Kvantna levitacija (meissnerjev učinek): znanstvena razlaga

Levitacija je premagovanje gravitacije, v katerem subjekt ali objekt je v prostoru brez opore. Beseda "levitacija" izhaja iz latinske besede levitas, ki pomeni "lahkotnost".

Levitacija se napačno enači z letenjem, ker je slednji temelji na zračnem uporu, zato ptice, žuželke in druge živali letijo in ne levitirajo.

Levitacija v fiziki

Levitacija v fiziki pomeni stabilen položaj telesa v gravitacijskem polju, pri čemer se telesu ni treba dotikati drugih predmetov. Levitacija vključuje nekaj potrebnih in težko dosegljivih pogojev:

• Sila, ki lahko izravna gravitacijsko privlačnost in težnost.
• Sila, ki lahko zagotovi stabilnost telesa v prostoru.

Iz Gaussovega zakona sledi, da v statičnem magnetnem polju statična telesa ali predmeti ne morejo levitirati. Če pa spremenite pogoje, lahko dosežete levitacijo.

Kvantna levitacija

Širša javnost je prvič izvedela za kvantno levitacijo marca 1991, ko je bila v znanstveni reviji Nature objavljena zanimiva fotografija. Na njej je Don Tapscott, direktor tokijskega laboratorija za raziskave superprevodnosti, stal na keramični superprevodni plošči, med tlemi in ploščo pa ni bilo ničesar. Fotografija se je izkazala za resnično in plošča, ki je skupaj z režiserjem, ki je stal na njej, tehtala približno 120 kilogramov, je lahko lebdela nad tlemi zaradi učinka superprevodnosti, znanega kot Meissner-Oxenfeldov učinek.

Diamagnetna levitacija

Gre za vrsto suspenza v magnetnem polju telesa, ki vsebuje vodo, ki je sama diamagnet, tj. snov, katere atomi se lahko magnetizirajo proti smeri glavnega elektromagnetnega polja.

Diamagnetne lastnosti prevodnikov imajo pomembno vlogo pri procesu diamagnetne levitacije, pri kateri atomi pod vplivom zunanjega magnetnega polja nekoliko spremenijo parametre gibanja elektronov v svojih molekulah, kar povzroči šibko magnetno polje, nasprotno glavnemu magnetnemu polju. Učinek tega šibkega elektromagnetnega polja zadostuje za premagovanje sile gravitacije.

Da bi dokazali diamagnetno levitacijo, so znanstveniki večkrat izvedli poskuse na majhnih živalih.

Ta vrsta levitacije je bila uporabljena v poskusih na živih predmetih. Med poskusi v zunanjem magnetnem polju z indukcijo približno 17 Tesla je bilo doseženo suspendirano stanje (levitacija) žab in miši.

V skladu s tretjim Newtonovim zakonom lahko lastnosti diamagnetike uporabimo tudi obratno, tj. za levitacijo magneta v polju diamagnetika ali za njegovo stabilizacijo v elektromagnetnem polju.

Diamagnetna levitacija je po naravi podobna kvantni levitaciji. To pomeni, da gre, podobno kot pri Meissnerjevem učinku, za absolutni premik magnetnega polja iz materiala prevodnika. Edina majhna razlika je, da je za doseganje diamagnetne levitacije potrebno precej močnejše elektromagnetno polje, ni pa treba hladiti vodnika, da bi postal superprevoden, kot v primeru kvantne levitacije.

В je mogoče celo nekaj poskusov diamagnetne levitacije, npr. če sta prisotni dve ploščici bizmuta (ki je diamagnet), je mogoče magnet z majhno indukcijo, približno 1 Tesla, postaviti v suspendirano stanje. V elektromagnetnem polju z indukcijo 11 Tesla je mogoče majhen magnet stabilizirati v suspenziji tako, da se njegov položaj prilagodi s prsti, ne da bi se ga sploh dotaknili.

Običajni dia magneti so skoraj vsi žlahtni plini, fosfor, dušik, silicij, vodik, srebro, zlato, baker in cink. Tudi človeško telo je v pravem elektromagnetnem magnetnem polju diamagnet.

