Lewitacja (technika)

Z Wikipedii

Lewitacja (lat. levitas = lekkość) to unoszenie się obiektu bez kontaktu z podłożem. Historycznie nazywano w ten sposób fenomen parapsychologiczny lub trik magiczny. Obecnie istnieje co najmniej kilka metod technicznych umożliwiających lewitację. Na obiekt w stanie lewitacji wywierana jest siła utrzymująca go w stanie zawieszenia, przy tym nie ma bezpośredniego kontaktu z przedmiotem - jedynym nośnikiem jest co najwyżej powietrze. Warunkiem koniecznym stabilnej lewitacji jest, aby pomiędzy siłą ją wywołującą a wysokością lewitacji zachodziło ujemne sprzężenie zwrotne.

Spis treści 1 Lewitacja oparta na ciśnieniu powietrza 2 Lewitacja akustyczna 3 Lewitacja optyczna 4 Lewitacja magnetyczna 4.1 Stabilizacja ruchem obrotowym 4.2 Aktywna regulacja pola 4.3 Diamagnetyzm 4.4 Lewitacja stabilizowana diamagnetykami 4.5 Lewitacja związana ze zmiennym polem magnetycznym 5 Lewitacja w polu elektrostatycznym 6 Linki zewnętrzne

[edytuj] Lewitacja oparta na ciśnieniu powietrza

Lewitacja obiektu może być uzyskana przez działanie sprężonego powietrza na lewitujący przedmiot. W przypadku gry zręcznościowej Air Hockey, powietrze jest wydmuchiwane przez zespół małych dysz znajdujących się na stole, tak że lekki obiekt unosi się na małej wysokości nad nim i może być z minimalnym oporem przesuwany. Podobne dużo większe urządzenia umożliwiają nawet lewitację ludzi.

Alternatywnie powietrze może być wypychane przez obiekt w dół (ewentualnie przy jednoczesnym wytworzeniu podciśnienia powyżej). Tę zasadę wykorzystuje się w poduszkowcu oraz w systemach do przenoszenia maszyn działających na tej samej zasadzie co poduszkowiec.

Lekki przedmiot może utrzymywać się stabilnie w pionowym strumieniu powietrza stabilizowany przez siłę Bernoulliego, podobnie jak piłka utrzymuje się stabilnie na wierzchołku pionowej fontanny.

[edytuj] Lewitacja akustyczna

W tej metodzie małe próbki materii są umieszczane w węzłach stojących fal ultradźwiękowych. Metodę tę zademonstrowano po raz pierwszy w 1933 roku. Wykorzystuje się to rozwiązanie w badaniach w stanie nieważkości na stacjach kosmiczynch. Próbki materiałów mogą być umieszczane bez kontaktu z innymi przedmiotami a ich pozycja precyzyjnie kontrolowana. Metoda ta może być też stosowana w metodach mieszanych (np. w kombinacji z polem magnetycznym lub elektrostatycznym). Służy wtedy stabilizacji niestabilnego układu.

Metody oparte na drganiu podłoża mogą wywołać efekty sprawiające, że przedmiot zachowuje się jakby nie dotykał podłoża, a przy odpowiednio dobranej charakterystyce drgań może przesuwać się po równi w górę. Metody te są stosowane w przenośnikach i sortownikach drobnych przedmiotów. W wyniku drgań podłoża gdy podłoże podnosi się przedmiot jest podnoszony i nabiera prędkości, przy odpowiednio dużej częstości drgań i ich amplitudzie, przedmiot dotyka do podłoża tylko przez niewielką część okresu drgań.

[edytuj] Lewitacja optyczna

Bardzo drobne cząstki mogą stabilnie lewitować stabilizowane przez silne lasery.

