Физические основы магнитной левитации на постоянных магнитах. Конспект презентации проекта по физике на тему «Магнитная левитация

Как известно, у Земли, в силу сложившегося миропорядка, существует определенное 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 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 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, 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. 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?

3.4. Магнитостат.

"Магнитостат - аппарат способный

перемещаться в магнитном поле

за счет диамагнитной выталкивающей

силы, действующей на все

диамагнетики в магнитных полях"

Частично силовые линии внешнего магнитного поля частично стремятся обогнуть диамагнетик

>

Но наиболее это ярко выражено у сверхпроводников. Исходное магнитное поле старается сомкнуться и вытолкнуть из себя эту магнитную аномалию. А так как F1>F2 (см. рис.3) то мы локально получим аналог Силі Архимеда (Fa), для магнитного поля.

И диамагнетики и сверхпроводники вытесняются из магнитного поля с большей интенсивностью в магнитное поле с меньшей интенсивностью. Естественно, что интенсивность магнитного поля в магнитосфере вблизи поверхности Земли и выше отличается. Поэтому и в магнитном поле Земли также на все диамагнетики и сверхпроводники действует выталкивающая силы, и если бы магнитное поле Земли было бы достаточно сильным, то и в нем бы наблюдалась "Диамагнитная Левитация". Главный вопрос состоит в том, что способна ли сила магнитной левитации обеспечит достаточную подъемную силу для полета летательного аппарата? Математический анализ: Предположим, что поле внутри диамагнитного шара ноль. Шар сделан из сверхтонкой пленци свинца и охлажден до 4К. При перемещении шара, а точнее сферы из области с высокой напряженностью поля в область с низкой мы имеем разность энергетических состояний. В данном случае совершается работа. Которая равна произведению силы на путь, который в данном случае есть подьем по высоте. Таким образом, можно найти силу как дифференциал магнитной энергии по высоте.
Обьемная энергия магнитного поля (в системе СИ на метьр кубический) вычисляется как
квадрат магнитной индукции деленный на 2 и на магнитную постоянную
(или как квадрат напряженности помноженный на магнитную постоянную и деленный на два, как кому больше нравится)
дифференцируем это выражение по dh, где h это координата высоты.
Получаем силу F (действующей в вертикальном направлении) как равной:
произведению магнитной индукции на ее градиент по высоте, деленные на магнитную постоянную.
На уровне максимальная индукция магнитного поля Земли 5*10Е-5 Тл,
максимальный градиент магнитного поля Земли -2*10Е-11 (!!!) Тл/метр
Получаем -10Е-9 ньютона, или примерно 0,1 микрограмма подьемной силы на метр кубический.
КУБИЧЕСКИЙ КИЛОМЕТР такого шара поднимет 100 грам, то есть стакан водки.
Отсюда, строя некие соленоиды на Земле можно в целом увеличить это значение примерно на три порядка. Что очень-очень мало. Комментарии Как мы видим из математического анализа диамагнитная левитация в магнитном поле Земли, с использованием идеального диамагнетики которым является сверхпроводник, вполне возможна, если конечно сверхпроводящий шар диаметром в 1 км, будет весить меньше 100 грамм. Также есть возможность в какой то мере увеличить подъемную силу данного аппарата, за счет изменения конструкции.

Но все равно в чистом виде, левитация в магнитном поле Земли, без наличия статического электрического заряда, который взаимодействует также и с электрическим полем Земли, врядли возможно. Но электрического поле нестабильно по высоте и сильно ослабевает на высоте 8-10 км . Увы неподвижное магнитное поле не взаимодействует с неподвижными зарядами. Что-то одно должно двигаться. Сфера применения. Подъемная сила диамагнитного летательного аппарата из сверхпроводника (идеального диамагнетика) прямо пропорциональна площади оболочки летательного аппарата и обратно пропорциональна массе летательного аппарата: F=k*(S/M) F-подъемная сила k-коэффициент пропорциональности S-площадь оболочки летательного аппарата M-масса летательного аппарата Из этого соотношения видно, что толкающая сила F зависит от площади, оболочки летательного аппарата и массы летательного аппарата При это чем больше площадь тем, больше подъемная силы. А вот масса которая естественно возрастает при увеличении площади оболочки уменьшает силу F. Но в космосе, в невесомости увеличение массы, не столь критично по сравнению с условиями существующими на Земле. В невесомости площадь аппарата может быть огромной, мы готовы разворачивать многокилометровые "Солнечные паруса". Использование же сверхпроводника, позволит получить стабильную прогнозируемую толкающую силу, без привязки к "солнечному ветру", а учитывая площадь магнитостата то, сверхпроводящая оболочка может работать также как и "солнечный парус", а дополнительная толкающая сила (Fd), сделает этот аппарат более маневренным. При чем сила (Fd) будет двигать аппарат по круговой орбите вокруг Солнца, а "Солнечный ветер" (Fs)будет сносить аппарат от Солнца.

