Магнітна левітація проект. Принцип дії левітації

У науковій фантастиці силові полявиконують ще одну функцію, крім відображення ударів з променевої зброї, а саме є опорою, яка дозволяє долати силу тяжіння. У фільмі «Назад у майбутнє» Майкл Фокс катається на «ховерборді», або «дошці, що парить»; ця штука у всьому нагадує звичний скейтборд, ось тільки «їздить» повітрям, над поверхнею землі. Фізичні закони- такі, якими ми їх знаємо на сьогоднішній день, - не дозволяють реалізувати подібний антигравітаційний пристрій (як ми побачимо в розділі 10). Але можна уявити собі у майбутньому створення інших пристроїв - ширяючих дощок і ширяючих автомобілів на магнітній подушці; ці машини дозволять нам легко піднімати і утримувати на вазі великі об'єкти. У майбутньому, якщо «надпровідність при кімнатній температурі» стане доступною реальністю, людина зможе піднімати у повітря предмети, використовуючи можливості магнітних полів.

Якщо ми піднесемо північний полюс постійного магнітудо північного полюса іншого такого ж магніту, магніти будуть відштовхуватися один від одного. (Якщо ми перевернемо один із магнітів і піднесемо його південним полюсомдо північному полюсуіншого, два магніти будуть притягуватися.) Той самий принцип - те, що однойменні полюси магнітів відштовхуються, - можна використовуватиме підйому із землі величезних тягарів. Вже зараз у кількох країнах триває будівництво технічно передових поїздів на магнітній підвісці. Такі поїзди проносяться не шляхом, а над ними на мінімальній відстані; на вазі їх утримують звичайні магніти. Поїзди ніби ширяють у повітрі і можуть завдяки нульовому тертю розвивати рекордні швидкості.

Перша у світі комерційна автоматизована транспортна системана магнітній підвісці була запущена в дію в 1984 р. британському містіБірмінгем. Вона поєднала термінал міжнародного аеропортуі розташований неподалік залізничний вокзал. Поїзди на магнітній підвісці діють також у Німеччині, Японії та Кореї, хоча більшість із них не призначені для високих швидкостей. Перший швидкісний комерційний поїзд на магнітній підвісці почав ходити по ділянці траси, що запущена в дію в Шанхаї; цей поїзд рухається трасою зі швидкістю до 431 км/год. Японський поїзд на магнітній підвісці у префектурі Яманасі розігнався до швидкості 581 км/год - тобто рухався значно швидше, ніж звичайні поїзди на колесах.

Але пристрої на магнітній підвісці надзвичайно дорогі. Один із шляхів до збільшення їх ефективності – використання надпровідників, які при охолодженні до температур, близьких до абсолютного нуля, повністю втрачають електричний опір. Явище надпровідності відкрив у 1911 р. Хейке Камерлінг-Оннес. Суть його полягала в тому, що деякі речовини при охолодженні до температури нижче 20 К (20 ° вище абсолютного нуля) втрачають будь-який електричний опір. Як правило, при охолодженні металу його електричний опір поступово зменшується. Справа в тому, що спрямованому руху електронів у провіднику заважають випадкові коливання атомів. При зменшенні температури розмах випадкових коливань зменшується, і електрика відчуває менший опір.) Але Камерлінг-Оннес, на свій подив, виявив, що опір деяких матеріалів при певній критичної температурирізко падає нанівець.

Фізики одразу зрозуміли важливість отриманого результату. При передачі на великі відстаніу лініях електропередачі втрачається значна кількість електроенергії. Але якби опір вдалося усунути, електроенергію можна було б передавати в будь-яке місце майже задарма. Взагалі, збуджений у замкнутому контурі електричний струмміг би циркулювати у ньому без втрат енергії мільйони років. Більше того, із цих надзвичайних струмів неважко було б створити магніти неймовірної потужності. А маючи такі магніти, можна було б без зусиль піднімати величезні вантажі.

Незважаючи на чудові можливості надпровідників, застосовувати їх дуже непросто. Тримати великі магніти в баках із надзвичайно холодними рідинами дуже дорого. Щоб зберігати рідини холодними, знадобляться величезні фабрики холоду, які піднімуть вартість надпровідних магнітів до надхмарних висот і зроблять їх використання невигідним.

