Немного магнетизма, несколько примесей и жидкий азот делают волшебство возможным!
“Я вижу вокруг себя чудеса
Остановитесь и посмотрите, это все поразительно
Вода, огонь, воздух и грязь
Чертовы магниты, как они работают?» - Отряд безумных клоунов
Может показаться, что в этом мире есть тайны, которые наука не может объяснить. Но для всего, что мы не можем объяснить, есть несколько совершенно удивительных вещей, которые мы никогда бы не попробовали, если бы не наука, и научные предсказания, к которым пришли наши лучшие теории!
Например, посмотрите это видео и посмотрите, сможете ли вы понять, что здесь происходит. (Без спойлеров, если вы говорите по-французски!)
Очевидно, что-то происходит со сверхпроводимостью, как следует из названия видео (и статьи), а также с некоторым магнетизмом. Но какая физика стоит за этим невероятным поведением?
Даже если Insane Clown Posse думает, что мы не можем, давайте посмотрим, не сможем ли мы сделать это правильно! И давайте начнем с основного типа магнетизма, который вы все знаете: ферромагнетизм.
Ферромагнетизм - это то, как работают постоянные магниты, от железных блоков, способных поднимать скрепки, до магнитов, прилипающих к вашему холодильнику. Основной принцип заключается в том, что вы прикладываете внешнее магнитное поле, и ваш ферромагнитный материал не только становится намагниченным внутри в том же направлении, что и внешнее поле, он остается намагниченным даже после отключения этого поля!
Хотя это тип магнита, с которым мы больше всего знакомы, почти все материалы не являются ферромагнитными. Почему нет?
Потому что большинство материалов не остаются намагниченными после удаления внешнего поля. Так что же происходит внутри этих других материалов, когда вы прикладываете внешнее магнитное поле? Они либо диамагнитны, когда намагничиваются антипараллельно внешнему полю, либо парамагнетики, когда намагничиваются параллельно внешнему полю. (Между прочим, всематериалы обладают диамагнетизмом, но некоторые материалы также являются либо парамагнитными, либо ферромагнитными, что может легко подавить эффект диамагнетизма.)
При нормальных температурах вы, вероятно, слышали об электромагнитном явлении закона индукции Фарадея, который гласит, что если изменить магнитное поле внутри материала, оно порождает внутреннее, электрическое текущий который работает против этого изменения! Ну, если вы приносите материал с какой-либо проводимостью вообще в или из магнитное поле, вы создадите крошечные токи внутри материала - известные как вихревые токи - которые препятствуют внутреннему изменению магнитного поля.
Теперь, при нормальных температурах, эти токи чрезвычайно временны, так как они встречают сопротивление и затухают.
Но что, если вы устранилисопротивление? Что, если бы вы довели его до нуля?
Верьте или нет, вы можете снизить сопротивление до нуля практически в любом материале; все, что вам нужно сделать, это довести его до достаточно низких температур, пока он не станет сверхпроводником!
Каждый материал имеет критическую температуру (обозначенную Tc выше), и когда вы охлаждаете этот материал ниже его критической температуры, он больше не имеет никакого сопротивления электрическому току. Но что происходит, когда вы опускаете температуру материала ниже его критической температуры, чтобы сделать его сверхпроводящим? Он изгоняет все магнитные поляизнутри! Это известно как эффект Мейснера, и он превращает сверхпроводящий материал в идеальный диамагнетик.
«Подождите, - можете сказать вы, - как это объясняет квантовую левитацию?»
Ну, это не, конечно. Потому что то, что я вам только что сказал, относится к сверхпроводникам типа I, таким как алюминий, свинец или ртуть.
Но есть еще один тип сверхпроводника, с примесями в нем, как тот, что на французском видео, которое я показывал вам ранее, а также в этом потрясающем видео ниже.
Если ваш материал представляет собой сплав, сделанный из смеси материалов, то, во-первых, его можно сделать сверхпроводящим при более высоких температуры, чем любой простой старый элемент может сам по себе. В конце 1980-х годов ученые обнаружили, что оксиды иттрия-бария-меди (YBCO) могут впервые становиться сверхпроводящими при температурах выше 77 К, а это означает, что вы можете понизить их сопротивление до нуля, используя жидкий азот, который дешев и прост в использовании. доступный!
Сплавы (и некоторые редкие элементы, такие как ниобий, ванадий и технеций) также могут иметь глубину магнитного проникновения, превышающую длину их сверхпроводящей когерентности, а это означает, что линии внешнего магнитного поля могут проходить через все путь сквозь материал, даже если он сверхпроводящий! В этом (относительно редком) случае магнитное поле будет распространяться отовсюду в этом материале (эффект Мейснера, помните?) за исключением тех областей, где Вместо этого поток «закреплен».
Подводя итог, можно сказать, что в сверхпроводнике II типа силовые линии магнитного поля могут проникать насквозь, от одного конца материала до другого. И если магнитное поле может пройти, угадайте, что еще оно может сделать? Сделай эти вихревые токи! И с сопротивлением, столь сильно сниженным (фактически до нуля) этими сверхнизкими температурами, эти токи не просто затухают; они находятся в постоянном движении, пока температура остается достаточно низкой, чтобы материал оставался сверхпроводящим! (Ниже примерно 93 К для YBCO.)
Так что в областях, где выбрасываются поля, а это большая часть материала, получается идеальный диамагнетик. В местах закрепления потока силовые линии магнитного поля концентрируются, они проходят через весь материал и вызывают устойчивые вихревые токи, и это то, что удерживает сверхпроводник на месте! (Когда вы слышите термин «закрепление потока», они имеют в виду ограниченные силовые линии в нечистых областях!)
Вот и все: вы делаете материал (это сверхпроводник II типа с критической температурой выше температуры жидкого азота) сверхпроводником, вы помещаете его над тщательно ориентированной магнитной дорожкой - подобной той, что ниже - так что что магнитный поток закреплен через сверхпроводник и что он может двигаться только по дорожке, и пока вы остаетесь в сверхпроводящем состоянии, вы будете продолжать левитировать благодаря этому квантовому явлению!
В далеком 2009 году мне довелось фактически пересечься с Мэтью Салливаном из колледжа Итака, который применил это для создания удивительных ресурсов, в том числе - для красоты глаз - видео ниже!
Итак, не только «мы» понимаем магнетизм (извините, ICP, ученые не лгут), но и вы! И это верно даже применительно к левитирующим квантовым сверхпроводникам. Теперь идите вперед и распространяйте знания, потому что это слишком хорошо, чтобы не делиться ими! Хорошо, и если вам нужна еще одна гипнотическая анимация… вот вам!