Levitatie is het overwinnen van de zwaartekracht, waarbij het onderwerp of object zich in de ruimte bevindt zonder ondersteuning. Het woord "levitatie" komt van het Latijnse Levitas, wat "lichtheid" betekent.
Levitatie is verkeerd om gelijk te stellen aan vliegen, omdat laatstgenoemde gebaseerd is op luchtweerstand, daarom vliegen vogels, insecten en andere dieren en zweven ze niet.
Levitatie in de natuurkunde
Levitatie in de natuurkunde verwijst naar de stabiele positie van een lichaam in een zwaartekrachtveld, terwijl het lichaam geen andere objecten mag raken. Levitatie impliceert enkele noodzakelijke en moeilijke voorwaarden:
- Een kracht die de zwaartekracht en de zwaartekracht kan compenseren.
- De kracht die de stabiliteit van het lichaam in de ruimte kan garanderen.
Uit de wet van Gauss volgt dat in een statisch magnetisch veld statische lichamen of objecten niet kunnen zweven. Als u echter de voorwaarden wijzigt, kunt u levitatie bereiken.
Kwantumlevitatie
Het grote publiek werd zich voor het eerst bewust van kwantumlevitatie in maart 1991, toen een interessante foto werd gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Het toonde de directeur van het Tokyo Superconductivity Research Laboratory, Don Tapscott, staande op een keramische supergeleidende plaat, en er was niets tussen de vloer en de plaat. De foto bleek echt te zijn en de plaat, die, samen met de regisseur die erop stond, ongeveer 120 kilogram woog, kon boven de vloer zweven dankzij een supergeleidingseffect dat bekend staat als het Meissner-Ochsenfeld-effect.
Diamagnetische levitatie
Dit is de naam van het type dat wordt opgehangen in het magnetische veld van een lichaam dat water bevat, dat zelf een diamagneet is, dat wil zeggen een materiaal waarvan de atomen kunnen worden gemagnetiseerd tegen de richting van het elektromagnetische hoofd in veld.
In het proces van diamagnetische levitatie wordt de hoofdrol gespeeld door de diamagnetische eigenschappen van geleiders, waarvan de atomen, onder invloed van een extern magnetisch veld, de parameters van de beweging van elektronen in hun moleculen enigszins veranderen, die leidt tot het verschijnen van een zwak magnetisch veld tegengesteld aan de hoofdrichting. Het effect van dit zwakke elektromagnetische veld is voldoende om de zwaartekracht te overwinnen.
Om diamagnetische levitatie aan te tonen, voerden wetenschappers herhaaldelijk experimenten uit op kleine dieren.
Dit type levitatie werd gebruikt in experimenten met levende objecten. Tijdens experimenten ineen extern magnetisch veld met een inductie van ongeveer 17 Tesla, een zwevende toestand (levitatie) van kikkers en muizen werd bereikt.
Volgens de derde wet van Newton kunnen de eigenschappen van diamagneten vice versa worden gebruikt, dat wil zeggen, om een magneet in het veld van een diamagneet te laten zweven of om deze in een elektromagnetisch veld te stabiliseren.
Diamagnetische levitatie is identiek van aard aan kwantumlevitatie. Dat wil zeggen, net als bij de werking van het Meissner-effect, is er een absolute verplaatsing van het magnetische veld van het materiaal van de geleider. Het enige kleine verschil is dat om diamagnetische levitatie te bereiken een veel sterker elektromagnetisch veld nodig is, maar het is helemaal niet nodig om de geleiders te koelen om hun supergeleiding te bereiken, zoals het geval is bij kwantumlevitatie.
Thuis kun je zelfs verschillende experimenten opzetten met diamagnetische levitatie, bijvoorbeeld als je twee platen van bismut hebt (wat een diamagneet is), kun je een magneet instellen met een lage inductie, ongeveer 1 T, in een geschorste toestand. Bovendien kunt u in een elektromagnetisch veld met een inductie van 11 Tesla een kleine magneet in hangende toestand stabiliseren door de positie met uw vingers aan te passen, terwijl u de magneet helemaal niet aanraakt.
Veel voorkomende diamagneten zijn bijna alle inerte gassen, fosfor, stikstof, silicium, waterstof, zilver, goud, koper en zink. Zelfs het menselijk lichaam is diamagnetisch in het juiste elektromagnetische magnetische veld.