Але одного разу фізикам, можливо, вдасться створити речовину, яка збереже надпровідні властивості навіть при нагріванні до кімнатної температури. Надпровідність за кімнатної температури - «святий Грааль» фізиків-твердотільників. Отримання таких речовин, ймовірно, послужить початком другої промислової революції. Потужні магнітні поля, здатні утримувати на вазі машини і поїзди, стануть настільки дешевими, що навіть автомобілі, що «планують», можливо, виявляться економічно вигідними. Дуже можливо, що з винаходом надпровідників, що зберігають свої властивості при кімнатній температурі, фантастичні літаючі машини, які ми бачимо у фільмах «Назад у майбутнє», «Особлива думка» та « Зоряні війни», Стануть реальністю.

У принципі цілком уявно, що людина зможе надягати спеціальний пояс із надпровідних магнітів, який дозволить йому вільно левітувати над землею. З таким поясом можна було б літати повітрям, подібно до Супермена. Взагалі, надпровідність при кімнатній температурі явище настільки чудове, що винахід і використання таких надпровідників описано в багатьох науково-фантастичних романах (таких, як серія романів про Світ-Кільце, створена Ларрі Нівеном в 1970).

Десятки років фізики безуспішно шукали речовини, які мали б надпровідність при кімнатній температурі. Це був стомлюючий нудний процес - шукали методом спроб і помилок, випробовуючи один матеріал за іншим. Але у 1986 р. було відкрито новий класречовин, які отримали назву « високотемпературні надпровідники»; ці речовини знаходили надпровідність при температурах близько 90° вище за абсолютного нуля, або 90 К. Це відкриття стало справжньою сенсацією у світі фізики. Здавалося, відчинилися ворота шлюзу. Місяць за місяцем фізики змагалися одна з одною, прагнучи встановити новий світовий рекорд надпровідності. Якийсь час навіть здавалося, що надпровідність за кімнатної температури ось-ось зійде зі сторінок науково-фантастичних романів і стане реальністю. Але після кількох років бурхливого розвитку дослідження в галузі високотемпературних надпровідників почали сповільнюватись.

В даний час світовий рекорд для високотемпературних надпровідників належить речовині, що представляє собою складний оксид міді, кальцію, барію, талію та ртуті, що стає надпровідним при 138 К (-135 ° С). Ця щодо висока температураще дуже далека від кімнатної. Але і це- важливий рубіж. Азот стає рідким при температурі 77 К, а рідкий азот коштує приблизно стільки ж, скільки звичайне молоко. Тому для охолодження високотемпературних надпровідників можна використовувати звичайний рідкий азот, це недорого. (Зрозуміло, надпровідники, що залишаються такими і при кімнатній температурі, зовсім не вимагатимуть охолодження.)

Неприємне інше. Нині немає теорії, яка б пояснювала властивості високотемпературних надпровідників. Більше того, заповзятливого фізика, який зуміє пояснити, як вони працюють, чекає Нобелівська премія. (У відомих високотемпературних надпровідниках атоми організовані в чітко виражені шари. Багато фізиків припускають, що саме шаруватість керамічного матеріалу дає можливість електронам вільно пересуватися всередині кожного шару, створюючи таким чином надпровідність. Але як саме і чому це відбувається - як і раніше, загадка.)

Нестача знань змушує фізиків шукати нові високотемпературні надпровідники по-старому, методом проб і помилок. Це означає, що горезвісна надпровідність при кімнатній температурі може бути відкрита будь-коли завтра, через рік, або взагалі ніколи. Ніхто не знає, коли буде знайдено речовину з такими властивостями і чи буде вона знайдена взагалі.

Але якщо надпровідники за кімнатної температури будуть відкриті, їх відкриття, швидше за все, породить величезну хвилю нових винаходів і комерційних додатків. Звичайними, можливо, стануть магнітні поля, в мільйон разів сильніші за магнітне поле Землі (яке становить 0,5 Гс).

Одна з властивостей, властивих усім надпровідникам, має назву ефекту Мейснера. Якщо помістити магніт над надпровідником, магніт зависне в повітрі, ніби підтримується невидимою силою. [Причина ефекту Мейснера полягає в тому, що магніт має властивість створювати всередині надпровідника власне дзеркальне відображення", так що справжній магнітта його відображення починають відштовхуватися один від одного. Ще одне наочне пояснення цього ефекту – у тому, що надпровідник непроникний для магнітного поля. Він ніби виштовхує магнітне поле. Тому, якщо помістити магніт над надпровідником, силові лініїмагніту при контакті з надпровідником спотворюються. Ці силові лінії і виштовхуватимуть магніт вгору, змушуючи його левітувати.)

