|
|
|
|
 Far |
| WinNavigator |
| Frigate |
| Norton
Commander |
| WinNC |
| Dos
Navigator |
| Servant
Salamander |
| Turbo
Browser |
|
|
| Winamp,
Skins, Plugins |
| Необходимые
Утилиты |
| Текстовые
редакторы |
| Юмор |
|
|
|
File managers and best utilites |
Левитация магнитная: описание, особенности и примеры. Магнітна левітація реферат
Что такое магнитная левитация? Поезд маглев
Магнитная левитация – это явление при котором металлические предметы «парят» в воздухе под воздействием магнитных полей. Манипулируя магнитным полем и контролируя его силу можно заставить объект левитировать. Попробуем разобраться, что такое магнитная левитация.
Левитация в данном случае – это состояние, при котором один объект как бы «подвешен» над другим без вспомогательных средств, при помощи одного только магнитного поля.
Электромагнитная сила используется для компенсации действия силы гравитации. Однако, левитация при помощи классических статических электромагнитных полей невозможна. Дело в том, что на объект постоянно действует комбинация из гравитационного, электростатического и магнитостатических полей, что делает его положение неустойчивым.
К примеру, постоянный магнит, подвешенный над другим магнитом, будет неустойчивым, и его легко будет опрокинуть. Однако, если левитирующий магнит вращается, то гироскопические силы делают его устойчивым и предотвращают опрокидывание.
Существует несколько способов создания левитации объекта.
Можно левитировать сверхпроводники и другие диамагнитные материалы, если намагнитить их противоположным зарядом к магнитному полю в котором они размещены.
Сверхпроводники совершенно диамагнитны — это означает, что их выталкивает само магнитное поле (эффект Мейснера-Оксенфельда).
Индуцированный магнитный момент очень мал и действует в направлении, противоположном действию приложенного поля. Когда объекты помещаются между полюсами сильного электромагнита, диамагнитные материалы притягиваются к области, где магнитное поле слабее.
Диамагнетизм можно использовать для левитации легких кусочков пиролитического графита или висмута. Поскольку вода также является диамагнитным материалом, это свойство было использовано для левитации капель воды и даже живых животных, таких как кузнечики и лягушки.
Это явление также нашло свое пррименение при создании поездов на магнитной подушке. Их также называют маглев или магнитоплан.
Такой поезд, в отличие от обычных, в процессе движения не касается непосредственно поверхности рельс. В результате этого между поверхностью рельсового полотна и поездом образуется воздушная прослойка, поэтому трение в данном случае полностью отсутствует. Стоит отметить, что единственной силой, которая останавливает такой состав является аэродинамическое сопротивление.
Данный вид транспорта является весьма скоростным – его скорость достигает скорости самолёта и даже может составить конкуренцию воздушным суднам. К сожалению, на данный момент поезд на воздушной подушке «маглев» не может использовать существующую транспортную инфраструктуру, однако, есть проекты, подразумевающие расположение магнитных частей под полотном автотрасс или между рельс обычной железной дороги.
it-lenta.ru
Левитация магнитная: описание, особенности и примеры
Как известно, у Земли, в силу сложившегося миропорядка, существует определенное гравитационное поле, а мечтой человека всегда было преодоление его любыми способами. Левитация магнитная – термин скорее фантастический, чем относящийся к повседневной реальности.
Изначально под ним подразумевалась гипотетическая способность неведомым образом преодолевать земное притяжение и перемещать людей или предметы по воздуху без вспомогательного оборудования. Однако сейчас понятие «магнитная левитация» является уже вполне научным.
Разрабатывается сразу несколько инновационных идей, в основе которых лежит данное явление. И все они в перспективе обещают великолепные возможности для разностороннего применения. Правда, осуществляться левитация магнитная будет не магическими приемами, а с использованием вполне конкретных достижений физики, а именно раздела, изучающего магнитные поля и все, что с ними связано.
Совсем немного теории
Среди людей, далеких от науки, бытует мнение, что магнитная левитация представляет собой направляемый полет магнита. На деле под этим термином подразумевается преодоление предметом гравитации при помощи магнитного поля. Одной из его характеристик является магнитное давление, оно-то и используется для «борьбы» с земным притяжением.
Проще говоря, когда гравитация притягивает объект вниз, магнитное давление направляется таким образом, чтобы оно отталкивало его в обратном направлении – вверх. Так возникает левитация магнита. Затруднение реализации теории в том, что статическое поле нестабильно и не фокусируется в заданной точке, так что эффективно противостоять притяжению может не вполне. Поэтому требуются вспомогательные элементы, которые придадут магнитному полю динамическую устойчивость, чтоб левитация магнита была явлением регулярным. В качестве стабилизаторов для него используются разные приемы. Чаще всего – электроток через сверхпроводники, но есть и другие наработки в данной области.
Техническая левитация
Собственно, магнитная разновидность относится к более обширному термину преодоления гравитационного притяжения. Итак, техническая левитация: обзор методов (очень краткий).
С магнитной технологией мы вроде бы немного разобрались, но существуют еще электрический метод. В отличие от первого, второй может быть использован для манипуляций с изделиями из разнообразных материалов (в первом случае – только намагниченных), даже диэлектриков. Разделяется также электростатическая и электродинамическая левитация.
Возможность частиц под воздействием света осуществлять движение была предугадана еще Кеплером. А существование давления света доказано Лебедевым. Движение частицы в направлении источника света (оптическая левитация) именуется положительным фотофорезом, а в обратном направлении – отрицательным.
