Слово «левитация» происходит от английского «levitate» - парить, подниматься в воздух. То есть левитация — это преодоление объектом гравитации, когда он парит и не касается опоры, не отталкиваясь при этом от воздуха, не используя реактивную тягу. С точки зрения физики, левитация — это устойчивое положение объекта в гравитационном поле, когда сила тяжести скомпенсирована и имеет место возвращающая сила, обеспечивающая объекту устойчивость в пространстве.

В частности магнитная левитация — это технология подъёма объекта с помощью магнитного поля, когда для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений используется магнитное действие на объект. Именно о магнитной левитации и пойдет речь в данной статье.

Магнитное удержание объекта в состоянии устойчивого равновесия можно реализовать несколькими способами. Каждый из способов имеет свои особенности, и к каждому можно предъявить претензии, вроде «это не настоящая левитация!», и так оно на самом деле и будет. Настоящая левитация в чистом виде недостижима.

Так, теорема Ирншоу доказывает, что, используя только ферромагнетики, невозможно устойчиво удерживать объект в гравитационном поле. Но несмотря на это, с помощью сервомеханизмов, диамагнетиков, сверхпроводников и систем с вихревыми токами возможно достичь подобие левитации, когда какой-нибудь механизм помогает объекту сохранять равновесие, когда тот поднят над опорой магнитной силой. Однако обо всем по порядку.

Электромагнитная левитация с системой слежения

Применив схему на базе электромагнита и фотореле можно заставить левитировать небольшие металлические предметы. Предмет будет парить в воздухе на некотором расстоянии от неподвижно закрепленного на стойке электромагнита. Электромагнит получает питание, пока фотоэлемент, закрепленный в стойке, не затенен парящим предметом, пока на него попадает достаточно света от неподвижно закрепленного контрольного источника, это значит, что объект нужно притянуть.

Когда объект достаточно приподнят, электромагнит отключается, поскольку в этом момент тень от перемещенного в пространстве объекта падает на фотоэлемент, перекрывая свет источника. Объект начинает падать, но упасть не успевает, так как снова включился электромагнит. Так, отрегулировав чувствительность фотореле, можно добиться эффекта, при котором объект будет как-бы висеть на одном месте в воздухе.

На самом деле объект непрерывно то падает, то вновь немного приподнимается электромагнитном. Получается иллюзия левитации. На этом принципе основана работа «левитирующих глобусов» - довольно необычных сувениров, где к глобусу прикреплена магнитная пластина, с которой и взаимодействует электромагнит, скрытый в подставке.

Графитовый грифель от простого карандаша является диамагнетиком, то есть веществом, которое намагничивается против внешнего магнитного поля. В определенных условиях происходит полное вытеснение магнитного поля из материала диамагнетика, например графитовый грифель обладает высокой магнитной восприимчивостью, и начинает парить над неодимовыми магнитами даже при комнатной температуре.

Для устойчивости эффекта магниты следует собрать в шахматном порядке (полюса магнитов), тогда графитовый стержень не выскользнет из «магнитной ловушки» и будет левитировать.

Редкоземельный магнит с индукцией всего 1 Тл может висеть между пластинами висмута, а в магнитном поле с индукцией 11 Тл можно между пальцами стабилизировать «левитацию» маленького неодимового магнита, поскольку руки человека являются диамагнетиком, как и вода.

Известен достаточно широко распространенный опыт с левитирующей лягушкой. Животное аккуратно помещают над магнитом, который создает магнитную индукцию больше 16 Тл и лягушка, демонстрируя диамагнитные свойства, фактически зависает в воздухе на небольшом расстоянии от магнита.

Пластина из оксида иттрия-бария-меди охлаждается до температуры жидкого азота. В этих условиях пластина . Если теперь положить неодимовый магнит на подставку над пластиной, а затем подставку из под магнита вытащить, то магнит зависнет в воздухе — будет левитировать.

Даже небольшой магнитной индукции порядка 1 мТл достаточно чтобы магнит, будучи положен на пластину, приподнялся над охлажденным высокотемпературным сверхпроводником на несколько миллиметров. Чем выше индукция магнита — тем выше он поднимется.