Якщо людство отримає можливість використовувати ефект Мейснера, можна уявити шосе майбутнього з покриттям з такої спеціальної кераміки. Тоді за допомогою магнітів, розміщених у нас на поясі чи днищі автомобіля, ми зможемо чарівним чиномпарити над дорогою і нестись до місця призначення без жодного тертя чи втрат енергії.

Ефект Мейснера працює тільки з магнітними матеріалами, такі як метали, Але можна використовувати надпровідникові магніти і для левітування немагнітних матеріалів, відомих як парамагнетики або діамагнетики. Ці речовини самі по собі не мають магнітними властивостями; вони знаходять їх лише у присутності та під впливом зовнішнього магнітного поля. Парамагнетики притягуються зовнішнім магнітом, діамагнетики відштовхуються.

Вода, наприклад, діамагнетик. Оскільки всі живі істоти складаються з води, вони можуть левітувати у присутності потужного магнітного поля. У полі з магнітною індукцією близько 15 Т (у 30 000 разів більш потужному, ніж магнітне поле Землі) вченим вже вдалося змусити левітувати невеликих тварин, таких як жаби. Але якщо надпровідність за кімнатної температури стане реальністю, можна буде піднімати в повітря і великі немагнітні об'єкти, користуючись їх діамагнітними властивостями.

На закінчення відзначимо, що силові поля в тому вигляді, в якому їх зазвичай описує фантастична література, не узгоджуються з описом чотирьох фундаментальних взаємодійу нашому Всесвіті. Але можна припустити, що людині вдасться імітувати багато властивостей цих вигаданих полів за допомогою багатошарових щитів, що включають плазмові вікна, лазерні завіси, вуглецеві нанотрубкита речовини із змінною прозорістю. Але реально такий щит може бути розроблений лише за кілька десятиліть, або навіть через століття. І якщо надпровідність при кімнатній температурі буде виявлена, у людства з'явиться можливість використовувати потужні магнітні поля; можливо, з їхньою допомогою вдасться підняти у повітря автомобілі та потяги, як ми бачимо у фантастичних фільмах.

Беручи все це до уваги, я відніс би силові поля до I класу неможливості, тобто визначив їх як щось неможливе для сьогоднішніх технологій, але реалізоване в модифікованій формі протягом найближчого століття або близько того.

Слово "левітація" походить від англійського "levitate" - парити, підніматися в повітря. Тобто левітація - це подолання об'єктом гравітації, коли він ширяє і не стосується опори, не відштовхуючись при цьому від повітря, не використовуючи реактивну тягу. З погляду фізики, левітація - це стійке положення об'єкта в гравітаційному полі, коли сила тяжіння скомпенсована і має місце сила, що повертає, що забезпечує об'єкту стійкість у просторі.

Зокрема магнітна левітація - це технологія підйому об'єкта за допомогою магнітного поля, коли для компенсації прискорення вільного падінняабо інших прискорень використовується магнітне вплив на об'єкт. Саме про магнітну левітацію та піде мовау цій статті.

Магнітне утримання об'єкта може стійкої рівновагиможна реалізувати кількома способами. Кожен із способів має свої особливості, і до кожного можна висунути претензії, на кшталт «це не справжня левітація!», і так воно насправді й буде. Справжня левітаціяв чистому виглядінедосяжна.

Так, теорема Ірншоу доводить, що, використовуючи лише феромагнетики, неможливо стійко утримувати об'єкт у гравітаційному полі. Але незважаючи на це, за допомогою сервомеханізмів, діамагнетиків, надпровідників та систем вихровими струмамиможна досягти подібність левітації, коли який-небудь механізм допомагає об'єкту зберігати рівновагу, коли той піднятий над опорою магнітною силою. Однак про все по порядку.

Електромагнітна левітація із системою стеження

Застосувавши схему з урахуванням електромагніту і фотореле можна змусити левітувати невеликі металеві предмети. Предмет парить у повітрі на деякій відстані від нерухомо закріпленого на стійці електромагніту. Електромагніт отримує живлення, поки фотоелемент, закріплений у стійці, не затінений ширяючим предметом, поки на нього потрапляє достатньо світла від закріпленого нерухомого контрольного джерела, це означає, що об'єкт потрібно притягнути.