Magnetna levitacija

Magnetna levitacija je učinkovita metoda dvigovanja predmetov z uporabo magnetnega polja. V tem primeru se magnetni tlak uporablja za kompenzacijo gravitacije in prostega pada.

V skladu z Earnshawovim teoremom je nemogoče stabilno držati predmet v gravitacijskem polju. To pomeni, da levitacija pod temi pogoji ni mogoča, če pa upoštevamo mehanizmi delovanja diamagnetike, vrtinčnih tokov in superprevodnikov je mogoče doseči učinkovito levitacijo.

Če magnetna levitacija zagotavlja dvižno silo z mehansko podporo, se ta pojav običajno imenuje psevdolevitacija.

Meissnerjev učinek

Meissnerjev učinek je proces absolutnega premika magnetnega polja iz celotne prostornine vodnika. To se običajno zgodi med prehodom prevodnika v superprevodno stanje. To je razlika med superprevodniki in idealnimi prevodniki - čeprav oba nimata upora, magnetna indukcija idealnih prevodnikov ostaja enaka.

Pojav sta leta 1933 prvič opazila in opisala nemška fizika Meissner in Oxenfeld. Zato se kvantna levitacija včasih imenuje Meissner-Oxenfeldov učinek.

Iz splošnih zakonov elektromagnetnega polja sledi, da v odsotnosti v prostornini vodnika obstaja le površinski tok, ki zavzema prostor ob površini superprevodnika. Pod temi pogoji se superprevodnik obnaša enako kot diamagnetik, vendar ni.

Meissnerjev učinek se glede na kakovost superprevodnikov deli na polni in delni. Polni Meissnerjev učinek se pojavi, ko je magnetno polje popolnoma premaknjeno.

Visokotemperaturni superprevodniki

V naravi je malo čistih superprevodnikov. Večina njihovih materialov s superprevodnimi lastnostmi so zlitine, ki najpogosteje izkazujejo le delni Meissnerjev učinek.

Pri superprevodnikih je sposobnost popolnega izpodrivanja magnetnega polja iz njegove prostornine tista, ki ločuje materiale na superprevodnike prvi in drugi vrste. Superprevodniki tipa I so čiste snovi, kot so živo srebro, svinec in kositer, pri katerih se lahko Meissnerjev učinek v celoti pokaže tudi pri visokih magnetnih poljih. Superprevodniki drugega tipa so najpogosteje zlitine, pa tudi keramika ali nekatere organske spojine, ki lahko v pogojih visokega indukcijskega magnetnega polja le delno izpodrinejo magnetno polje iz svoje prostornine. Kljub temu so v pogojih zelo nizke indukcije magnetnega polja skoraj vsi superprevodniki, vključno z drugo vrsto, sposobni popolnega Meissnerjevega učinka.

Več sto zlitin, spojin in nekaterih čistih materialov ima lastnosti kvantne superprevodnosti.

Izkušnja z Mohamedovo skrinjo

"Mohamedova krsta" je nekakšen trik z levitacijo. To je ime poskusa, ki jasno dokazuje učinek.

Po muslimanski legendi je bila krsta preroka Mohameda obešena v zraku, brez podpore. Zato ima eksperiment tako ime.

Znanstvena razlaga poskusa

Superprevodnost je mogoče doseči le pri zelo nizkih temperaturah, zato je treba superprevodnik predhodno ohladiti, na primer z visokotemperaturnimi plini, kot je tekoči helij ali tekoči dušik.

Na površino ravnega ohlajenega superprevodnika se namesti magnet. Tudi v poljih z minimalno magnetno indukcijo, manjšo od 0,001 Tesla, se magnet dvigne nad površino superprevodnika za približno 7-8 milimetrov. Če postopoma povečujemo indukcijo magnetnega polja, se razdalja med površino superprevodnika in magnetom vedno bolj povečuje.

Magnet bo lebdel, dokler se ne spremenijo zunanji pogoji in superprevodnik izgubi svoje superprevodne lastnosti.