XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Левитация в физике. Звучит необычно, но понаблюдать за настоящей левитацией сегодня вполне возможно благодаря уникальнейшим свойствам сверхпроводящих материалов. Что это такое?

Левитация-это устойчивое положение объекта в гравитационном поле без непосредственного контакта с другими объектами. Необходимыми условиями для левитации в этом смысле являются: (1) наличие силы, компенсирующей силу тяжести, и (2) наличие возвращающей силы, обеспечивающей устойчивость объекта.То есть левитация — это преодоление объектом гравитации, когда он парит и не касается опоры, не отталкиваясь при этом от воздуха, не используя реактивную тягу.

Сверхпроводник — материал, электрическое сопротивление которого при понижении температуры до некоторой величины T_cстановится равным нулю (сверхпроводимость). При этом говорят, что материал приобретает «сверхпроводящие свойства» или переходит в «сверхпроводящее состояние». Сверхпроводники раскрывают свой физический потенциал лишь при чрезвычайно низких температурах (от -185°C). Именно в условиях таких экстремальных температур обычный керамический слой приобретает свойства сверхпроводника.

Рис 1. - Сверхпроводник.

Рис 2.- Магнитный рельс и сверхпроводник.

Суть левитации состоит в том, что благодаря правильному использованию физических свойств сверхпроводников их возможно не просто удержать в воздухе, но и заставить двигаться над и даже под магнитными "рельсами".В марте 1991 года научный журнал «Nature» опубликовал интересную фотографию: на снимке директор Токийской исследовательской лаборатории сверхпроводимости Дон Тапскотт стоял на блюде из сверхпроводящего керамического материала, и между ним и поверхностью пола был отчётливо виден небольшой зазор. Масса директора вместе с блюдом составляла 120 кг, что не мешало им парить над землёй. Это явление объясняется эффектом Мейснера, который не дает магнитному полю ни проникать внутрь сверхпроводящего образца, ни выходить из него.

Эффект Мейснера - полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом.

Рис 3.- Схема эффекта Мейснера.

При охлаждении сверхпроводника, находящегося во внешнем постоянном магнитном поле, в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объёма. Этим сверхпроводник отличается от идеального проводника, у которого при падении сопротивления до нуля индукция магнитного поля в объёме должна сохраняться без изменения.Отсутствие магнитного поля в объёме проводника позволяет заключить из общих законов магнитного поля, что в нём существует только поверхностный ток. Он физически реален и поэтому занимает некоторый тонкий слой вблизи поверхности. Магнитное поле тока уничтожает внутри сверхпроводника внешнее магнитное поле. В этом отношении сверхпроводник ведёт себя формально как идеальный диамагнетик. Однако он не является диамагнетиком, так как внутри него намагниченность равна нулю. Эффект Мейснера не может быть объяснён только бесконечной проводимостью. Впервые его природу объяснили братья Фриц и Хайнц Лондоны c помощью уравнения Лондонов. Они показали, что в сверхпроводнике поле проникает на фиксированную глубину от поверхности — лондоновскую глубину проникновения магнитного поля λ. Для металлов λ ∼ 10 − 2 мкм.

Уравнение Лондонов (в некоторых источниках — уравнение Лондона) устанавливает связь между током и магнитным полем в сверхпроводниках. Впервые оно было получено в 1935 г. братьями Фрицем и Хайнцем Лондонами. Уравнение Лондонов дало первое удовлетворительное объяснение эффекта Мейсснера — спадания магнитного поля в сверхпроводниках. Затем в 1953 г. было получено уравнение Пиппарда для чистых сверхпроводников.

Уравнение Пиппарда устанавливает нелокальную связь между током и векторным потенциалом в чистых сверхпроводниках. Впервые оно было получено в 1953 г. А. Б. Пиппардом. Применяется наряду с уравнениями Лондонов для описания электродинамики сверхпроводников.

Одним из свойств сверхпроводников является выталкивание магнитного поля из области сверхпроводящей фазы. Отталкиваясь от неподвижного сверхпроводника, магнит «всплывает» сам и продолжает «парить» до тех пор, пока внешние условия не выведут сверхпроводник из сверхпроводящей фазы. В результате этого эффекта магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «видит» магнит одинаковой полярности и точно такого же размера, — что и вызывает левитацию.

Литература

1)Эффект Мейснера[Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D0%9C%D0%B5%D0%B9%D1%81%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B0#%C2%AB%D0%93%D1%80%D0%BE%D0%B1_%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%C2%BB – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 3.01.2019)

2) Квантовая левитация - уже реальность [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://ru-fenomen.livejournal.com/426951.html – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 3.01.2019)

3) Сверхпроводник [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%BA – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 3.01.2019)

4) Квантовая левитация. Современное чудо [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: http://lifeglobe.net/entry/2128 – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 3.01.2019)

5) Квантовая левитация – сверхпроводники [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://fishki.net/52407-kvantovaja-levitacija---sverhprovodniki-17-foto--2-video.html – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 3.01.2019)

6) Левитация [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_(%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0) – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 3.01.2019)

7) Уравнение Лондонов[Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%9B%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%B2 – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 3.01.2019)