Коли об'єкт досить піднятий, електромагніт відключається, оскільки в цей момент тінь від переміщеного в просторі об'єкта падає на фотоелемент, перекриваючи світло джерела. Об'єкт починає падати, але впасти не встигає, оскільки знову увімкнувся електромагніт. Так, відрегулювавши чутливість фотореле, можна досягти ефекту, при якому об'єкт буде ніби висіти на одному місці в повітрі.

Насправді об'єкт безперервно то падає, то знову трохи піднімається електромагнітно. Виходить ілюзія левітації. На цьому принципі заснована робота «левітуючих глобусів» - досить незвичайних сувенірів, де до глобуса прикріплена магнітна пластина, з якою взаємодіє електромагніт, прихований у підставці.

Графітовий грифель від простого олівцяє діамагнетиком, тобто речовиною, яка намагнічує проти зовнішнього магнітного поля. У певних умоввідбувається повне витіснення магнітного поля з матеріалу діамагнетика, наприклад графітовий грифель має високу магнітну сприйнятливість, і починає ширяти над неодимовими магнітами навіть при кімнатній температурі.

Для стійкості ефекту магніти слід зібрати у шаховому порядку (полюси магнітів), тоді графітовий стрижень не вислизне з «магнітної пастки» і левітуватиме.

Рідкоземельний магніт з індукцією всього 1 Тл може висіти між пластинами вісмуту, а в магнітному полі з індукцією 11 Тл можна між пальцями стабілізувати левітацію маленького неодимового магніту, оскільки руки людини є діамагнетиком, як і вода.

Відомий досить широко поширений досвід із левітуючою жабою. Тварину акуратно поміщають над магнітом, який створює магнітну індукцію більше 16 Тл і жаба, демонструючи діамагнітні властивості, що фактично зависає у повітрі на невеликій відстані від магніту.

Пластина з оксиду ітрію-барію-міді охолоджується до температури рідкого азоту. У умовах пластина . Якщо тепер покласти неодимовий магніт на підставку над пластиною, а потім підставку з-під магніту витягнути, то магніт зависне в повітрі — левітуватиме.

Навіть невеликої магнітної індукції близько 1 мТл достатньо щоб магніт, будучи покладений на пластину, піднявся над охолодженим високотемпературним надпровідником на кілька міліметрів. Що вище індукція магніту — то вище він підніметься.

Справа тут у тому, що одна з властивостей надпровідника — виштовхування магнітного поля з надпровідної фази, і магніт, відштовхуючись від цього магнітного поля протилежного напрямку, ніби спливає і продовжує парити над охолодженим надпровідником доти, поки він не вийде з надпровідного стану.

Вихрові струми (струми Фуко), що наводяться змінними магнітними полями в масивних провідниках, також здатні утримувати предмети в левітуючому стані. Наприклад, котушка зі змінним струмом може левітувати над замкнутим кільцем з алюмінію, а алюмінієвий диск паритиме над котушкою зі змінним струмом.

Пояснення тут таке: за законом Ленца, струм, що індукується в диску або в кільці, створюватиме таке магнітне поле, що його напрямок стане перешкоджати причині його викликаючої, тобто в кожен період коливань змінного струмув індукторі, масивному провіднику індукуватиметься магнітне поле протилежного напрямку. Так, масивний провідник чи котушка відповідний формизможуть левітувати весь час поки включений змінний струм.

Аналогічний механізм утримання проявляється, коли кидають усередині мідної труби - магнітне поле індуковане вихрових струмівспрямовано протилежно магнітному полю магніту.

Андрій Повний

Ось цей ефект я просто обожнюю. Днями відкопали серед шурушків застарілі таблетки ітрій-барієвого оксидного купрату (YBCO), яка, незважаючи на жахливі умови зберігання, зберегла трохи надпровідних властивостей.

У зв'язку з цим я негайно провів серію експериментів із підвішування магнітиків у повітрі (магнітної надпровідникової левітації).

Зависає магніт так. Береться теплий надпровідник, що знаходиться при температурі вище за критичну. Тобто вище тієї, коли він перетворюється на стан надпровідності.