Левитация аэродинамическая, отличаясь от оптической довольно широко применима в технологиях дня нынешнего. Кстати, «подушка» - один из ее разновидностей. Простейшая воздушная подушка получается очень легко - в подложке-носителе сверлятся множество отверстий и через них продувается сжатый воздух. При этом воздушная подъемная сила уравновешивает массу предмета, и тот парит в воздухе.
Последний известный науке на данный момент способ – левитация с использованием акустических волн.
Какие есть примеры магнитной левитации?
Фантасты мечтали о портативных аппаратах размером с рюкзак, которые могли бы «левитировать» человека в нужном ему направлении со значительной скоростью. Наука пока пошла по другому пути, более практичному и осуществимому – был создан поезд, перемещающийся с помощью магнитной левитации.
История суперпоездов
Впервые идею состава, использующего линейный двигатель, подал (и даже запатентовал) немецкий инженер-изобретатель Альфред Зейн. И было это в 1902 году. После этого разработки электромагнитного подвеса и поезда, оснащенного им, появлялись с завидной регулярностью: в 1906 г. Франклин Скотт Смит предложил еще один прототип, между 1937 и 1941 гг. ряд патентов по этой же теме получил Герман Кемпер, а чуть позже британец Эрик Лэйзвейт создал работающий прототип двигателя в натуральную величину. В 60-х он же участвовал в разработке Tracked Hovercraft, который должен был стать самым скоростным поездом, но так и не стал, поскольку из-за недостаточного финансирования в 1973-м проект был закрыт.
Только шесть лет спустя, причем снова в Германии, был построен поезд на магнитной подушке, получивший лицензию на пассажирские перевозки. Испытательный трек, проложенный в Гамбурге, имел длину меньше километра, но сама идея так вдохновила общество, что поезд функционировал и после закрытия выставки, успев за три месяца перевезти 50 тысяч людей. Скорость его, по современным меркам, была не так уж велика – всего 75 км/ч.
Не выставочный, а коммерческий маглев (так нарекли поезд, использующий магнит), курсировал между аэропортом Бирмингема и железнодорожной станцией с 1984 г., и продержался на своем посту 11 лет. Длина пути была еще меньше, всего 600 м, а над полотном поезд поднимался на 1,5 см.
Японский вариант
В дальнейшем ажиотаж по поводу поездов на магнитной подушке в Европе поутих. Зато к концу 90-х ими активно заинтересовалась такая страна высоких технологий как Япония. На ее территории уже проложены несколько довольно протяженных трасс, по которым летают маглевы, использующие такое явление как левитация магнитная. Этой же стране принадлежат и скоростные рекорды, поставленные данными поездами. Последний из них показал скоростной режим более 550 км/ч.
Дальнейшие перспективы использования
С одной стороны, маглевы привлекательны своими возможностями быстрого перемещения: по расчетам теоретиков, их можно будет в ближайшем будущем разогнать вплоть до 1 000 километров в час. Ведь их приводит в действие левитация магнитная, а тормозит только сопротивление воздуха. Поэтому придание максимально аэродинамических абрисов составу сильно снижает и его воздействие. К тому же, из-за того, что рельсов они не касаются, износ у таких поездов крайне медленный, что экономически весьма выгодно.
Еще один плюс – снижение шумового эффекта: маглевы передвигаются почти бесшумно по сравнению с обычными поездами. Бонусом также идет использование в них электроэнергии, что позволяет снизить вредное воздействие на природу и атмосферу. Кроме того, поезд на магнитной подушке способен преодолевать более крутые склоны, а это исключает необходимость прокладки железнодорожного полотна в обход холмов и спусков.
Применение в энергетике
Не менее интересным практическим направлением можно считать широкое применение магнитных подшипников в ключевых узлах механизмов. Их установка решает серьезную проблему износа исходного материала.
Как известно, классические подшипники истираются довольно быстро – они постоянно испытывают высокие механические нагрузки. В некоторых областях необходимость замены этих деталей обозначает не только дополнительные расходы, но и высокий риск для людей, которые обслуживают механизм. Магнитные подшипники сохраняют работоспособность во много раз дольше, так что их применение весьма целесообразно для любых экстремальных условий. В частности, в атомной энергетике, ветровых технологиях либо отраслях, сопровождаемых чрезвычайно низкими/высокими температурами.
Летательные аппараты
В проблеме, как осуществить магнитную левитацию, напрашивается резонный вопрос: когда же, наконец, будет изготовлен и представлен прогрессивному человечеству полноценный летательный аппарат, в котором будет использована левитация магнитная? Ведь косвенные свидетельства, что подобные «НЛО» существовали, имеются. Взять, к примеру, индийские «виманы» древнейшей эпохи или уже более близкие к нам во временном соотношении гитлеровские «дисколеты», использующие, в том числе и электромагнитные способы организации подъемной силы. Сохранились примерные чертежи и даже фото действующих моделей. Вопрос остается открытым: как воплотить все эти идеи в жизнь? Но дальше не слишком жизнеспособных опытных образцов у современных изобретателей дело пока не идет. А может, это еще слишком секретная информация?
fb.ru
Магнитная левитация на постоянных магнитах: идеи и опыты
Самый простой и наглядный пример магнитной левитации, которая создается на постоянных магнитах — это так называемый левитрон. Эту игрушку придумал американский изобретатель почти 30 лет назад. В основе конструкции всего два кольцевых магнита. Большой лежит строго горизонтально, а маленький вращается и зависает над ним. Что же его удерживает от падения? За счет чего достигается такой эффект? Игорь Белецкий высказывает на видео идеи практической реализации левитрона и проводит опыты. 
