss-loven følger det, at statiske legemer eller objekter i et statisk magnetfelt ikke er i stand til at levitere. Men hvis du ændrer betingelserne, kan du opnå levitation.
Quantum Levitation
Den brede offentlighed blev først opmærksom på kvantelevitation i marts 1991, da et interessant foto blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature. Det viste direktøren for Tokyo Superconductivity Research Laboratory, Don Tapscott, stå på en keramisk superledende plade, og der var intet mellem gulvet og pladen. Billedet viste sig at være ægte, og pladen, der sammen med instruktøren stående på den vejede omkring 120 kilogram, kunne svæve over gulvet takket være en superledningseffekt kendt som Meissner-Ochsenfeld-effekten.
Diamagnetisk levitation
Dette er navnet på den type væsen, der er suspenderet i magnetfeltet i et legeme, der indeholder vand, som i sig selv er en diamagnet, det vil sige et materiale, hvis atomer er i stand til at magnetiseres mod retningen af den vigtigste elektromagnetiske felt.
I processen med diamagnetisk levitation spilles hovedrollen af de diamagnetiske egenskaber af ledere, hvis atomer under påvirkning af et eksternt magnetfelt en smule ændrer parametrene for elektronernes bevægelse i deres molekyler, hvilket fører til fremkomsten af et svagt magnetfelt i modsat retning af det primære. Effekten af dette svage elektromagnetiske felt er nok til at overvinde tyngdekraften.
For at demonstrere diamagnetisk levitation udførte videnskabsmænd gentagne gange eksperimenter på små dyr.
Denne type levitation blev brugt i eksperimenter på levende genstande. Under forsøg iet eksternt magnetfelt med en induktion på omkring 17 Tesla, en suspenderet tilstand (levitation) af frøer og mus blev opnået.
I henhold til Newtons tredje lov kan diamagneters egenskaber bruges omvendt, det vil sige til at svæve en magnet i feltet af en diamagnet eller til at stabilisere den i et elektromagnetisk felt.
Diamagnetisk levitation er identisk med kvantelevitation. Det vil sige, som med virkningen af Meissner-effekten, er der en absolut forskydning af magnetfeltet fra lederens materiale. Den eneste lille forskel er, at for at opnå diamagnetisk levitation er det nødvendigt med et meget stærkere elektromagnetisk felt, men det er slet ikke nødvendigt at afkøle lederne for at opnå deres superledning, som det er tilfældet med kvantelevitation.
Derhjemme kan du endda opsætte flere eksperimenter med diamagnetisk levitation, hvis du for eksempel har to plader vismut (som er en diamagnet), kan du indstille en magnet med lav induktion, ca. 1 T, i suspenderet tilstand. Derudover kan du i et elektromagnetisk felt med en induktion på 11 Tesla stabilisere en lille magnet i suspenderet tilstand ved at justere dens position med fingrene, uden at røre magneten overhovedet.
Hyppigt forekommende diamagneter er næsten alle inerte gasser, fosfor, nitrogen, silicium, brint, sølv, guld, kobber og zink. Selv den menneskelige krop er diamagnetisk i det rigtige elektromagnetiske magnetfelt.
Magnetisk levitation
Magnetisk levitation er en effektiven metode til at løfte en genstand ved hjælp af et magnetfelt. I dette tilfælde bruges magnetisk tryk til at kompensere for tyngdekraften og frit fald.
Ifølge Earnshaws sætning er det umuligt at holde en genstand stabilt i et gravitationsfelt. Det vil sige, at levitation under sådanne forhold er umulig, men hvis vi tager højde for virkningsmekanismerne for diamagneter, hvirvelstrømme og superledere, så kan effektiv levitation opnås.
Hvis magnetisk levitation giver løft med mekanisk støtte, kaldes dette fænomen pseudo-levitation.
Meissner-effekt
Meissner-effekten er processen med absolut forskydning af magnetfeltet fra hele lederens volumen. Dette sker norm alt under overgangen af lederen til den superledende tilstand. Dette er, hvad superledere adskiller sig fra ideelle - på trods af at begge ikke har nogen modstand, forbliver den magnetiske induktion af ideelle ledere uændret.
For første gang blev dette fænomen observeret og beskrevet i 1933 af to tyske fysikere - Meissner og Oksenfeld. Derfor kaldes kvantelevitation nogle gange for Meissner-Ochsenfeld-effekten.
Af de generelle love for det elektromagnetiske felt følger det, at i fravær af et magnetisk felt i en leders volumen, er der kun en overfladestrøm til stede i den, som optager plads nær superlederens overflade. Under disse forhold opfører en superleder sig på samme måde som en diamagnet, mens den ikke er en.
Meissner-effekten er opdelt i fuld og delvis, iafhængig af superledernes kvalitet. Den fulde Meissner-effekt observeres, når magnetfeltet er fuldstændigt forskudt.
Superledere ved høj temperatur
Der er få rene superledere i naturen. De fleste af deres superledende materialer er legeringer, som oftest kun udviser en delvis Meissner-effekt.
I superledere er det evnen til fuldstændig at forskyde magnetfeltet fra dets volumen, der adskiller materialer i superledere af den første og anden type. Superledere af den første type er rene stoffer, såsom kviksølv, bly og tin, der er i stand til at demonstrere den fulde Meissner-effekt selv i høje magnetfelter. Superledere af den anden type er oftest legeringer, såvel som keramik eller nogle organiske forbindelser, som under forhold med et magnetfelt med høj induktion kun er i stand til delvist at forskyde magnetfeltet fra deres volumen. Ikke desto mindre, under forhold med meget lav magnetisk feltstyrke, er næsten alle superledere, inklusive type II, i stand til den fulde Meissner-effekt.
Flere hundrede legeringer, forbindelser og adskillige rene materialer er kendt for at have karakteristika af kvantesuperledning.
Mohammeds kisteoplevelse
"Mohammeds kiste" er et slags trick med levitation. Dette var navnet på eksperimentet, der tydeligt viste effekten.
Ifølge muslimsk legende var profeten Muhammeds kiste i luften i limbo uden nogen støtte og støtte. Nemligderaf navnet på oplevelsen.
Videnskabelig forklaring af erfaringer
Superledningsevne kan kun opnås ved meget lave temperaturer, så superlederen skal afkøles på forhånd, for eksempel med højtemperaturgasser såsom flydende helium eller flydende nitrogen.
Så anbringes en magnet på overfladen af en flad afkølet superleder. Selv i felter med en minimum magnetisk induktion, der ikke overstiger 0,001 Tesla, stiger magneten op over superlederens overflade med omkring 7-8 millimeter. Hvis du gradvist øger magnetfeltstyrken, vil afstanden mellem superlederens overflade og magneten stige mere og mere.
Magneten vil fortsætte med at svæve, indtil de ydre forhold ændrer sig, og superlederen mister sine superledende egenskaber.