У цьому стані він є дуже поганим провідником струму з неймовірно слабкими магнітними властивостями. Силові лінії магнітного поля зовнішнього магніту проходить через нього практично без спотворення.

Беруться також магнітик і пластмасська певної товщини. Магніт кладеться на надпровідник (або навпаки), а між ними пластмас. Потім надпровідник охолоджується рідким азотом. Температура кипіння рідкого азоту -195.8°С, а критична температура YBCO -184°C.

Надпровідність характеризується так званим ефектом Мейснера - повним виштовхуванням магнітного поля з товщі надпровідника. Так що магнітний потік, Що до цього вільно проходив через надпровідник опиняється в незвичайному становищі. Він досить сильний, щоб трохи перешкодити повного переходунадпровідника в надпровідний стан при даній темепературі і не витіснитись з обсягу повністю. Але недостатньо сильний, щоб зруйнувати надпровідність повністю.

І тут стається диво. Усередині надпровідника виникає безліч крихітних ділянок, які не є надпровідними. У них стягуються магнітні лініїзовнішнього магніту Але так як навколо них весь інший матеріал надпровідний, навколо цих зон починають циркулювати струми, що створюють таке ж поле, тільки зворотного напрямкущоб компенсувати зовнішнє поле і не дозволити йому проникнути вглиб.

Силові лінії при цьому стягуються в ці точки, кожна з яких може пропустити через себе не якусь довільну, а квантовану строго величину магнітного потоку. Квант магнітного потоку – фундаментальна постійна, яка визначається Постійна Планката зарядом електрона. Через кожну таку зону може проходити лише кратна кількість квантів. А з енергетичних міркувань у даному випадкуможе проходити лише один квант через кожний.

Ці структури - з крихітною нормальною зоною, що несе квант магнітного потоку і циркулює навколо нього незатухаючий струм, називаються вихорами Абрикосова.

Диво у тому, що т.к. струми незагасаючі, то надпровідник "запам'ятовує" профіль поля магніту і точно його копіює. Через надпровідність, один раз утворившись струм вже не згасає, тому надпровідник буде перешкоджати зміні магнітного потоку.

Інакше кажучи, якщо ви посунете магніт ближче і спробуєте втиснути більше силових ліній, він відштовхуватиметься. Якщо ж почнете видаляти і, таким чином, зменшувати магнітний потік, він буде притягуватися. Навіть якщо з силою видалити магніт в який "вморозився" потік постійного магніту, то коли ви повернете його на місце, він стрибне туди, де він спочатку стояв.

Якщо ж наблизити магніт досить близько і з силою, то можна "втиснути" трохи магнітного поля у надпровідник, зруйнувавши трохи більше надпровідності. Тоді вихор Абрикосова в обсязі додасться і висота буде трохи нижче.

Коли вихорів абрикосова стає так багато, що вони починають перекриватися, це момент повного руйнування надпровідності в надпровіднику другого роду зовнішнім магнітним полем.

Церковні низькотехнологічні чудеса відпочивають:)

Справді?
Деякі речі як залізні цвяхи відомі своїми магнітними властивостями, але чому жаби повинні парити в магнітному полі? Хитрість полягає в тому, щоб отримати сильне магнітне поле. Ви не можете просто використовувати будь-який старий феритовий магніт, щоб змусити жабу левітувати.

Жаби, як і всі навколо і всередині нас, складаються з мільйонів та мільярдів атомів. Кожен із цих атомів містить електрони, які знаходяться навколо центрального ядра, але коли атоми знаходяться в магнітному полі, електрони злегка зрушують їх орбіти. Ці зрушення дають атомам їхнє власне магнітне поле так, як коли жабу поміщають у дуже сильному магнітному полі, вона, по суті, складається з безлічі крихітних магнітів. І в цьому немає нічого особливого у жаб. Всі матеріали - у тому числі полуниця, вода і золото - це "діамагнітні" до певної міри, але деякі з них зручніші для левітації, ніж інші.

Жаби зручні не тільки тому, що вони мають високий вміст води в організмі, що є хорошим діамагнітним матеріалом, але також і тому, що вони легко вміщуються всередині трубчастого електромагніту. Електромагніти споживають більше напруги електричного струму, щоб створити надзвичайно сильне магнітне поле, яке таким чином намагнічує жабу, - намагнічування в протилежному напрямкупо відношенню до прикладеного поля. Це означає, що намагнічена жаба виштовхується вгору з високого магнітного поля, і злітає.

