La levitazione è il superamento della gravità, in cui il soggetto o l'oggetto si trova nello spazio senza supporto. La parola "levitazione" deriva dal latino Levitas, che significa "leggerezza".
La levitazione è sbagliata da identificare con il volo, perché quest'ultimo si basa sulla resistenza dell'aria, motivo per cui uccelli, insetti e altri animali volano e non levitano.
Levitazione in fisica
La levitazione in fisica si riferisce alla posizione stabile di un corpo in un campo gravitazionale, mentre il corpo non dovrebbe toccare altri oggetti. La levitazione implica alcune condizioni necessarie e difficili:
- Una forza che può compensare l'attrazione gravitazionale e la forza di gravità.
- La forza che può assicurare la stabilità del corpo nello spazio.
Dalla legge di Gauss segue che in un campo magnetico statico, corpi o oggetti statici non sono in grado di levitare. Tuttavia, se modifichi le condizioni, puoi ottenere la levitazione.
Levitazione Quantistica
Il grande pubblico è venuto a conoscenza per la prima volta della levitazione quantistica nel marzo 1991, quando una foto interessante è stata pubblicata sulla rivista scientifica Nature. Mostrava il direttore del Tokyo Superconductivity Research Laboratory, Don Tapscott, in piedi su un piatto superconduttore di ceramica, e non c'era niente tra il pavimento e il piatto. La foto si è rivelata reale e il piatto, che, insieme al regista in piedi su di esso, pesava circa 120 chilogrammi, poteva levitare sopra il pavimento grazie a un effetto di superconduttività noto come effetto Meissner-Ochsenfeld.
Levitazione diamagnetica
Questo è il nome del tipo di essere sospeso nel campo magnetico di un corpo contenente acqua, che a sua volta è un diamagnete, cioè un materiale i cui atomi sono in grado di essere magnetizzati contro la direzione dell'elettromagnetismo principale campo.
Nel processo di levitazione diamagnetica, il ruolo principale è svolto dalle proprietà diamagnetiche dei conduttori, i cui atomi, sotto l'azione di un campo magnetico esterno, modificano leggermente i parametri del movimento degli elettroni nelle loro molecole, che porta alla comparsa di un debole campo magnetico opposto in direzione a quello principale. L'effetto di questo debole campo elettromagnetico è sufficiente per vincere la gravità.
Per dimostrare la levitazione diamagnetica, gli scienziati hanno condotto ripetutamente esperimenti su piccoli animali.
Questo tipo di levitazione è stato utilizzato negli esperimenti su oggetti viventi. Durante gli esperimenti inun campo magnetico esterno con un'induzione di circa 17 Tesla, è stato raggiunto uno stato sospeso (levitazione) di rane e topi.
Secondo la terza legge di Newton, le proprietà dei diamagneti possono essere utilizzate viceversa, cioè per far levitare un magnete nel campo di un diamagnete o per stabilizzarlo in un campo elettromagnetico.
La levitazione diamagnetica è di natura identica alla levitazione quantistica. Cioè, come per l'azione dell'effetto Meissner, c'è uno spostamento assoluto del campo magnetico dal materiale del conduttore. L'unica piccola differenza è che per ottenere la levitazione diamagnetica è necessario un campo elettromagnetico molto più forte, tuttavia non è affatto necessario raffreddare i conduttori per ottenere la loro superconduttività, come nel caso della levitazione quantistica.
A casa, puoi anche impostare diversi esperimenti sulla levitazione diamagnetica, ad esempio, se hai due piastre di bismuto (che è un diamagnete), puoi impostare un magnete con una bassa induzione, circa 1 T, in stato sospeso. Inoltre, in un campo elettromagnetico con un'induzione di 11 Tesla, puoi stabilizzare un piccolo magnete in uno stato sospeso regolando la sua posizione con le dita, senza toccare affatto il magnete.
I diamagneti che si verificano frequentemente sono quasi tutti gas inerti, fosforo, azoto, silicio, idrogeno, argento, oro, rame e zinco. Anche il corpo umano è diamagnetico nel giusto campo magnetico elettromagnetico.