Дело здесь в том, что одно из свойств сверхпроводника — выталкивание магнитного поля из сверхпроводящей фазы, и магнит, отталкиваясь от этого магнитного поля противоположного направления как-бы всплывает и продолжает парить над охлажденным сверхпроводником до тех пор, пока он не выйдет из сверхпроводящего состояния.

Вихревые токи (токи Фуко), наводимые переменными магнитными полями в массивных проводниках также способны удерживать предметы в левитирующем состоянии. Например катушка с переменным током может левитировать над замкнутым кольцом из алюминия, а алюминиевый диск будет парить над катушкой с переменным током.

Объяснение здесь такое: по закону Ленца, индуцируемый в диске или в кольце ток будет создавать такое магнитное поле, что его направление станет препятствовать причине его вызывающей, то есть в каждый период колебаний переменного тока в индукторе, в массивном проводнике будет индуцироваться магнитное поле противоположного направления. Так, массивный проводник или катушка подходящий формы смогут левитировать все время пока включен переменный ток.

Аналогичный механизм удержания проявляется, когда роняют внутри медной трубы — магнитное поле индуцированных вихревых токов направлено противоположно магнитному полю магнита.

Андрей Повный

В самом деле?
Некоторые вещи, как железные гвозди известны своими магнитными свойствами, но почему лягушки должны парить в магнитном поле? Хитрость заключается в том, чтобы получить сильное магнитное поле. Вы не можете просто использовать любой старый ферритовый магнит, чтобы заставить лягушку левитировать.

Лягушки, как и все вокруг и внутри нас, состоят из миллионов и миллиардов атомов. Каждый из этих атомов содержит электроны, которые находятся вокруг центрального ядра, но когда атомы находятся в магнитном поле, электроны слегка сдвигают их орбиты. Эти сдвиги дают атомам их собственное магнитное поле так, как когда лягушку помещают в очень сильном магнитном поле, она, по существу, состоит из множества крошечных магнитов. И в этом нет ничего особенного у лягушек. Все материалы - в том числе клубника, вода и золото - это "диамагнитны" до некоторой степени, но некоторые из них более удобны для левитации, чем другие.

Лягушки удобны не только потому, что они имеют высокое содержание воды в организме, что является хорошим диамагнитным материалом, но также и потому, что они легко помещаются внутри трубчатого электромагнита. Электромагниты потребляют больше напряжение электрического тока, чтобы создать чрезвычайно сильное магнитное поле, которое таким образом намагничивает лягушку, - намагничивание в противоположном направлении по отношению к приложенному полю. Это означает, что намагниченная лягушка выталкивается вверх из области высокого магнитного поля, и взлетает.

Верь глазам своим:
Маленькая лягушка (жива!) И водный шар левитируют внутри ?32mm вертикального канала горького соленоида в магнитном поле около 16 Тесла на Верховного Магнит лаборатории полевой Неймеген.
Образ высокотемпературного сверхпроводника левитирующей выше магнита в тумане жидкого азота вряд ли можно кого-то удивить в эти дни - это стало известно, что сверхпроводники являются идеальными диамагнетиками и магнитное поле должно изгнать их. С другой стороны, вложенные фотографии воды и лягушки зависания внутри магнита (не на борту космического корабля), несколько нелогичным и, возможно, займет много людей (даже физики) врасплох. Это первое наблюдение магнитной левитации живых организмов, а также первые снимки диамагнетиков левитировать в нормальной, комнатной температуры окружающей среды (если не брать в расчет историю о полете Гроб Мухаммеда как таких доказательств, конечно). На самом деле, можно левитировать магнитно каждый материал и все живое на земле в связи с всегда присутствует молекулярной магнетизма. Молекулярная магнетизм очень слаб (миллионов раз слабее ферромагнетизма) и, как правило, остается незамеченным в повседневной жизни, таким образом, создавая ложное впечатление, что материалы вокруг нас, в основном, немагнитных. Но все они магнитные. Это просто, что магнитные поля, необходимые для левитировать все эти «немагнитных» материалы должны быть примерно в 100 раз больше, чем в случае, скажем, сверхпроводников.