В виду, того, что сила (Fd) направлена перпендикулярно силовым линиям, и будет направлять аппарат вокруг солнца, а "солнечный ветер", создает силу (Fs) от Солнца. При чем если площадь, аппарата, будет достаточно велика, то он сможет перемещаться не только в магнитном поле Солнца, к самым окраинам Солнечной системы, а и далее в уже магнитном поле нашей галактики , направившись к другим Звездам, как за счет диамагнитной силы (Fd) так и за счет силы (Fs). Вне солнечной системы сила Fs (сила давления солнечного ветра и света) будет минимальной и ею можно пренебречь. Также надо понимать, что возможно "привязка" к магнитному полю. Вполне может заменить аппарату, гигантские солнечные паруса. В силу того, что "Поток солнечной плазмы "выметает" из внутренней части солнечной системы планетные и галактические магнитные поля. Солнечный ветер будет "гнать" галактическое поле перед собой до тех пор, пока не будет достигнуто динамическое равновесие между давлением солнечного ветра и давлением галактической среды. Это происходит на расстоянии от 10 до 100 астрономических единиц", типичные величины скоростей между 300 и 800 км/с , и это без учета того, что это магнитное поле имеет также тенденцию двигаться вокруг вращающегося Солнца, в вернее с ним. А магнитостат, в силу своей диамагнитности, как бы "вморожен" в это вращающееся, двигающееся и гонимое солнечным ветром, магнитное поле. В этом смысле это магнитное поле может стать для магнитостата аналогом "солнечного паруса". Особенности конструкции. Устройство летательного аппарата весьма просто. Это будет шар, но разделенный на восемь или даже более сегментов при этом каждая полусфера будет поделена на четыре сегмента, в принципе так же как и в футбольном мяче. Управление летательного аппарата осуществляется при помощи "включения" и "отключения" отдельных сегментов оболочки шара. Включение сегмента означает, что сверхпроводящий лист находится, соответственно, в сверхпроводящем состоянии. Отключение сегмента означает, что сверхпроводящий лист переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние путем повышения температуры листа. Для этого просто достаточно убрать светозащитное покрытие или другим способом нагреть этот лист. Если же мы хотим восстановить сверхпроводящие свойства экрана, надо вновь охладить путем исключив на него попадание солнечных лучей, при этом сегмент охладится просто излучая в вакуум тепло в виде электромагнитных волн, теплового спектра.

При "отключении" сегмента при переводе их в обычное состояние появляется толкающая сила направленная в сторону выключенного сегмента, при этом магнитные силовые линии легко пронизывают "выключенный" сегмент шара. Естественно, что весь летательный аппарат движется в этом направлении. Для перемещения такого магнитного летательного аппарата в космосе необходимо только наличие магнитного поля. Естественно, что в межзвездном пространстве, где излучение от звезд относительно не велико следует предусмотреть более традиционные способы нагрева то есть "выключение" сегментов. Конструкция сегментов. Каждый сегмент это сендвич: световой экран, сверхпроводник, тепловой экран. Вне шара и в полостях между экранами находится космический вакуум, в котором все тела интенсивно охлаждаются за счет теплового излучения с поверхности аппарата . Вот конструкция сегмента в разрезе.