Levitazione magnetica
La levitazione magnetica è efficaceun metodo per sollevare un oggetto utilizzando un campo magnetico. In questo caso, la pressione magnetica viene utilizzata per compensare la gravità e la caduta libera.
Secondo il teorema di Earnshaw, è impossibile mantenere stabilmente un oggetto in un campo gravitazionale. Cioè, la levitazione in tali condizioni è impossibile, ma se prendiamo in considerazione i meccanismi d'azione dei diamagneti, delle correnti parassite e dei superconduttori, è possibile ottenere una levitazione efficace.
Se la levitazione magnetica fornisce un supporto meccanico, questo fenomeno è chiamato pseudo-levitazione.
Effetto Meissner
L'effetto Meissner è il processo di spostamento assoluto del campo magnetico dall'intero volume del conduttore. Questo di solito si verifica durante la transizione del conduttore allo stato superconduttore. Questo è ciò che differiscono i superconduttori da quelli ideali: nonostante entrambi non abbiano resistenza, l'induzione magnetica dei conduttori ideali rimane invariata.
Per la prima volta questo fenomeno fu osservato e descritto nel 1933 da due fisici tedeschi - Meissner e Oksenfeld. Ecco perché la levitazione quantistica è talvolta chiamata effetto Meissner-Ochsenfeld.
Dalle leggi generali del campo elettromagnetico, ne consegue che in assenza di un campo magnetico nel volume di un conduttore, in esso è presente solo una corrente superficiale, che occupa spazio vicino alla superficie del superconduttore. In queste condizioni, un superconduttore si comporta allo stesso modo di un diamagnete, pur non essendo tale.
L'effetto Meissner è diviso in pieno e parziale, ina seconda della qualità dei superconduttori. Il pieno effetto Meissner si osserva quando il campo magnetico è completamente spostato.
Superconduttori ad alta temperatura
Ci sono pochi superconduttori puri in natura. La maggior parte dei loro materiali superconduttori sono leghe, che il più delle volte mostrano solo un effetto Meissner parziale.
Nei superconduttori, è la capacità di spostare completamente il campo magnetico dal suo volume che separa i materiali in superconduttori del primo e del secondo tipo. I superconduttori del primo tipo sono sostanze pure, come mercurio, piombo e stagno, in grado di dimostrare il pieno effetto Meissner anche in campi magnetici elevati. I superconduttori del secondo tipo sono molto spesso leghe, così come ceramiche o alcuni composti organici che, in condizioni di campo magnetico ad alta induzione, sono in grado di spostare solo parzialmente il campo magnetico dal loro volume. Tuttavia, in condizioni di intensità del campo magnetico molto bassa, quasi tutti i superconduttori, incluso il tipo II, sono in grado di ottenere il pieno effetto Meissner.
Diverse centinaia di leghe, composti e diversi materiali puri sono noti per avere le caratteristiche della superconduttività quantistica.
Esperienza sulla bara di Mohammed
"La bara di Mohammed" è una specie di trucco con la levitazione. Questo era il nome dell'esperimento che ne dimostrò chiaramente l'effetto.
Secondo la leggenda musulmana, la bara del profeta Maometto era nell'aria nel limbo, senza alcun supporto e supporto. Esattamenteda qui il nome dell'esperienza.
Spiegazione scientifica dell'esperienza
La superconduttività può essere raggiunta solo a temperature molto basse, quindi il superconduttore deve essere preventivamente raffreddato, ad esempio, con gas ad alta temperatura come elio liquido o azoto liquido.
Poi un magnete viene posizionato sulla superficie di un superconduttore piatto raffreddato. Anche in campi con un'induzione magnetica minima non superiore a 0,001 Tesla, il magnete sale sopra la superficie del superconduttore di circa 7-8 millimetri. Se aumenti gradualmente l'intensità del campo magnetico, la distanza tra la superficie del superconduttore e il magnete aumenterà sempre di più.
Il magnete continuerà a levitare finché le condizioni esterne non cambiano e il superconduttore perde le sue caratteristiche di superconduttore.