Magnetische levitatie
Magnetische levitatie is een effectieveeen methode om een object op te tillen met behulp van een magnetisch veld. In dit geval wordt magnetische druk gebruikt om zwaartekracht en vrije val te compenseren.
Volgens de stelling van Earnshaw is het onmogelijk om een object stabiel in een zwaartekrachtveld te houden. Dat wil zeggen, levitatie onder dergelijke omstandigheden is onmogelijk, maar als we rekening houden met de werkingsmechanismen van diamagneten, wervelstromen en supergeleiders, dan kan effectieve levitatie worden bereikt.
Als magnetische levitatie mechanische ondersteuning biedt, wordt dit fenomeen pseudo-levitatie genoemd.
Meissner-effect
Het Meissner-effect is het proces van absolute verplaatsing van het magnetische veld van het gehele volume van de geleider. Dit gebeurt meestal tijdens de overgang van de geleider naar de supergeleidende toestand. Dit is wat supergeleiders verschillen van ideale - ondanks het feit dat beide geen weerstand hebben, blijft de magnetische inductie van ideale geleiders ongewijzigd.
Voor het eerst werd dit fenomeen in 1933 waargenomen en beschreven door twee Duitse natuurkundigen - Meissner en Oksenfeld. Daarom wordt kwantumlevitatie soms het Meissner-Ochsenfeld-effect genoemd.
Uit de algemene wetten van het elektromagnetische veld volgt dat bij afwezigheid van een magnetisch veld in het volume van een geleider er alleen een oppervlaktestroom in aanwezig is, die ruimte inneemt nabij het oppervlak van de supergeleider. Onder deze omstandigheden gedraagt een supergeleider zich op dezelfde manier als een diamagneet, terwijl hij dat niet is.
Het Meissner-effect is verdeeld in volledig en gedeeltelijk, inafhankelijk van de kwaliteit van supergeleiders. Het volledige Meissner-effect wordt waargenomen wanneer het magnetische veld volledig wordt verplaatst.
Hoge temperatuur supergeleiders
Er zijn maar weinig pure supergeleiders in de natuur. De meeste van hun supergeleidende materialen zijn legeringen, die meestal slechts een gedeeltelijk Meissner-effect vertonen.
In supergeleiders is het het vermogen om het magnetische veld volledig uit zijn volume te verplaatsen dat materialen scheidt in supergeleiders van het eerste en tweede type. Supergeleiders van het eerste type zijn zuivere stoffen, zoals kwik, lood en tin, die zelfs bij sterke magnetische velden het volledige Meissner-effect kunnen vertonen. Supergeleiders van het tweede type zijn meestal legeringen, evenals keramiek of sommige organische verbindingen, die, onder omstandigheden van een magnetisch veld met hoge inductie, slechts in staat zijn om het magnetische veld gedeeltelijk uit hun volume te verplaatsen. Desalniettemin zijn bijna alle supergeleiders, inclusief type II, onder omstandigheden met een zeer lage magnetische veldsterkte in staat tot het volledige Meissner-effect.
Van honderden legeringen, verbindingen en verschillende zuivere materialen is bekend dat ze de kenmerken van kwantumsupergeleiding hebben.
Mohammed's Coffin Experience
"Mohammed's doodskist" is een soort truc met levitatie. Dit was de naam van het experiment dat het effect duidelijk aantoonde.
Volgens de moslimlegende was de kist van de profeet Mohammed in de lucht in het ongewisse, zonder enige steun en ondersteuning. Preciesvandaar de naam van de ervaring.
Wetenschappelijke verklaring van ervaring
Supergeleiding kan alleen worden bereikt bij zeer lage temperaturen, dus de supergeleider moet vooraf worden gekoeld, bijvoorbeeld met gassen op hoge temperatuur zoals vloeibaar helium of vloeibare stikstof.
Vervolgens wordt een magneet op het oppervlak van een platte, gekoelde supergeleider geplaatst. Zelfs in velden met een minimale magnetische inductie van niet meer dan 0,001 Tesla, komt de magneet ongeveer 7-8 millimeter boven het oppervlak van de supergeleider uit. Als je de magnetische veldsterkte geleidelijk verhoogt, wordt de afstand tussen het oppervlak van de supergeleider en de magneet steeds groter.
De magneet blijft zweven totdat de externe omstandigheden veranderen en de supergeleider zijn supergeleidende eigenschappen verliest.