Охлаждение "включение" сегмента происходит за счет теплоотдачи излучением, которая пропорциональна площади поверхности и, по закону Стефана - Больцмана, четвертой степени ее температуры. Охлаждение в вакууме, в условиях космоса возможно: как путем испарения жидкости и тепловым излучением с поверхности аппарата. Испарители применяют редко, ведь для них надо брать с собой запас "хладагента". Гораздо чаще используют радиаторы, помогающие "излучать" тепло в космос . Нагрев или же "выключение" сегмента также происходит естественным способом, при попадании на сверхпроводник световой энергии. Для этого светоотражающий экран, должен стать хотя бы частично прозрачным для лучей солнца. Эпилог. В основе создания толкающей без реактивной силы с помощью которой вполне возможно летать в межпланетном и даже межзвездном пространстве практически без затрат энергии, лежит хорошо всем известный эффект выталкивания диамагнетиков из магнитного поля. Фактически сила выталкивающая диамагнетик из магнитного поля есть аналог всем известной сила Архимеда, но уже действующая в магнитном поле. А раз диамагнитная выталкивающая сила есть аналог Силы Архимеда, за счет которой левитируют в атмосфере все Стратостаты. То по аналогии я и назвал аппарат способный перемещаться в магнитном поле - "МАГНИТОСТАТОМ". Предполагаю, что если неким образом "скрестить" магнитостат с конденсатором, решив проблему концентрации большого электрического заряда в относительно не большом объеме. То магнитостат сможет левитировать и в пределах электрического поля Земли. Литература: 1. Моделист конструктор 1975-2. Февраль 1975 года. И. Евстратов. Элекоптер-магнитолет? http://publ.lib.ru/ARCHIVES/M/%27%27Modelist-konstruktor%27%27/%27%27MK%27%27,1975,N02.%5Bdjv%5D.zip 2. Левитация (физика) http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_%28%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0%29#.D0.94.D0.B8.D0.B0.D0.BC.D0.B0.D0.B3.D0.BD.D0.B8.D1.82.D0.BD.D0.B0.D1.8F_.D0.BB.D0.B5.D0.B2.D0.B8.D1.82.D0.B0.D1.86.D0.B8.D1.8F 3. Диамагнетики. Материал из Википедии -- свободной энциклопедии http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%B0%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8#.D0.94.D0.B8.D0.B0.D0.BC.D0.B0.D0.B3.D0.BD.D0.B8.D1.82.D0.BD.D0.B0.D1.8F_.D0.BB.D0.B5.D0.B2.D0.B8.D1.82.D0.B0.D1.86.D0.B8.D1.8F 4. Закон Архимеда. Словари и Энциклопедии на Академики. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/154577 5.Диамагнетизм Материал из Википедии -- свободной энциклопедии http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%B0%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%B7%D0%BC 6.МАГНИТНАЯ ЛЕВИТАЦИЯ. http://interjurnal.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=1%3A2010-05-15-13-22-49&catid=14%3A2010-05-15-06-28-28&Itemid=15?=ru 7. МЕЖГАЛАКТИЧЕСКОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Ю.Н. ГНЕДИН, доктор физико-математических наук ГАО РАН http://www.inauka.ru/astronomy/article99696/print.html 8. Электростат. http://zhurnal.lib.ru/l/lemeshko_a_w/aba.shtml 9. Игорь Афанасьев, Дмитрий Воронцов Анатомия спутника http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/6330/ 10. http://works.tarefer.ru/89/100141/index.html Андрей. 2010

Давайте подробнее рассмотрим принцип действия левитации: создается очень мощное силовое поле, в которое помещают человека, который обладает собственным энергетическим полем, или некий предмет. Левитация не будет наблюдаться, если линии направленности энергетических полей совпадут. Если же силовые поля и линии не совпадут, то мы сможем наблюдать эффект левитации. Как результат, мы получаем предмет (или человека) опирающийся на энергетическое поле Земли. При повышении своей энергетики, мы создаем и расширяем вокруг себя дополнительное энергополе.
Существует такое понятие как «смена полярности» . Этот процесс заключается в следующем. Как давно известно, магнит имеет два противоположных полюса «+» и «-» . Так и человек имеет две стороны — духовную и материальную.

Человек, живущий материальным, никогда не сможет «парить». Потому, что у него большая сила притяжения к Земле (гравитация); то есть направленности полей совпадают. Если же в человеке превышает духовное начало, он стремиться к чему-то возвышенному, то постепенно будет «терять вес».

Многие случаи левитации были в моменты прорывов сознания, экстаза, связи с абсолютной силой.

Магнитная левитация

Ранее мы уже говорили немного о левитации магнитов. Сейчас вы узнаете об этом ещё больше.

Магнитная левитация – это метод, который состоит в том, что подъём предмета производиться с помощью только магнитного поля. Чаще всего используется в физике.
Левитация возможна при использовании диамагнетиков, сверхпроводников, сервомеханизмов, систем с вихревыми токами. Магнитные системы и материалы притягивают и отталкивают друг друга с такой силой, которая зависит от магнитного поля, а также от поверхности магнита.