Будь объект будет или не будет левитировать в магнитном поле B определяется балансом между магнитной силы F = M ? B и тяжести мг = rV г, где r -плотность материала, V -объем и г = 9,8 / с 2 . Магнитный момент М = (ch / m 0) В.Б. , так что F = (ch / m 0) Б.В. ? B = (ch / 2m 0) В ? B 2 . Таким образом, вертикальный градиент поля ? B 2 , необходимое для левитации должен быть больше, чем 2m 0 r г / ch. Молекулярные восприимчивости ch обычно являются 10 -5 для диамагнетиков и 10 -3 для парамагнетиков и, так как r чаще всего несколько г / см 3 , их магнитной левитации требуется полевые градиенты ~ 1000 и 10 Т 2 / м соответственно. Принимая л = 10 см как типичный размер сильного поля магнитов и ? B 2 ~ B 2 / л в качестве оценки, мы находим, что поля порядка 1 и 10Т достаточно, чтобы вызвать левитации пара-и диамагнитных. Этот результат не должен быть сюрпризом, потому что, как мы знаем, магнитные поля менее 0.1T может левитировать сверхпроводник (ch = -1) и, из приведенных выше формул, магнитная сила увеличивается B 2.

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.

/ 13
ХудшийЛучший

Если мы поднесем северный полюс постоянного магнита к северному же полюсу другого такого же магнита, магниты будут отталкиваться друг от друга. (Если мы перевернем один из магнитов и поднесем его южным полюсом к северному полюсу другого, два магнита будут притягиваться.) Этот же принцип - то, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, - можно использовать для подъема с земли огромных тяжестей. Уже сейчас в нескольких странах идет строительство технически передовых поездов на магнитной подвеске. Такие поезда проносятся не по путям, а над ними на минимальном расстоянии; на весу их удерживают обычные магниты. Поезда как бы парят в воздухе и могут благодаря нулевому трению развивать рекордные скорости.

Первая в мире коммерческая автоматизированная транспортная система на магнитной подвеске была запущена в действие в 1984 г. в британском городе Бирмингеме. Она соединила терминал международного аэропорта и расположенный неподалеку железнодорожный вокзал. Поезда на магнитной подвеске действуют также в Германии, Японии и Корее, хотя большинство из них не предназначены для высоких скоростей. Первый скоростной коммерческий поезд на магнитной подвеске начал ходить по запущенному в действие участку трассы в Шанхае; этот поезд движется по трассе со скоростью до 431 км/ч. Японский поезд на магнитной подвеске в префектуре Яманаси разогнался до скорости 581 км/ч - т. е. двигался значительно быстрее, чем обычные поезда на колесах.

Но устройства на магнитной подвеске чрезвычайно дороги. Один из путей к увеличению их эффективности - использование сверхпроводников, которые при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, полностью теряют электрическое сопротивление. Явление сверхпроводимости открыл в 1911 г. Хейке Камерлинг-Оннес . Суть его состояла в том, что некоторые вещества при охлаждении до температуры ниже 20 К (20° выше абсолютного нуля) теряют всякое электрическое сопротивление. Как правило, при охлаждении металла его электрическое сопротивление постепенно уменьшается. (Дело в том, что направленному движению электронов в проводнике мешают случайные колебания атомов набор монет города воинской славы . При уменьшении температуры размах случайных колебаний уменьшается, и электричество испытывает меньшее сопротивление.) Но Камерлинг-Оннес, к собственному изумлению, обнаружил, что сопротивление некоторых материалов при определенной критической температуре резко падает до нуля.

Физики сразу поняли важность полученного результата. При передаче на большие расстояния в линиях электропередачи теряется значительное количество электроэнергии. Но если бы сопротивление удалось устранить, электроэнергию можно было бы передавать в любое место почти даром. Вообще, возбужденный в замкнутом контуре электрический ток мог бы циркулировать в нем без потерь энергии миллионы лет. Более того, из этих необычайных токов несложно было бы создать магниты невероятной мощности. А имея такие магниты, можно было бы без усилий поднимать громадные грузы.