Естественно, постоянные магниты направлены друг к другу одноименными полюсами, что и заставляет их отталкиваться. Но для устойчивой магнитной левитации этого мало. Большой кольцевой магнит создает особую форму магнитного поля. Другими словами образуется магнитная впадина или потенциально яма, на дне которой волчок и находят свою устойчивость. Но это всего лишь позволяет ему не свалиться в сторон.Решающим фактором для стабильной левитации является вращение самого волчка, вследствие чего возникает в гироскопический эффект, благодаря нему волчок не опрокидывается, хотя постоянно к этому стремится, и как только трение а воздух притормозит его вращение, сила магнитного притяжения возьмет верх.Было бы заманчиво найти практическое применение такому подвесу. Например, сделать бесконтактный маховик — накопителя энергии. Но беда в том, что что по схеме левитрона, когда большой магнит удерживает маленький, не получается подвесить массивное тело. Сила отталкивания крайне мала — жалкие 30 грамм. Это предел. Нагрузишь больше и система сложится, а увеличивать габариты магнита непрактично и дорого. Но как же так? Неодимовые магниты обладают просто чудовищной силой отталкивания, и это действительно так.
Продаются магниты дешевле в этом китайском магазине. Кэшбэк (возврат с покупок): до 90%.Автор видео Игорь Белецкий попытался реализовать динамическую левитацию по принципу магнитного подвеса, расположив ось вращения вертикально.Вес маховика легко компенсируется двумя маленькими кольцевыми магнитами, а вот осевую стабилизацию должны были обеспечить небольшие магниты на концах оси. Плюс гироскопический эффект от вращения самого маховика. К сожалению, проведя множество экспериментов, он так и не добился желаемого. Возможно, он снова выбрал не самую удачную схему, потому что, чем больше в системе магнитов, а значит и напряжений, тем сложнее ее уравновесить.
Самый простой и дешевый способ магнитного подвеса предложил еще профессор механики Нурбей Гулия. Он просто перенес всю массу маховика на кольцевые магниты, а осевую стабилизацию оставил за обычными подшипниками, что вполне логично, ведь при вертикальной оси вращения нагрузка на них минимальная, как и потери на трение. Это, конечно, не чистая левитация, но что то весьма близкое. Автор ролика быстро собрал похожую конструкцию и убедился в ее практичности. Вместо подшипников для стабилизации оси он использовал графитовые втулки. Трение у них действительно минимально. Теперь бы еще поместить всё в безвоздушную капсулу и получится настоящий накопитель механической энергии. А потом, для полного счастья, было бы логично сделать бесконтактный отбор мощности. Самый простой способ — превратить маховик в магнитный ротор. Например, добавим катушку индуктивности и получим генератор, который при необходимости сможет работать и как электромотор для раскрутки маховика накопителя. Но это уже совсем другая история.
izobreteniya.net
Магнитная левитация
Количество просмотров публикации Магнитная левитация - 511
В научной фантастике силовые поля выполняют еще одну функцию, кроме отражения ударов из лучевого оружия, а именно служат опорой, которая позволяет преодолевать силу притяжения. В фильме ʼʼНазад в будущееʼʼ Майкл Фокс катается на ʼʼховербордеʼʼ, или ʼʼпарящей доскеʼʼ; эта штука во всем напоминает привычный скейтборд, вот только ʼʼездитʼʼ по воздуху, над поверхностью земли. Физические законы — такие, какими мы их знаем на сегодняшний день, — не позволяют реализовать подобное подобное антигравитационное устройство (как мы увидим в главе 10). Но можно представить себе в будущем создание других устройств — парящих досок и парящих автомобилей на магнитной подушке; эти машины позволят нам без труда поднимать и удерживать на весу крупные объекты. В будущем, в случае если ʼʼсверхпроводимость при комнатной температуреʼʼ станет доступной реальностью, человек сможет поднимать в воздух предметы, используя возможности магнитных полей.
В случае если мы поднесем северный полюс постоянного магнита к северному же полюсу другого такого же магнита͵ магниты будут отталкиваться друг от друга. (В случае если мы перевернем один из магнитов и поднесем его южным полюсом к северному полюсу другого, два магнита будут притягиваться.) Этот же принцип — то, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, — можно использовать для подъема с земли огромных тяжестей. Уже сейчас в нескольких странах идет строительство технически передовых поездов на магнитной подвеске. Такие поезда проносятся не по путям, а над ними на минимальном расстоянии; на весу их удерживают обычные магниты. Поезда как бы парят в воздухе и могут благодаря нулевому трению развивать рекордные скорости.
Первая в мире коммерческая автоматизированная транспортная система на магнитной подвеске была запущена в действие в 1984 ᴦ. в британском городе Бирмингеме. Она соединила терминал международного аэропорта и расположенный неподалеку железнодорожный вокзал. Поезда на магнитной подвеске действуют также в Германии, Японии и Корее, хотя большинство из них не предназначены для высоких скоростей. Первый скоростной коммерческий поезд на магнитной подвеске начал ходить по запущенному в действие участку трассы в Шанхае; данный поезд движется по трассе со скоростью до 431 км/ч. Японский поезд на магнитной подвеске в префектуре Яманаси разогнался до скорости 581 км/ч — т. е. двигался значительно быстрее, чем обычные поезда на колесах.