[edytuj] Lewitacja magnetyczna

Pole magnetyczne umożliwia prawdziwą lewitację, tj. bez mechanicznego kontaktu z lewitującym obiektem. W zależności od ładunku lub bieguna magnetycznego ciała wzajemnie się przyciągają lub odpychają równoważąc w ten sposób siłę ciężkości. Istotnym praktycznym problemem jest tu jednak fakt, że nie istnieje statyczny stabilny układ sił magnetycznych czy elektrostatycznych umożliwiający lewitację, co jest treścią twierdzenia Earnshawa, które stwierdza, że siły odpychania zależne od odległości jako odwrotność kwadratu odległości tworzą niestabilne układy równowagi. Istnieje jednak mimo to kilka metod uzyskania stabilnej lewitacji przy użyciu pola magnetycznego (czy elektrostatycznego).

[edytuj] Stabilizacja ruchem obrotowym

Magnes stały wprawiony w ruch obrotowy wokół własnej pionowej osi zachowuje się jak żyroskop dzięki czemu nie przewraca się i może unosić się stabilnie w statyczym polu magnetycznym. Gdy na wirujące ciało będzie działał moment siły starający się obrócić oś obrotu ciała, wówczas ciało nie przewróci się ale jego oś obrotu będzie wirowała ruch ten nazywany jest precesją. Czas lewitacji jest ograniczony czasem obracania się bąka. Przez dostarczanie mu energii zapewniającej obrót można dowolnie wydłużyć czas lewitacji. Zabawka działająca na tej zasadzie jest sprzedawana pod nazwą handlową Levitron. Wikipedia videó

[edytuj] Aktywna regulacja pola

Pozycja lewitującego obiektu może zostać określona np. przez system fotokomórek. Na tej podstawie siła magnetyczna jest dostosowywana (sprzężenie zwrotne) do położenia obiektu. Wraz z rozwojem elektroniki metoda ta stała się na tyle powszechna i tania, że umożliwiła produkcję zabawek ale i dużych urządzeń technicznych jak na przykład kolei magnetycznej.

[edytuj] Diamagnetyzm

Twierdzenie Earnshawa odnosi się jedynie do obiektów o niezależnym od położenia momencie magnetycznym m, jak np. ferromagnetyki twarde (magnesy trwałe), których energia jest proporcjonalna do ich momentu dipolowego oraz do indukcji magnetycznej i wyraża się wzorem m·B. Punkt o maksymalnym natężeniu pola magnetycznego, do którego jest przyciągany ferromagnetyk nie istnieje w pustej przestrzeni. Paramagnetyzm i diamagnetyzm są natomiast formami magnetyzmu indukowanymi przez zewnętrzne pole magnetyczne, stąd moment magnetyczny jest proporcjonalny do indukcji pola B m = κB. Oznacza to, że energia diamagnetyku jest proporcjonalna do kwadratu indukcji pola magnetycznego B². Paramagnetyki są przyciągane do maksimum pola a maksima to nie istnieją poza substancjami, ale diamagnetyki są przyciągane do punktów o minimalnym natężeniu pola, a takie istnieją w pustej przestrzeni.

Jednym z materiałów o najsilniejszych właściwościach diamagnetycznych w temperaturze pokojowej jest grafit. I tak na przykład można uzyskać stabilną lewitację lekkich płatków grafitu nad silnymi magnesami stałymi. Gdy wykorzystać jeszcze silniejsze pola magnetyczne (np. 15 tesli) można doprowadzić do unoszenia się przedmiotów z jednej strony cięższych, z drugiej zaś o mniejszej podatności magnetycznej (np. ciała zawierające wodę). Minimalne kryteria dla lewitacji opartej jedynie na zjawisku diamagnetyzmu wyraża równanie , gdzie:

• χ to podatność magnetyczna
• ρ to gęstość materiału
• g to przyspieszenie ziemskie (ok. 9,8 m/s²)
• μ₀ to przenikalność magnetyczna próżni
• B to indukcja magnetyczna
• to gradient pola magnetycznego wzdłuż osi pionowej

Przyjmując warunki idealne w celu uzyskania lewitacji opartej jedynie na zjawisku diamagnetyzmu należy dla:

• wody uzyskać pole magnetyczyne
• grafitu uzyskać pole magnetyczne

Nadprzewodniki są idealnymi diamagnetytkami, przy ich pomocy można uzyskać spektakularne efekty lewitacji. Efekt ten jest związany ze zjawiskiem Meissnera). Ciało wykonane z nadprzewodnika wypycha z siebie linie pola magnetycznego a w efekcie odpycha od siebie magnes. Utrata nadprzewodnictwa może być spowodowana wzrostem temperatury lub przekroczeniem granicznej wartości natężenia pola magnetycznego.