Вір очам своїм:
Маленька жаба (жива!) І водяна куля левітують всередині Ø32mm вертикального каналу гіркого соленоїда в магнітному полі близько 16 Тесла на Верховному Магніт лабораторії польовий Неймеген.
Образ високотемпературного надпровідника, що левітує вище магніту в тумані рідкого азоту, навряд чи можна когось здивувати в ці дні - це стало відомо, що надпровідники є ідеальними діамагнетиками і магнітне поле має вигнати їх. З іншого боку, вкладені фотографії води та жаби зависання всередині магніту (не на борту космічного корабля), Дещо нелогічним і, можливо, займе багато людей (навіть фізики) зненацька. Це перше спостереження магнітної левітації живих організмів, а також перші знімки діамагнетиків левітувати за нормальної, кімнатної температури. довкілля(Якщо не брати до уваги історію про політ Труна Мухаммеда як таких доказів, звичайно). Насправді, можна левітувати магнітно кожен матеріал і все живе на землі у зв'язку з завжди присутній молекулярної магнетизму. Молекулярний магнетизм дуже слабкий (мільйонів разів слабший за феромагнетизм) і, як правило, залишається непоміченим у повсякденному життіТаким чином, створюючи помилкове враження, що матеріали навколо нас, в основному, немагнітні. Але вони магнітні. Це просто, що магнітні поля, необхідні для левітування всі ці «немагнітні» матеріали повинні бути приблизно в 100 разів більше, ніж у випадку, скажімо, надпровідників.

Будь-який об'єкт буде або не буде левітувати в магнітному полі B визначається балансом між магнітної сили F = M ∇ B і тяжкості мг = ρV г, де ρ -щільність матеріалу, V -об'єм і г = 9,8 / с 2 . Магнітний моментМ = (χ / μ 0) В.Б. , Отже F = (χ / μ 0) Б.В. ∇ B = (χ / 2μ 0) В ∇ B 2 . Таким чином, вертикальний градієнт поля ∇ B 2 , необхідне для левітації, повинен бути більшим, ніж 2μ 0 ρ г / χ. Молекулярні сприйнятливості χ зазвичай є 10 -5 для діамагнетиків і 10 -3 для парамагнетиків і, оскільки ρ найчастіше кілька г/см 3 їх магнітної левітації потрібно польові градієнти ~ 1000 і 10 Т 2 / м відповідно. Приймаючи л = 10 см як типовий розмір сильного полямагнітів і ∇ B 2 ~ B 2 / л в якості оцінки, ми знаходимо, що поля порядку 1 і 10Т достатньо, щоб викликати левітацію пара-і діамагнітних. Цей результат не повинен бути сюрпризом, тому що, як ми знаємо, магнітні поля менше 0.1T може левітувати надпровідник (χ = -1) і, наведені вище формули, магнітна сила збільшується B 2 .

/ 13
Найгірший Найкращий

Якщо ми піднесемо північний полюс постійного магніту до північного полюса іншого такого ж магніту, магніти будуть відштовхуватися один від одного. (Якщо ми перевернемо один з магнітів і піднесемо його південним полюсом до північного полюса іншого, два магніти будуть притягуватися.) Цей принцип - те, що однойменні полюси магнітів відштовхуються, - можна використовувати для підйому з землі величезних тягарів. Вже зараз у кількох країнах триває будівництво технічно передових поїздів на магнітній підвісці. Такі поїзди проносяться не шляхом, а над ними на мінімальній відстані; на вазі їх утримують стандартні магніти. Поїзди ніби ширяють у повітрі і можуть завдяки нульовому тертю розвивати рекордні швидкості.

Перша у світі комерційна автоматизована транспортна система на магнітній підвісці була запущена в дію 1984 р. у британському місті Бірмінгемі. Вона з'єднала термінал міжнародного аеропорту та розташований неподалік залізничний вокзал. Поїзди на магнітній підвісці діють також у Німеччині, Японії та Кореї, хоча більшість із них не призначені для високих швидкостей. Перший швидкісний комерційний поїзд на магнітній підвісці почав ходити по ділянці траси, що запущена в дію в Шанхаї; цей поїзд рухається трасою зі швидкістю до 431 км/год. Японський поїзд на магнітній підвісці у префектурі Яманасі розігнався до швидкості 581 км/год - тобто рухався значно швидше, ніж звичайні поїзди на колесах.