Но устройства на магнитной подвеске чрезвычайно дороги. Один из путей к увеличению их эффективности — использование сверхпроводников, которые при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, полностью теряют электрическое сопротивление. Явление сверхпроводимости открыл в 1911 ᴦ. Хейке Камерлинг-Оннес. Суть его состояла в том, что некоторые вещества при охлаждении до температуры ниже 20 К (20° выше абсолютного нуля) теряют всякое электрическое сопротивление. Как правило, при охлаждении металла его электрическое сопротивление постепенно уменьшается. \'7bДело в том, что направленному движению электронов в проводнике мешают случайные колебания атомов. При уменьшении температуры размах случайных колебаний уменьшается, и электричество испытывает меньшее сопротивление.) Но Камерлинг-Оннес, к собственному изумлению, обнаружил, что сопротивление некоторых материалов при определенной критической температуре резко падает до нуля.
Физики сразу поняли важность полученного результата. При передаче на большие расстояния в линиях электропередачи теряется значительное количество электроэнергии. Но если бы сопротивление удалось устранить, электроэнергию можно было бы передавать в любое место почти даром. Вообще, возбужденный в замкнутом контуре электрический ток мог бы циркулировать в нем без потерь энергии миллионы лет. Более того, из этих необычайных токов несложно было бы создать магниты невероятной мощности. А имея такие магниты, можно было бы без усилий поднимать громадные грузы.
Несмотря на чудесные возможности сверхпроводников, применять их очень непросто. Держать большие магниты в баках с чрезвычайно холодными жидкостями очень дорого. Чтобы сохранять жидкости холодными, потребуются громадные фабрики холода, которые поднимут стоимость сверхпроводящих магнитов до заоблачных высот и сделают их использование невыгодным.
Но однажды физикам, возможно, удастся создать вещество, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ сохранит сверхпроводящие свойства даже при нагреве до комнатной температуры. Сверхпроводимость при комнатной температуре — ʼʼсвятой Граальʼʼ физиков-твердотельщиков. Получение таких веществ, по всей вероятности, послужит началом второй промышленной революции. Мощные магнитные поля, способные удерживать на весу машины и поезда, станут настолько дешевыми, что даже ʼʼпланирующие автомобилиʼʼ, возможно, окажутся экономически выгодными. Очень должна быть, что с изобретением сверх-проводников, сохраняющих свои свойства при комнатной температуре, фантастические летающие машины, которые мы видим в фильмах ʼʼНазад в будущееʼʼ, ʼʼОсобое мнениеʼʼ и ʼʼЗвездные войныʼʼ, станут реальностью.
В принципе вполне пред ставимо, что человек сможет надевать специальный пояс из сверхпроводящих магнитов, который позволит ему свободно левитировать над землей. С таким поясом можно было бы летать по воздуху, подобно Супермену. Вообще, сверхпроводимость при комнатной температуре явление настолько замечательное, что изобретение и использование таких сверхпроводников описано во множестве научно-фантастических романов (таких, как серия романов про Мир-Кольцо, созданная Ларри Нивеном в 1970 ᴦ.).
Десятки лет физики безуспешно искали вещества, которые обладали бы сверхпроводимостью при комнатной температуре. Это был утомительный скучный процесс — искали методом проб и ошибок, испытывая один материал за другим. Но в 1986 ᴦ. был открыт новый класс веществ, получивших название ʼʼвысокотемпературные сверхпроводникиʼʼ; эти вещества обретали сверхпроводимость при температурах порядка 90° выше абсолютного нуля, или 90 К. Это открытие стало настоящей сенсацией в мире физики. Казалось, распахнулись ворота шлюза. Месяц за месяцем физики соревновались друг с другом, стремясь установить новый мировой рекорд сверхпроводимости. Какое-то время даже казалось, что сверхпроводимость при комнатной температуре вот-вот сойдет со страниц научно-фантастических романов и станет реальностью. Но после нескольких лет бурного развития исследования в области высокотемпературных сверхпроводников начали замедляться.
Сегодня мировой рекорд для высокотемпературных сверхпроводников принадлежит веществу, представляющему собой сложный оксид меди, кальция, бария, таллия и ртути, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ становится сверхпроводящим при 138 К (-135 °С). Эта относительно высокая температура все еще очень далека от комнатной. Но и это—важный рубеж. Азот становится жидким при температуре 77 К, а жидкий азот стоит примерно столько же, сколько обычное молоко. По этой причине для охлаждения высокотемпературных сверхпроводников можно использовать обычный жидкий азот, это недорого. (Разумеется, сверхпроводники, остающиеся таковыми и при комнатной температуре, совсем не потребуют охлаждения.)
Неприятно другое. Сегодня не существует теории, которая объясняла бы свойства высокотемпературных сверхпроводников. Более того, предприимчивого физика, который сумеет объяснить, как они работают, ждет Нобелевская премия. (В известных высокотемпературных сверхпроводниках атомы организованы в четко выраженные слои. Многие физики предполагают, что именно слоистость керамического материала дает возможность электронам свободно передвигаться внутри каждого слоя, создавая таким образом сверхпроводимость. Но как именно и почему это происходит — по-прежнему загадка.)
Недостаток знаний вынуждает физиков искать новые высокотемпературные сверхпроводники по старинке, методом проб и ошибок. Это означает, что пресловутая сверхпроводимость при комнатной температуре должна быть открыта когда угодно—завтра, через год, или вообще никогда. Никто не знает, когда будет найдено вещество с такими свойствами и будет ли оно найдено вообще.
Но если сверхпроводники при комнатной температуре будут открыты, их открытие, скорее всего, породит громадную волну новых изобретений и коммерческих приложений. Обычными, возможно, станут магнитные поля, в миллион раз более сильные, чем магнитное поле Земли (ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ составляет 0,5 Гс).