Магнитная левитация используется в транспорте. Её ещё называют маглев.

Маглев — способ транспортирования, который направляет, приводит и подвешивает в движение транспортные средства, при этом используя магнитную левитацию. Такой способ тихий и быстрый. Максимальная скорость, которая была зафиксирована у Маглева, равна 581 км/ч (Япония, 2003 г.).

Магнитная левитация была продемонстрирована на живых объектах и подтверждена опытами.

Впервые на себе испытала эффект левитации мышь. Учёные из NASA заставили лабораторную мышь левитировать над поверхностью благодаря созданному магнитному полю достаточной силы. То есть F >P, где F – это сила поля, а P – вес мыши. Созданный магнит работает при комнатной температуре. Это удивительный факт, ведь раньше такого добиться не удавалось. До этого такие опыты проводились на меньших животных (лягушках, жуках).

Исследователи из США, Университет Райса зашли ещё дальше. Они утверждают, что при помощи магнитной левитации можно вырастить искусственные органы. Ведь тогда они имели бы трехмерную структуру. Это помогло б проводить разные эксперименты. И был создан «воздушный капилляр».

Акустическая левитация

Ещё один эксперимент левитации человека основывается на помощи звука, эффекте стоячих волн.

Акустическая левитация – феномен, при котором силе тяжести противодействуют звуковые волны, это позволяет предмету парить в воздухе. Образуются стоячие волны с помощью звуковых разрядов. Подъём произойдёт тогда, когда частота волн совпадёт с частотой объекта.

Может казаться, что это невероятно, ведь как звук может поднять предмет. Но это очень реальное явление, известное ещё в древности.
Исследованиями акустических возможностей человека занимается Институт Ксана. Они основаны на знаниях о воздухе, свойствах звука и гравитации.

Звук – это вибрации; они происходят во всякой среде (газ, жидкость, твердой). Звуковые волны идут от источника, который может менять форму. Пример: от удара заставляет колокол вибрировать в воздухе. Звук не будет распространяться, если нет молекул (как в вакууме).

Акустическая левитация состоит из двух частей:

1. Преобразователь (поверхность, производит волны);
2. Отражатель (пластина, отражает волну).

Если правильно использовать стоячие звуковые волны, то можно подвесить каплю воды прямо в воздухе.
Принцип действия такой левитации: звуковые волны производится в закрытой области; за счёт этого образуются области разного уровня давления.

В чём же всё-таки состоит секрет левитации? Тут точки зрения расходятся, и точный ответ не найден. Одни говорят, что люди неким образом умеют уменьшать вес своего тела; другие объясняют этот феномен существованием в человеке сил «подъёма», они действуют только в состоянии транса (йоги).

Но существует ещё и такая теория: человек – это потомок инопланетных существ; от них мы получили способность преодолевать гравитацию. Нужно, чтобы у каждого человека просто проснулась генная память, тогда все мы сможем летать, и левитация не будет чем-то необычным и загадочным.

Сейчас существует масса фокусов, секретов, которые нам показывают на сцене. Крис Энджел – и фокусник, и иллюзионист, и каскадёр – проделал такой трюк, в котором он показывает свою способность левитировать (пролетает над домами). Такой известный иллюзионист как Дэвид Коперфильд неоднократно показывал полет над сценой, во время своих блестящих выступлений. Секрет их выступлений довольно простой. Много кто думал о магнитном поле, которое образовано с помощью огромных магнитов, которые находятся под сценой. Но всё оказалось ещё проще. Коперфильд летает благодаря проволке; металлические нити тонкие и их очень трудно заметить, особенно из зала.

Тема левитации стала очень популярной. Её описывают в литературе, снимают фильмы об этом феномене. Например, сериал «Зачарованные» — Фиби, младшая из сестёр, обладает левитацией; сериал «Kyle XY» — левитирует сам главный герой; сериал «Герои» — этим феноменом одарены братья Петрелли, Вест Розен и Сайлар.

Как говорят многие учёные «Рождённый ползать – летать не будет». Вы можете верить в магическую левитацию или наоборот доказывать, что возможна лишь магнитная левитация. Но вывод один – этот феномен действительно реален и его стоит исследовать глубже.