Несмотря на чудесные возможности сверхпроводников, применять их очень непросто. Держать большие магниты в баках с чрезвычайно холодными жидкостями очень дорого. Чтобы сохранять жидкости холодными, потребуются громадные фабрики холода, которые поднимут стоимость сверхпроводящих магнитов до заоблачных высот и сделают их использование невыгодным.

Но однажды физикам, возможно, удастся создать вещество, которое сохранит сверхпроводящие свойства даже при нагреве до комнатной температуры. Сверхпроводимость при комнатной температуре - «святой Грааль» физиков-твердотельщиков. Получение таких веществ, по всей вероятности, послужит началом второй промышленной революции. Мощные магнитные поля, способные удерживать на весу машины и поезда, станут настолько дешевыми, что даже «планирующие автомобили», возможно, окажутся экономически выгодными. Очень может быть, что с изобретением сверхпроводников, сохраняющих свои свойства при комнатной температуре, фантастические летающие машины, которые мы видим в фильмах «Назад в будущее», «Особое мнение» и «Звездные войны», станут реальностью.

В принципе вполне представимо, что человек сможет надевать специальный пояс из сверхпроводящих магнитов, который позволит ему свободно левитировать над землей. С таким поясом можно было бы летать по воздуху, подобно Супермену. Вообще, сверхпроводимость при комнатной температуре явление настолько замечательное, что изобретение и использование таких сверхпроводников описано во множестве научно-фантастических романов.

Десятки лет физики безуспешно искали вещества, которые обладали бы сверхпроводимостью при комнатной температуре. Это был утомительный скучный процесс - искали методом проб и ошибок, испытывая один материал за другим. Но в 1986 г. был открыт новый класс веществ, получивших название «высокотемпературные сверхпроводники»; эти вещества обретали сверхпроводимость при температурах порядка 90° выше абсолютного нуля, или 90 К. Это открытие стало настоящей сенсацией в мире физики. Казалось, распахнулись ворота шлюза. Месяц за месяцем физики соревновались друг с другом, стремясь установить новый мировой рекорд сверхпроводимости. Какое-то время даже казалось, что сверхпроводимость при комнатной температуре вот-вот сойдет со страниц научно-фантастических романов и станет реальностью. Но после нескольких лет бурного развития исследования в области высокотемпературных сверхпроводников начали замедляться.

В настоящее время мировой рекорд для высокотемпературных сверхпроводников принадлежит веществу, представляющему собой сложный оксид меди, кальция, бария, таллия и ртути, которое становится сверхпроводящим при 138 К (-135 °С). Эта относительно высокая температура все еще очень далека от комнатной. Но и это - важный рубеж. Азот становится жидким при температуре 77 К, а жидкий азот стоит примерно столько же, сколько обычное молоко. Поэтому для охлаждения высокотемпературных сверхпроводников можно использовать обычный жидкий азот, это недорого. (Разумеется, сверхпроводники, остающиеся таковыми и при комнатной температуре, совсем не потребуют охлаждения.)

Неприятно другое. В настоящее время не существует теории, которая объясняла бы свойства высокотемпературных сверхпроводников. Более того, предприимчивого физика, который сумеет объяснить, как они работают, ждет Нобелевская премия. (В известных высокотемпературных сверхпроводниках атомы организованы в четко выраженные слои. Многие физики предполагают, что именно слоистость керамического материала дает возможность электронам свободно передвигаться внутри каждого слоя, создавая таким образом сверхпроводимость. Но как именно и почему это происходит - по-прежнему загадка.)

Недостаток знаний вынуждает физиков искать новые высокотемпературные сверхпроводники по старинке, методом проб и ошибок. Это означает, что пресловутая сверхпроводимость при комнатной температуре может быть открыта когда угодно - завтра, через год, или вообще никогда. Никто не знает, когда будет найдено вещество с такими свойствами и будет ли оно найдено вообще.

Но если сверхпроводники при комнатной температуре будут открыты, их открытие, скорее всего, породит громадную волну новых изобретений и коммерческих приложений. Обычными, возможно, станут магнитные поля, в миллион раз более сильные, чем магнитное поле Земли (которое составляет 0,5 Гс).