Одно из свойств, присущих всем сверхпроводникам, носит название эффекта Мейснера. В случае если поместить магнит над сверхпроводником, магнит зависнет в воздухе, как будто поддерживаемый некой невидимой силой. [Причина эффекта Мейснера состоит по сути в том, что магнит обладает свойством создавать внутри сверхпроводника собственное ʼʼзеркальное отражениеʼʼ, так что настоящий магнит и его отражение начинают отталкиваться друг от друга. Еще одно наглядное объяснение этого эффекта — в том, что сверхпроводник непроницаем для магнитного поля. Он как бы выталкивает магнитное поле. По этой причине, в случае если поместить магнит над сверхпроводником, силовые линии магнита при контакте со сверхпроводником исказятся. Эти силовые линии и будут выталкивать магнит вверх, заставляя его левитировать.)
В случае если человечество получит возможность использовать эффект Мейснера, то можно вообразить шоссе будущего с покрытием из такой специальной керамики. Тогда при помощи магнитов, размещенных у нас на поясе или на днище автомобиля, мы сможем волшебным образом парить над дорогой и нестись к месту назначения без всякого трения или потерь энергии.
Эффект Мейснера работает только с магнитными материалами, такими как металлы, Но можно использовать сверхпроводниковые магниты и для левитирования немагнитных материалов, известных как парамагнетики или диамагнетики. Эти вещества сами по себе не обладают магнитными свойствами; они обретают их только в присутствии и под воздействием внешнего магнитного поля. Парамагнетики притягиваются внешним магнитом, диамагнетики отталкиваются.
Вода, к примеру, диамагнетик. Поскольку все живые существа состоят из воды, они тоже могут левитировать в присутствии мощного магнитного поля. В поле с магнитной индукцией около 15 Т (в 30 000 раз более мощном, чем магнитное поле Земли) ученым уже удалось заставить левитировать небольших животных, таких как лягушки. Но если сверхпроводимость при комнатной температуре станет реальностью, можно будет поднимать в воздух и крупные немагнитные объекты, пользуясь их диамагнитными свойствами.
В заключение отметим, что силовые поля в том виде, в каком их обычно описывает фантастическая литература, не согласуются с описанием четырех фундаментальных взаимодействий в нашей Вселенной. Но можно предположить, что человеку удастся имитировать многие свойства этих выдуманных полей при помощи многослойных щитов, включающих в себя плазменные окна, лазерные завесы, углеродные нанотрубки и вещества с переменной прозрачностью. Но реально такой щит должна быть разработан лишь через несколько десятилетий, а то и через столетие. И в случае, в случае если сверхпроводимость при комнатной температуре будет обнаружена, у человечества появится возможность использовать мощные магнитные поля; возможно, с их помощью удастся поднять в воздух автомобили и поезда, как мы видим в фантастических фильмах.
Принимая все это во внимание, я бы отнес силовые поля к I классу невозможности, т. е. определил их как нечто невозможное для сегодняшних технологий, но реализуемое в модифицированной форме в течение ближайшего столетия или около того.
referatwork.ru
Магнитная левитация
Если мы поднесем северный полюс постоянного магнита к северному же полюсу другого такого же магнита, магниты будут отталкиваться друг от друга. (Если мы перевернем один из магнитов и поднесем его южным полюсом к северному полюсу другого, два магнита будут притягиваться.) Этот же принцип — то, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, — можно использовать для подъема с земли огромных тяжестей. Уже сейчас в нескольких странах идет строительство технически передовых поездов на магнитной подвеске. Такие поезда проносятся не по путям, а над ними на минимальном расстоянии; на весу их удерживают обычные магниты. Поезда как бы парят в воздухе и могут благодаря нулевому трению развивать рекордные скорости.
Первая в мире коммерческая автоматизированная транспортная система на магнитной подвеске была запущена в действие в 1984 г. в британском городе Бирмингеме. Она соединила терминал международного аэропорта и расположенный неподалеку железнодорожный вокзал. Поезда на магнитной подвеске действуют также в Германии, Японии и Корее, хотя большинство из них не предназначены для высоких скоростей. Первый скоростной коммерческий поезд на магнитной подвеске начал ходить по запущенному в действие участку трассы в Шанхае; этот поезд движется по трассе со скоростью до 431 км/ч. Японский поезд на магнитной подвеске в префектуре Яманаси разогнался до скорости 581 км/ч — т. е. двигался значительно быстрее, чем обычные поезда на колесах.
Но устройства на магнитной подвеске чрезвычайно дороги. Один из путей к увеличению их эффективности — использование сверхпроводников, которые при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, полностью теряют электрическое сопротивление. Явление сверхпроводимости открыл в 1911 г. Хейке Камерлинг-Оннес. Суть его состояла в том, что некоторые вещества при охлаждении до температуры ниже 20 К (20° выше абсолютного нуля) теряют всякое электрическое сопротивление. Как правило, при охлаждении металла его электрическое сопротивление постепенно уменьшается. (Дело в том, что направленному движению электронов в проводнике мешают случайные колебания атомов набор монет города воинской славы . При уменьшении температуры размах случайных колебаний уменьшается, и электричество испытывает меньшее сопротивление.) Но Камерлинг-Оннес, к собственному изумлению, обнаружил, что сопротивление некоторых материалов при определенной критической температуре резко падает до нуля.
Физики сразу поняли важность полученного результата. При передаче на большие расстояния в линиях электропередачи теряется значительное количество электроэнергии. Но если бы сопротивление удалось устранить, электроэнергию можно было бы передавать в любое место почти даром. Вообще, возбужденный в замкнутом контуре электрический ток мог бы циркулировать в нем без потерь энергии миллионы лет. Более того, из этих необычайных токов несложно было бы создать магниты невероятной мощности. А имея такие магниты, можно было бы без усилий поднимать громадные грузы.