Але пристрої на магнітній підвісці надзвичайно дорогі. Один із шляхів до збільшення їх ефективності - використання надпровідників, які при охолодженні до температур, близьких до абсолютного нуля, втрачають електричний опір. Явище надпровідності відкрив у 1911 р. Хейке Камерлінг-Оннес. Суть його полягала в тому, що деякі речовини при охолодженні до температури нижче 20 К (20 ° вище абсолютного нуля) втрачають будь-який електричний опір. Як правило, при охолодженні металу його електричний опір поступово зменшується. (Справа в тому, що спрямованому руху електронів у провіднику заважають випадкові коливання атомів набір монет міста військової слави. При зменшенні температури розмах випадкових коливань зменшується, і електрика відчуває менший опір.) Але Камерлінг-Оннес, на свій подив, виявив, що опір деяких матеріалів за певної критичної температури різко падає до нуля.

Фізики одразу зрозуміли важливість отриманого результату. При передачі великі відстані у лініях електропередачі втрачається значної кількості електроенергії. Але якби опір вдалося усунути, електроенергію можна було б передавати в будь-яке місце майже задарма. Загалом, збуджений у замкнутому контурі електричний струм міг би циркулювати в ньому без втрат енергії мільйони років. Більше того, із цих надзвичайних струмів неважко було б створити магніти неймовірної потужності. А маючи такі магніти, можна було б без зусиль піднімати величезні вантажі.

Незважаючи на чудові можливості надпровідників, застосовувати їх дуже непросто. Тримати великі магніти в баках із надзвичайно холодними рідинами дуже дорого. Щоб зберігати рідини холодними, знадобляться величезні фабрики холоду, які піднімуть вартість надпровідних магнітів до надхмарних висот і зроблять їх використання невигідним.

Але одного разу фізикам, можливо, вдасться створити речовину, яка збереже надпровідні властивості навіть при нагріванні до кімнатної температури. Надпровідність за кімнатної температури - «святий Грааль» фізиків-твердотільників. Отримання таких речовин, ймовірно, послужить початком другої промислової революції. Потужні магнітні поля, здатні утримувати на вазі машини і потяги, стануть настільки дешевими, що навіть автомобілі, що «планують», можливо, виявляться економічно вигідними. Цілком можливо, що з винаходом надпровідників, що зберігають свої властивості при кімнатній температурі, фантастичні літаючі машини, які ми бачимо у фільмах «Назад у майбутнє», «Особлива думка» та «Зоряні війни», стануть реальністю.

У принципі цілком уявно, що людина зможе надягати спеціальний пояс із надпровідних магнітів, який дозволить йому вільно левітувати над землею. З таким поясом можна було б літати повітрям, подібно до Супермена. Взагалі, надпровідність при кімнатній температурі явище настільки чудове, що винахід та використання таких надпровідників описано в багатьох науково-фантастичних романах.

Десятки років фізики безуспішно шукали речовини, які мали б надпровідність при кімнатній температурі. Це був стомлюючий нудний процес - шукали методом спроб і помилок, випробовуючи один матеріал за іншим. Але в 1986 р. було відкрито новий клас речовин, що отримали назву «високотемпературні надпровідники»; ці речовини знаходили надпровідність при температурах близько 90° вище за абсолютного нуля, або 90 К. Це відкриття стало справжньою сенсацією у світі фізики. Здавалося, відчинилися ворота шлюзу. Місяць за місяцем фізики змагалися одна з одною, прагнучи встановити новий світовий рекорд надпровідності. Якийсь час навіть здавалося, що надпровідність за кімнатної температури ось-ось зійде зі сторінок науково-фантастичних романів і стане реальністю. Але після кількох років бурхливого розвитку дослідження в галузі високотемпературних надпровідників почали сповільнюватись.

В даний час світовий рекорд для високотемпературних надпровідників належить речовині, що представляє собою складний оксид міді, кальцію, барію, талію та ртуті, що стає надпровідним при 138 К (-135 ° С). Ця відносно висока температура досі дуже далека від кімнатної. Але і це – важливий рубіж. Азот стає рідким при температурі 77 К, а рідкий азот коштує приблизно стільки ж, скільки звичайне молоко. Тому для охолодження високотемпературних надпровідників можна використовувати звичайний рідкий азот, це недорого. (Зрозуміло, надпровідники, що залишаються такими і при кімнатній температурі, зовсім не вимагатимуть охолодження.)