Одно из свойств, присущих всем сверхпроводникам, носит название эффекта Мейснера . Если поместить магнит над сверхпроводником, магнит зависнет в воздухе, как будто поддерживаемый некой невидимой силой. (Причина эффекта Мейснера заключается в том, что магнит обладает свойством создавать внутри сверхпроводника собственное «зеркальное отражение», так что настоящий магнит и его отражение начинают отталкиваться друг от друга. Еще одно наглядное объяснение этого эффекта - в том, что сверхпроводник непроницаем для магнитного поля. Он как бы выталкивает магнитное поле. Поэтому, если поместить магнит над сверхпроводником, силовые линии магнита при контакте со сверхпроводником исказятся. Эти силовые линии и будут выталкивать магнит вверх, заставляя его левитировать.)

Если человечество получит возможность использовать эффект Мейснера, то можно вообразить шоссе будущего с покрытием из такой специальной керамики. Тогда при помощи магнитов, размещенных у нас на поясе или на днище автомобиля, мы сможем волшебным образом парить над дорогой и нестись к месту назначения без всякого трения или потерь энергии.

Эффект Мейснера работает только с магнитными материалами, такими как металлы. Но можно использовать сверхпроводниковые магниты и для левитирования немагнитных материалов, известных как парамагнетики или диамагнетики. Эти вещества сами по себе не обладают магнитными свойствами; они обретают их только в присутствии и под воздействием внешнего магнитного поля. Парамагнетики притягиваются внешним магнитом, диамагнетики отталкиваются.

Вода, к примеру, диамагнетик. Поскольку все живые существа состоят из воды, они тоже могут левитировать в присутствии мощного магнитного поля. В поле с магнитной индукцией около 15 Т (в 30 000 раз более мощном, чем магнитное поле Земли) ученым уже удалось заставить левитировать небольших животных, таких как лягушки. Но если сверхпроводимость при комнатной температуре станет реальностью, можно будет поднимать в воздух и крупные немагнитные объекты, пользуясь их диамагнитными свойствами.

В заключение отметим, что силовые поля в том виде, в каком их обычно описывает фантастическая литература, не согласуются с описанием четырех фундаментальных взаимодействий в нашей Вселенной. Но можно предположить, что человеку удастся имитировать многие свойства этих выдуманных полей при помощи многослойных щитов, включающих в себя плазменные окна, лазерные завесы, углеродные нанотрубки и вещества с переменной прозрачностью. Но реально такой щит может быть разработан лишь через несколько десятилетий, а то и через столетие. И в случае, если сверхпроводимость при комнатной температуре будет обнаружена, у человечества появится возможность использовать мощные магнитные поля; возможно, с их помощью удастся поднять в воздух автомобили и поезда, как мы видим в фантастических фильмах.

3.4. Магнитостат.

"Магнитостат - аппарат способный

перемещаться в магнитном поле

за счет диамагнитной выталкивающей

силы, действующей на все

диамагнетики в магнитных полях"

Вступление. Идея использования в качестве опоры для левитации магнитного поля Земли, уже очень стара. Подобное устройство описывал в своих произведениях еще Джонатан Свифт. Но все предложенные конструкции магнитолетов, которые по задумки изобретателей должны были левитировать в магнитном поле Земли за счет силы Лоуренса очень далеки до воплощения в металле и имеют целый ряд неразрешенных технических трудностей. Не буду утруждать читателя подробностями, а сразу же оговорю, что данная конструкция магнитостата, о которой пойдет речь во второй половине статьи, еще никем и нигде и никогда не предлагалась. Хотя ее модель в отличие от магнитолетов различных конструкций может собрать и испытать каждый. Диамагнитная левитация . Магнитостат это аппарат способный левитировать в магнитосфере Земли за счет "Диамагнитной левитации" или же аналога силы Архимеда в магнитном поле . Принцип действия Магнитостата заключается в следующем: Магнитное поле это изначально довольно жесткая конструкция. Диамагнетик же генерирует навстречу исходному полю свое слабое магнитное поле .

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