Несмотря на чудесные возможности сверхпроводников, применять их очень непросто. Держать большие магниты в баках с чрезвычайно холодными жидкостями очень дорого. Чтобы сохранять жидкости холодными, потребуются громадные фабрики холода, которые поднимут стоимость сверхпроводящих магнитов до заоблачных высот и сделают их использование невыгодным.
Но однажды физикам, возможно, удастся создать вещество, которое сохранит сверхпроводящие свойства даже при нагреве до комнатной температуры. Сверхпроводимость при комнатной температуре — «святой Грааль» физиков-твердотельщиков. Получение таких веществ, по всей вероятности, послужит началом второй промышленной революции. Мощные магнитные поля, способные удерживать на весу машины и поезда, станут настолько дешевыми, что даже «планирующие автомобили», возможно, окажутся экономически выгодными. Очень может быть, что с изобретением сверхпроводников, сохраняющих свои свойства при комнатной температуре, фантастические летающие машины, которые мы видим в фильмах «Назад в будущее», «Особое мнение» и «Звездные войны», станут реальностью.
В принципе вполне представимо, что человек сможет надевать специальный пояс из сверхпроводящих магнитов, который позволит ему свободно левитировать над землей. С таким поясом можно было бы летать по воздуху, подобно Супермену. Вообще, сверхпроводимость при комнатной температуре явление настолько замечательное, что изобретение и использование таких сверхпроводников описано во множестве научно-фантастических романов.
Десятки лет физики безуспешно искали вещества, которые обладали бы сверхпроводимостью при комнатной температуре. Это был утомительный скучный процесс — искали методом проб и ошибок, испытывая один материал за другим. Но в 1986 г. был открыт новый класс веществ, получивших название «высокотемпературные сверхпроводники»; эти вещества обретали сверхпроводимость при температурах порядка 90° выше абсолютного нуля, или 90 К. Это открытие стало настоящей сенсацией в мире физики. Казалось, распахнулись ворота шлюза. Месяц за месяцем физики соревновались друг с другом, стремясь установить новый мировой рекорд сверхпроводимости. Какое-то время даже казалось, что сверхпроводимость при комнатной температуре вот-вот сойдет со страниц научно-фантастических романов и станет реальностью. Но после нескольких лет бурного развития исследования в области высокотемпературных сверхпроводников начали замедляться.
В настоящее время мировой рекорд для высокотемпературных сверхпроводников принадлежит веществу, представляющему собой сложный оксид меди, кальция, бария, таллия и ртути, которое становится сверхпроводящим при 138 К (-135 °С). Эта относительно высокая температура все еще очень далека от комнатной. Но и это — важный рубеж. Азот становится жидким при температуре 77 К, а жидкий азот стоит примерно столько же, сколько обычное молоко. Поэтому для охлаждения высокотемпературных сверхпроводников можно использовать обычный жидкий азот, это недорого. (Разумеется, сверхпроводники, остающиеся таковыми и при комнатной температуре, совсем не потребуют охлаждения.)
Неприятно другое. В настоящее время не существует теории, которая объясняла бы свойства высокотемпературных сверхпроводников. Более того, предприимчивого физика, который сумеет объяснить, как они работают, ждет Нобелевская премия. (В известных высокотемпературных сверхпроводниках атомы организованы в четко выраженные слои. Многие физики предполагают, что именно слоистость керамического материала дает возможность электронам свободно передвигаться внутри каждого слоя, создавая таким образом сверхпроводимость. Но как именно и почему это происходит — по-прежнему загадка.)
Недостаток знаний вынуждает физиков искать новые высокотемпературные сверхпроводники по старинке, методом проб и ошибок. Это означает, что пресловутая сверхпроводимость при комнатной температуре может быть открыта когда угодно — завтра, через год, или вообще никогда. Никто не знает, когда будет найдено вещество с такими свойствами и будет ли оно найдено вообще.
Но если сверхпроводники при комнатной температуре будут открыты, их открытие, скорее всего, породит громадную волну новых изобретений и коммерческих приложений. Обычными, возможно, станут магнитные поля, в миллион раз более сильные, чем магнитное поле Земли (которое составляет 0,5 Гс).
Одно из свойств, присущих всем сверхпроводникам, носит название эффекта Мейснера. Если поместить магнит над сверхпроводником, магнит зависнет в воздухе, как будто поддерживаемый некой невидимой силой. (Причина эффекта Мейснера заключается в том, что магнит обладает свойством создавать внутри сверхпроводника собственное «зеркальное отражение», так что настоящий магнит и его отражение начинают отталкиваться друг от друга. Еще одно наглядное объяснение этого эффекта — в том, что сверхпроводник непроницаем для магнитного поля. Он как бы выталкивает магнитное поле. Поэтому, если поместить магнит над сверхпроводником, силовые линии магнита при контакте со сверхпроводником исказятся. Эти силовые линии и будут выталкивать магнит вверх, заставляя его левитировать.)
Если человечество получит возможность использовать эффект Мейснера, то можно вообразить шоссе будущего с покрытием из такой специальной керамики. Тогда при помощи магнитов, размещенных у нас на поясе или на днище автомобиля, мы сможем волшебным образом парить над дорогой и нестись к месту назначения без всякого трения или потерь энергии.
Эффект Мейснера работает только с магнитными материалами, такими как металлы. Но можно использовать сверхпроводниковые магниты и для левитирования немагнитных материалов, известных как парамагнетики или диамагнетики. Эти вещества сами по себе не обладают магнитными свойствами; они обретают их только в присутствии и под воздействием внешнего магнитного поля. Парамагнетики притягиваются внешним магнитом, диамагнетики отталкиваются.