Неприємне інше. Нині немає теорії, яка б пояснювала властивості високотемпературних надпровідників. Більше того, заповзятливого фізика, який зуміє пояснити, як вони працюють, чекає на Нобелівську премію. (У відомих високотемпературних надпровідниках атоми організовані в чітко виражені шари. Багато фізиків припускають, що саме шаруватість керамічного матеріалу дає можливість електронам вільно пересуватися всередині кожного шару, створюючи таким чином надпровідність. Але як саме і чому це відбувається - як і раніше, загадка.)

Нестача знань змушує фізиків шукати нові високотемпературні надпровідники по-старому, методом проб і помилок. Це означає, що горезвісна надпровідність при кімнатній температурі може бути відкрита будь-коли - завтра, через рік, або взагалі ніколи. Ніхто не знає, коли буде знайдено речовину з такими властивостями і чи буде вона знайдена взагалі.

Але якщо надпровідники за кімнатної температури будуть відкриті, їх відкриття, швидше за все, породить величезну хвилю нових винаходів і комерційних додатків. Звичайними, можливо, стануть магнітні поля, в мільйон разів сильніші за магнітне поле Землі (яке становить 0,5 Гс).

Одна з властивостей, властивих усім надпровідникам, має назву ефекту Мейснера. Якщо помістити магніт над надпровідником, магніт зависне в повітрі, ніби підтримується невидимою силою. (Причина ефекту Мейснера полягає в тому, що магніт має властивість створювати всередині надпровідника власне «дзеркальне відображення», так що справжній магніт та його відображення починають відштовхуватися один від одного. Ще одне наочне пояснення цього ефекту – у тому, що надпровідник непроникний для магнітного поля Він як би виштовхує магнітне поле. Тому, якщо помістити магніт над надпровідником, силові лінії магніту при контакті з надпровідником спотворяться. Ці силові лінії і виштовхуватимуть магніт вгору, змушуючи його левітувати.

Якщо людство отримає можливість використовувати ефект Мейснера, можна уявити шосе майбутнього з покриттям з такої спеціальної кераміки. Тоді за допомогою магнітів, розміщених у нас на поясі або на днищі автомобіля, ми зможемо чарівним чином парити над дорогою і помчатися до місця призначення без будь-якого тертя чи втрат енергії.

Ефект Мейснерапрацює лише з магнітними матеріалами, такими як метали. Але можна використовувати надпровідникові магніти для левітування немагнітних матеріалів, відомих як парамагнетики або діамагнетики. Ці речовини самі по собі не мають магнітних властивостей; вони знаходять їх лише у присутності та під впливом зовнішнього магнітного поля. Парамагнетики притягуються зовнішнім магнітом, діамагнетики відштовхуються.

Вода, наприклад, діамагнетик. Оскільки всі живі істоти складаються з води, вони можуть левітувати у присутності потужного магнітного поля. У полі з магнітною індукцією близько 15 Т (у 30 000 разів більш потужному, ніж магнітне поле Землі) вченим вже вдалося змусити левітувати невеликих тварин, таких як жаби. Але якщо надпровідність за кімнатної температури стане реальністю, можна буде піднімати в повітря і великі немагнітні об'єкти, користуючись їх діамагнітними властивостями.

На закінчення відзначимо, що силові поля в тому вигляді, в якому їх зазвичай описує фантастична література, не узгоджуються з описом чотирьох фундаментальних взаємодій нашого Всесвіту. Але можна припустити, що людині вдасться імітувати багато властивостей цих вигаданих полів за допомогою багатошарових щитів, що включають плазмові вікна, лазерні завіси, вуглецеві нанотрубки і речовини зі змінною прозорістю. Але реально такий щит може бути розроблений лише за кілька десятиліть, або навіть через століття. І якщо надпровідність при кімнатній температурі буде виявлена, у людства з'явиться можливість використовувати потужні магнітні поля; можливо, з їхньою допомогою вдасться підняти у повітря автомобілі та потяги, як ми бачимо у фантастичних фільмах.