[edytuj] Lewitacja stabilizowana diamagnetykami

Pewną możliwość ominięcia problemu uzyskania silnych pól magnetycznych wystarczających do zrównoważenia ciężaru lewitującego ciała stanowi układ magnesów trwałych i diamagnetyków. Lewituje silny magnes utrzymywany przez inny silny magnes stały w stanie bliskim lewitacji (która wszakże zgodnie z twierdzeniem Earnshawa w układzie składającym się jedynie z dwóch magnesów jest niemożliwa). Lewitujący magnes jest stabilizowany przez jeden lub dwa diamagnetyki. Można tutaj wyróżnić dwa rozwiązania:

• stabilizacja pionowa, gdy diamagnetyk znajduje się pod lewitującym magnesem lub pod i nad nim oraz
• stabilizacja pozioma, gdy lewitujący magnes znajduje się w cylindrze z diamagnetyka.

[edytuj] Lewitacja związana ze zmiennym polem magnetycznym

Zmienne pole magnetyczne wzbudza w przewodniku znajdującym się w tym polu, prądy wirowe indukujące pole magnetyczne, zgodnie z regułą Lenza powstające pole przeciwdziała przyczynie która ją wywołuje. Na przewodnik nie będący ferromagnetykiem jak przykładowo miedź czy aluminium działa siła która hamuje ruch przewodnika względem magnesu. Ruch ten opóźnia, a w przypadku nadprzewodnika nawet zatrzymuje ruch magnesu w niejednorodnym polu magnetycznym.

Niektóre informacje zawarte w artykule wymagają weryfikacji. Zajrzyj na stronę dyskusji, by dowiedzieć się, jakie informacje budzą wątpliwości.

Trzy układy nadają się w praktyce:

• Wirujący względem siebie magenes i przewodnik - wymaga uzyskania dostatecznie dużej prędkości obrotowej
• Zmienne pole magnetyczne dużej częstotliwości
• Silny magnes poruszający się z dużą szybkością względem przewodnika. Ten układ ma być używany w systemie kolei magnetycznej Inductrack.

[edytuj] Lewitacja w polu elektrostatycznym

Odziaływanie elektrostyczne w praktyce trudniej wykorzystać do uzyskania stabilnej lewitacji. Ponieważ ładunki w polu elektrycznym podlegają twierdzeniu Earnshawa, nie istnieje statyczny układ ładunków tworzący lokalne minimum potencjału. Podobnie jak w przypadku pola magnetycznego, możliwym rozwiązaniem jest regulowanie natężenie pola w zależności od położenia obiektu. Przykładem zastosowania tej zasady jest mocowanie żyroskopów w projekcie Gravity Probe B.

[edytuj] Linki zewnętrzne

• Teoria stabilnej lewitacji magnetycznej
• Opis levitronu, twierdzenie Earnshawa
• Magnes lewitujący nad dwoma obracającymi się grubościennymi rurami miedzianymi - Opis doświadczenia oraz interpretacja fizyczna
• Zasada działania kolei magnetycznej systemu Inductrack
• Opis systemu Inductrack
• Opis eksperymentu, aluminiowa sfera lewitująca w silnym polu magnetycznym wytwarzanym przez dwie cewki
• Opis eksperymentu, silny magnes neodymowy lewituje nad obracającą się tarczą aluminiową
• Opis eksperymentu, lewitacja magnesu stałego stabilizowana przez diamagnetyk
• Opis eksperymentu - lewitacja mikrocząsteczek w silnym świetle laserowym