Вода, к примеру, диамагнетик. Поскольку все живые существа состоят из воды, они тоже могут левитировать в присутствии мощного магнитного поля. В поле с магнитной индукцией около 15 Т (в 30 000 раз более мощном, чем магнитное поле Земли) ученым уже удалось заставить левитировать небольших животных, таких как лягушки. Но если сверхпроводимость при комнатной температуре станет реальностью, можно будет поднимать в воздух и крупные немагнитные объекты, пользуясь их диамагнитными свойствами.
В заключение отметим, что силовые поля в том виде, в каком их обычно описывает фантастическая литература, не согласуются с описанием четырех фундаментальных взаимодействий в нашей Вселенной. Но можно предположить, что человеку удастся имитировать многие свойства этих выдуманных полей при помощи многослойных щитов, включающих в себя плазменные окна, лазерные завесы, углеродные нанотрубки и вещества с переменной прозрачностью. Но реально такой щит может быть разработан лишь через несколько десятилетий, а то и через столетие. И в случае, если сверхпроводимость при комнатной температуре будет обнаружена, у человечества появится возможность использовать мощные магнитные поля; возможно, с их помощью удастся поднять в воздух автомобили и поезда, как мы видим в фантастических фильмах.
Интересная статья? Поделись ей с другими:
Комментировать материалы сайта могут только зарегистрированные пользователи. Зарегистрируйтесь пожалуйста для полноценной роботы с сайтом.Спасибо!
quantum-tech.ru
Магнитная левитация: удивительное перед глазами
Левитация, то есть бесконтактное преодоление силы притяжения, является одним из активно разрабатываемых направлений исследований современных учёных. Использование данного феномена открывает широкие перспективы для развития технологий и создания более совершенных технических средств. Наибольшего прогресса на сегодняшний день исследователям и инженерам позволяет добиться магнитная левитация. Именно на ней основаны такие современные технологические нововведения, как поезда на магнитной «подушке» или специальные ветрогенераторы.
Магнитная левитация - не левитация магнита
Зачастую можно столкнуться с распространённым заблуждением, что магнитная левитация это свободный полёт магнита. В действительности имеется в виду левитация в магнитном поле, то есть преодоление гравитационных сил, направленных на материальный предмет, с помощью воздействия на него магнитного поля. Магнитное поле обладает такой характеристикой, как магнитное давление, которое может быть использовано для нейтрализации силы гравитации. Другими словами, если сила притяжения «давит» на тело сверху вниз, то магнитное давление можно направить таким образом, что оно будет «давить» на объект снизу вверх.
Сложность практического осуществления магнитной левитации состоит в том, что само по себе статическое магнитное поле не в состоянии противостоять силе притяжения.
Для этого магнитное давление слишком неустойчиво и нестабильно, оно не может быть сфокусированным в одной точке пространства. Однако с помощью внедрения дополнительных элементов эту проблему можно решить, то есть стабилизировать магнитное поле и с его помощью зафиксировать предмет в гравитационном поле. Это означает, что посредством магнитного поля, обладающего динамической устойчивостью, можно фактически создать область невесомости. Динамическая устойчивость магнитного поля достигается различными способами. Наиболее распространено внедрение в систему электрического тока с помощью сверхпроводящих материалов (имеющих нулевое электрическое сопротивление при определённой температуре). Также используются электромагнитные установки, регулируемые электронной системой стабилизации.
Железные дороги на левитации
На самом деле давняя цель учёных-энтузиастов и всевозможных футурологов - использование левитации для перемещения человека - уже достигнута. Правда, большинство проектов разрабатывают идею портативного левитационного устройства, предельно компактного (размером и весом с обычный рюкзак, например), которым может воспользоваться человек для контролируемого, но при этом свободного полёта. Но реализованная идея магнитной левитации куда практичнее - это высокоскоростные поезда на магнитной подушке.
Такие поезда, которые часто именуются маглевы (от словосочетания «магнитная левитация»), уже являются составной частью транспортной инфраструктуры Японии. Правда, и в этой стране поезда на магнитной подушке занимают ничтожную часть в общем объёме транспортных средств. Причина проста и банальна - создание транспортной сети для маглевов требует весьма значительных финансовых вливаний. К сожалению, существующие железные дороги не могут быть использованы для поездов будущего поколения.
Маглевы используют совершенно иной принцип движения - они передвигаются на электромагнитном поле, создаваем мощными магнитами, проложенными под колеей.
Движение осуществляется с помощью линейного двигателя, который может располагаться как на всём протяжении дороги, так и в самом поезде. То обстоятельство, что такие поезда практически осуществляют левитационный полёт, то есть не соприкасаются с поверхностью земли, помогают им избежать потерь скорости на трении. Единственным тормозящим фактором для такого поезда является аэродинамическое сопротивление встречного воздуха. На испытаниях маглевы показывали скорость примерно в 1000 километров в час, а в ходе эксплуатационных рейсов с пассажирами на борту, достигали скорости в почти 600 километров в час. Более того: разрабатывается идея строительства специальных тоннелей, в которых будет достигнуто состояние почти что вакуума. За счёт этого снизятся и потери скорости от аэродинамического сопротивления и поезда смогут передвигаться ещё быстрее. Но на данный момент создание широкой транспортной сети для маглевов проблематично: придётся создавать магистрали, фактически дублирующие существующую дорожную сеть для традиционных видов транспорта.