Наука не стоит на месте, эксперименты будут продолжаться.

Но каждый из вас должен помнить, что первый шаг к левитации – это повышение собственной энергетики! Пусть духовное начало превышает над материальным, умейте владеть своими эмоциями, стремитесь освободиться от земной суеты, если хотите лететь ввысь.

конспект презентации ПРОЕКТНОЙ РАБОТы по физике на тему «МАГНИТНАЯ ЛЕВИТАЦИЯ»

с егодня я хочу представить свой проект, который называется «Магнитная левитация» . Мой проект является исследовательским, поэтому целью проекта является исследование магнитных явлений и возможностей их потенциального использования в современной технике. ( слайд 1-2 )

Почему я выбрал эту тему? Очень давно, как только я узнал о свойствах магнитов притягиваться и отталкиваться, меня стал интересовать вопрос: можно ли использовать это свойство магнитов для удержания предметов в воздухе в состоянии «парения» над землёй? Например, можно ли создать диван, «висящий» в воздухе и мягко амортизирующий, когда вы садитесь на него? ( слайд 3 )

С целью ответить на этот и другие похожие вопросы я поставил следующие задачи : ( слайд 4 )

изучить магнитные свойства веществ;

исследовать возможность магнитной левитации и

выявить потенциальные области применения магнитной левитации

В ходе исследований я выяснил, что все вещества в природе в большей или меньшей степени обладают магнитными свойствами. При этом одни из них при внесении в магнитное поле втягиваются в него и располагаются по направлению магнитных линий внешнего магнитного поля. Такие вещества называются парамагнетиками . Например, платина, марганец, хром . Другие вещества, напротив, располагаются поперек магнитных линий внешнего магнитного поля и выталкиваются из него. Такие вещества называются диамагнетиками . К ним относятся медь, алюминий, серебро и особенно висмут и сурьма . Это разделение веществ на парамагнетики и диамагнетики предложил в 1845 году Майкл Фарадей . Вещества, которые обладают особо выраженными свойствами парамагнетиков («сверхпарамагнетики»), такие, как железо, никель и кобальт , позднее получили название ферромагнетики . ( слайд5 )

Кроме того есть вещества, которые сами создают магнитное поле, так называемые постоянные магниты . В постоянных магнитах элементарные кольцевые токи вокруг атомов и молекул ориентированы одинаково. Усиливая друг друга, они создают в веществе и вокруг него магнитное поле. Постоянные магниты встречаются в природе в виде оксидов железа – например, магнетит или сплавов других веществ, как, например, неодимовый магнит – редкоземельный постоянный очень мощный магнит, состоящий из сплава неодима, бора и железа . Так же постоянные магниты люди научились создавать искуственно , сплавляя некоторые ферромагнетики с пара- и диамагнетиками. ( слайд 6 )

Почему же магниты притягиваются или отталкиваются? Дело в том, что каждый магнит имеет два полюса : северный и южный . Между этими полюсами проходят линии магнитного поля – это суммарное направление элементарных кольцевых токов. Так вот, если направление магнитных линий совпадает, т.е. магниты совмещаются разноимёнными полюсами , то они притягиваются . Одноимённые же полюса , напротив, отталкиваются . ( слайд 7 )

Самые мощные магниты, которые удалось создать человеку, это – электромагниты . Каждый провод, по которому течёт электрический ток, создаёт вокруг себя магнитное поле. Магнитное поле можно усилить, если свернуть провод в виде винтовой спирали. Полученную катушку с током называют соленоидом . При увеличении витков в катушке магнитное поле также возрастает в силе. Ещё большего усиления магнитного поля можно достичь, если вставить в соленоид железный стержень (сердечник ). Соленоид с железным сердечником внутри называется электромагнитом . ( слайд 8 )

Первым создателем электромагнита был Вильям Стерджен . 4 мая 1825 года он продемонстрировал первый в мире электромагнит грузоподъёмностью 36Н . В 1830 году работу над электромагнитами продолжил ученик Стерджена Джоуль, который сумел создать электромагнит, способный поднять 5500Н . уже через год американский ученый Дж. Генри обогнал его, построив электромагнит, поднимавший 10000Н . А в 1840 году Джоуль создал магнит собственной конструкции, который удерживал на весу 12000Н . Современные электромагниты поднимают грузы в несколько десятков тонн ! Электромагниты нашли широкое применение в сельском хозяйстве для очистки зерна и на заводах для подъёма тяжестей. ( слайд 9 )