Левитация поможет получать энергию
Другим очень перспективным направлением практического использования магнитной левитации являются магнитные подшипники, используемые в качестве ключевых деталей различных устройств и механизмов. Очевидным преимуществом подшипников на магнитной левитации является снятие проблемы износа материала. Традиционные подшипники достаточно быстро приходят в негодность, так как на них приходится основная механическая нагрузка. Зачастую это означает не только дополнительные расходы, но и повышенный риск безопасности для жизни и здоровья людей. В магнитных подшипниках износ деталей многократно меньше, так как и механического контакта между ними нет. Это открывает простор для использования таких подшипников в экстремальных условиях, где затруднены ремонтные работы (например, в атомной энергетике или в условиях особенно высоких или низких температур).
Вместе с тем уже находят широкое применение такие устройства, как вертикальные ветрогенераторы на магнитной левитации. Именно использование в них магнитных подшипников делает их особенно привлекательным способом получения электроэнергии из энергии ветра. Фактически ротор ветрогенератора висит в воздухе, опираясь на подшипники, парящие с помощью магнитной левитации. Для обычных ветрогенераторов надёжные опоры были большой проблемой: помимо значительного веса всего устройства дополнительной нагрузкой было активное воздействие ветра, который расшатывал весь генератор.
Но данные принципы используются не только в высокотехнологичной промышленности, возможна и магнитная левитация своими руками.
Получить собственный пример воздействия магнитного поля на гравитацию поможет диамагнитная левитация. Существуют вещества-диамагнетики, то есть получающие магнитный заряд против направления внешнего магнитного поля. При использовании таких веществ вместе с мощными магнитами левитировать будет именно магнит. К числу веществ-диамагнетиков относятся золото, серебро, медь, фосфор, цинк, водород, азот и другие.
Александр Бабицкий
Статьи по теме
www.chuchotezvous.ru
Магнитная левитация - Просто и ясно
Вот этот эффект я просто обожаю. На днях откопали среди шурушков застарелую таблетку иттрий-бариевого оксидного купрата (YBCO), которая, несмотря на ужасные условия хранения, сохранила немного сверхпроводящих свойств.
В связи с этим я незамедлительно провел серию экспериментов по подвешиванию магнитиков в воздухе (магнитной сверхпроводниковой левитации).
Зависает магнит следующим образом. Берётся тёплый сверхпроводник, находящийся при температуре выше критической. То есть выше той, при которой он переходит в состояние сверхпроводимости.
В этом состоянии он является очень плохим проводником тока с невероятно-слабыми магнитными свойствами. Силовые линии магнитного поляв внешнего магнита проходит через него практически без искажения.
Берутся так же магнитик и пласмасска определенной толщины. Магнит кладется на сверхпроводник (или наоборот), а между ними пластмасска. Затем сверхпроводник охлаждается жидким азотом. Температура кипения жидкого азота -195.8°С, а критическая температура YBCO около -184°C.
Сверхпроводимость характеризуется так назыаемым эффектом Мейснера - полным выталкиванием магнитного поля из толщи сверхпроводника. Так что магнитный поток, который до этого свободно проходил через сверхпроводник оказывается в необычном положении. Он достаточно силён, чтобы немного помешать полному переходу сверхпроводника в сверхпроводящее состояния при данной темепературе и не вытесниться из обёма полностью. Но недостаточно силён, чтобы разрушить сверхпроводимость полностью.
И тут происходит чудо. Внутри сверхпрводника возникает множество крохотных участков, которые не являются сверхпроводящими. В них стягиваются магнитные линии внешнего магнита. Но так как вокруг них весь остальной материал сверхпроводящий, вокруг этих зон начинают циркулировать токи, создающие точно такое же поле, только обратного направления, чтобы скомпенсировать внешнее поле и не позоволить ему проникнуть вглубь.
Силовые линии при этом стягиваются в эти точки, каждая из которых может пропустить через себя не какое-то произвольную, а строго квантованную величину магнитного потока. Квант магнитного потока - фундаментальная постоянная, определяемая постоянной Планка и зарядом электрона. Через каждую такую зону может проходить только кратное количество квантов. А из энергетических соображений в данном случае может проходить только один квант через каждый.
Эти структуры - с крохотной нормальной зоной, несущей квант магнитного потока и циркулирующий вокруг него незатухающий ток называются вихрями Абрикосова.
Чудо заключается в том, что т.к. токи незатухающие, то сверхпроводник "запоминает" профиль поля магнита и в точности его копирует. В силу сверхпроводимости, единожды образовавшись ток уже не затухает, поэтому сверхпроводник будет препятствовать изменению магнитного потока.
Иначе говоря, если вы придвините магнит ближе и попробуете вдавить больше силовых линий, он будет отталкиваться. Если же начнете удалять и, таким образом уменьшать магнитный поток, он будет притягиваться. Даже если с силой удалить магнит в который "вморозился" поток постоянного магнита, то когда вы вернете его на место, он впрыгнет туда же, где он изначально стоял.
Если же приблизить магнит достаточно близко и с силой, то можно "вдавить" немного магнитного поля в сверхпроводник, разрушив чуть больше сверхпроводимости. Тогда вихрей Абрикосова в объёме добавится и высота будет чуть ниже.
Когда вихрей абрикосова становится так много, что они оначинают перекрываться, это момент полного разрушения сверхпроводимости в сверхпроводнике второго рода внешним магнитным полем.
Церковные низкотехнологичные чудеса отдыхают :)
Кто-нибудь дочитал до конца? :-)
morbid-dezir.livejournal.com
|
|
..:::Счетчики:::.. |
|
|
|
|
|
|
|
|