Итак, можно ли заставить магнит левитировать? Ведь если магниты поднести друг к другу одноименными полюсами, отталкиваясь, они тут же стремятся повернуться друг к другу разноимёнными полюсами, вследствие чего тут же притягиваются! Теорема Ирншоу доказывает, что используя только ферромагнетики, невозможно устойчиво удерживать объект в гравитационном поле. Несмотря на это, с помощью сервомеханизмов, диамагнетиков, сверхпроводников и систем с вихревыми токами левитация возможна ! ( слайд 10 )

В некоторых случаях подъёмная сила обеспечивается магнитной левитацией, но при этом есть механическая поддержка, дающая устойчивость. В этих случаях явление называется псевдолевитация . Безопорная устойчивая магнитная левитация возможна благодаря магнитным ямам , возникающим в магнитном поле, которые можно выстраивать с помощью нескольких магнитов. ( слайд 11 )

Следующий фактор устойчивой магнитной левитации это – гироскопический эффект – устойчивость оси вращения объекта в пространстве (многим знакомый с детства эффект «волчка» - юлы). Для большей наглядности можно посмотреть трёхминутный видеосюжет Игоря Белецкого «Магнитная левитация». ( слайд 12 )

Итак, магнитная левитация возможна! Где и как можно использовать это магнитное свойство? Первое : поезд на магнитной подущке– магнитоплан или маглев. Второе : магнитные подшипники. Третье : показ продукции ( слайд 13 )

Немного подробнее о магнитоплане. Маглев – это поезд, удерживаемый над полотном дороги, движимый и управляемый силой электромагнитного поля. ( слайд 14 )

Основные достоинства маглева. 1) самая высокая скорость из всех видов общественного наземного транспорта (до 603 км/ч); 2) низкое потребление электроэнергии (энергия у маглева расходуется в три раза эффективнее, чем у автомобиля и в 5 раз – чем у самолёта); 3) снижение эксплуатационных затрат в связи со значительным уменьшением трения деталей; 4) огромные перспективы по достижению скоростей, многократно превышающих скорости, используемые в реактивной авиации (при уменьшении аэрдинамического сопротивления путём помещения состава в вакуумный тоннель); 5) в связи с этим прорабатываются проекты по использованию магнитных ускорителей в качестве средства вывода полезной нагрузки в космос; 6) низкий шум; 7) КПД данного поезда выше в сравнении с КПД современных поездов. ( слайд 15 )

Разумеется, у маглевов есть и свои недостатки, но их гораздо меньше, чем достоинств: 1) высокая стоимость создания и обслуживания колеи; 2) в отличие от рельсовых путей для скоростных поездов, которые остаются доступными и для обычных пассажирских и пригородных поездов, путь маглева ни для ечго другого не пригоден. ( слайд 16 )

Тем не менее, маглевы постепенно завоевывают пути сообщения. Так в 1984 году в Германии (Эмсланд) был построен первый испытательный трек общей длиной 31,5 км. В настоящее время дорога используется для проведения испытаний и в качестве аттракциона для туристов. Через пять лет в Германии (Берлин) была открыта дорога для движения пассажиров. Проезд был бесплатный, вагоны управлялись автоматически без машиниста, дорога работала только по выходным дням. В это же время (с 1984 по 1995 ) в Великобритании нескоростной магле-челнок ходил от Бирменгемского аэропорта до ближайшей железнодорожной станции. В СССР в 1987 году было начато строительство первой магнитной железной дороги в Армении. Однако спитакское землетрясение и военные события стали причиной замораживания объекта. В Китае Шанхайская маглев-трасса открыта в 2002 году. Её протяженность сотавляет 30 км. 16 апреля 2015 года маглев Японской компании установил новый рекорд скорости, разогнавшись до 590 км/ч. В настоящее время в Южной Корее строится дорога, относящаяся к типу городского маглева. ( слайд 17 )

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 «Назад в будущее» Майкл Фокс катается на «ховерборде», или «парящей доске»; эта штука во всем напоми­нает привычный скейтборд, вот только «ездит» 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, если «сверхпроводимость при комнатной температуре» станет доступной реальностью, человек сможет поднимать в воздух предметы, используя возможности магнитных полей.

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. 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 сверх-проводников, 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 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 г.).

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.

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.