Η αιώρηση είναι η υπέρβαση της βαρύτητας, κατά την οποία το υποκείμενο ή το αντικείμενο βρίσκεται στο διάστημα χωρίς υποστήριξη. Η λέξη "αιώρηση" προέρχεται από το λατινικό Levitas, που σημαίνει "ελαφρότητα".
Η αιώρηση είναι λάθος να ταυτίζεται με την πτήση, γιατί η τελευταία βασίζεται στην αντίσταση του αέρα, γι' αυτό τα πουλιά, τα έντομα και άλλα ζώα πετούν και δεν αιωρούνται.
Η αιώρηση στη φυσική
Η αιώρηση στη φυσική αναφέρεται στη σταθερή θέση ενός σώματος σε ένα βαρυτικό πεδίο, ενώ το σώμα δεν πρέπει να αγγίζει άλλα αντικείμενα. Η αιώρηση συνεπάγεται ορισμένες απαραίτητες και δύσκολες συνθήκες:
- Μια δύναμη που μπορεί να αντισταθμίσει τη βαρυτική έλξη και τη δύναμη της βαρύτητας.
- Η δύναμη που μπορεί να εξασφαλίσει τη σταθερότητα του σώματος στο διάστημα.
Από τον νόμο του Gauss προκύπτει ότι σε ένα στατικό μαγνητικό πεδίο, τα στατικά σώματα ή αντικείμενα δεν είναι ικανά να αιωρούνται. Ωστόσο, εάν αλλάξετε τις συνθήκες, μπορείτε να επιτύχετε αιώρηση.
Κβαντική αιώρηση
Το ευρύ κοινό γνώρισε για πρώτη φορά την κβαντική αιώρηση τον Μάρτιο του 1991, όταν μια ενδιαφέρουσα φωτογραφία δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature. Έδειχνε τον διευθυντή του Ερευνητικού Εργαστηρίου Υπεραγωγιμότητας του Τόκιο, Ντον Τάπσκοτ, να στέκεται σε μια κεραμική υπεραγώγιμη πλάκα και δεν υπήρχε τίποτα μεταξύ του δαπέδου και της πλάκας. Η φωτογραφία αποδείχθηκε αληθινή και η πλάκα, η οποία μαζί με τον σκηνοθέτη που στεκόταν πάνω της, ζύγιζε περίπου 120 κιλά, μπορούσε να αιωρείται πάνω από το πάτωμα χάρη σε ένα φαινόμενο υπεραγωγιμότητας γνωστό ως φαινόμενο Meissner-Ochsenfeld.
Διαμαγνητική αιώρηση
Αυτό είναι το όνομα του τύπου αιωρούμενου στο μαγνητικό πεδίο ενός σώματος που περιέχει νερό, το οποίο από μόνο του είναι διαμαγνήτης, δηλαδή ένα υλικό του οποίου τα άτομα μπορούν να μαγνητιστούν ενάντια στην κατεύθυνση του κύριου ηλεκτρομαγνητικού πεδίο.
Στη διαδικασία της διαμαγνητικής αιώρησης, τον κύριο ρόλο παίζουν οι διαμαγνητικές ιδιότητες των αγωγών, των οποίων τα άτομα, υπό τη δράση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, αλλάζουν ελαφρώς τις παραμέτρους της κίνησης των ηλεκτρονίων στα μόριά τους, οι οποίες οδηγεί στην εμφάνιση ενός ασθενούς μαγνητικού πεδίου αντίθετου προς το κύριο. Η επίδραση αυτού του ασθενούς ηλεκτρομαγνητικού πεδίου είναι αρκετή για να υπερνικήσει τη βαρύτητα.
Για να αποδείξουν τη διαμαγνητική αιώρηση, οι επιστήμονες διεξήγαγαν επανειλημμένα πειράματα σε μικρά ζώα.
Αυτός ο τύπος αιώρησης χρησιμοποιήθηκε σε πειράματα σε ζωντανά αντικείμενα. Κατά τη διάρκεια πειραμάτων σεένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο με επαγωγή περίπου 17 Tesla, επιτεύχθηκε μια κατάσταση αναστολής (αιώρηση) βατράχων και ποντικών.
Σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, οι ιδιότητες των διαμαγνητών μπορούν να χρησιμοποιηθούν αντίστροφα, δηλαδή να αιωρούνται ένας μαγνήτης στο πεδίο ενός διαμαγνήτη ή να τον σταθεροποιούν σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.
Η διαμαγνητική αιώρηση είναι ίδια στη φύση της με την κβαντική αιώρηση. Δηλαδή, όπως και με τη δράση του φαινομένου Meissner, υπάρχει απόλυτη μετατόπιση του μαγνητικού πεδίου από το υλικό του αγωγού. Η μόνη μικρή διαφορά είναι ότι για να επιτευχθεί διαμαγνητική αιώρηση, απαιτείται πολύ ισχυρότερο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, ωστόσο, δεν είναι καθόλου απαραίτητο να ψύχονται οι αγωγοί για να επιτευχθεί η υπεραγωγιμότητα τους, όπως συμβαίνει με την κβαντική αιώρηση.
Στο σπίτι, μπορείτε ακόμη και να οργανώσετε πολλά πειράματα σχετικά με τη διαμαγνητική αιώρηση, για παράδειγμα, εάν έχετε δύο πλάκες βισμούθιου (που είναι διαμαγνήτης), μπορείτε να ρυθμίσετε έναν μαγνήτη με χαμηλή επαγωγή, περίπου 1 T, σε κατάσταση αναστολής. Επιπλέον, σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο με επαγωγή 11 Tesla, μπορείτε να σταθεροποιήσετε έναν μικρό μαγνήτη σε κατάσταση αναστολής ρυθμίζοντας τη θέση του με τα δάχτυλά σας, χωρίς να αγγίζετε καθόλου τον μαγνήτη.
Οι διαμαγνήτες που απαντώνται συχνά είναι σχεδόν όλοι αδρανή αέρια, φώσφορος, άζωτο, πυρίτιο, υδρογόνο, ασήμι, χρυσός, χαλκός και ψευδάργυρος. Ακόμη και το ανθρώπινο σώμα είναι διαμαγνητικό στο σωστό ηλεκτρομαγνητικό μαγνητικό πεδίο.
Μαγνητική αιώρηση
Η μαγνητική αιώρηση είναι αποτελεσματικήμέθοδος ανύψωσης αντικειμένου χρησιμοποιώντας μαγνητικό πεδίο. Σε αυτήν την περίπτωση, η μαγνητική πίεση χρησιμοποιείται για να αντισταθμίσει τη βαρύτητα και την ελεύθερη πτώση.
Σύμφωνα με το θεώρημα του Earnshaw, είναι αδύνατο να κρατήσουμε ένα αντικείμενο σε ένα βαρυτικό πεδίο σταθερά. Δηλαδή, η αιώρηση υπό τέτοιες συνθήκες είναι αδύνατη, αλλά αν λάβουμε υπόψη τους μηχανισμούς δράσης των διαμαγνητών, των δινορευμάτων και των υπεραγωγών, τότε μπορεί να επιτευχθεί αποτελεσματική αιώρηση.
Αν η μαγνητική αιώρηση παρέχει ανύψωση με μηχανική υποστήριξη, αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ψευδοαιώρηση.
Εφέ Meissner
Το φαινόμενο Meissner είναι η διαδικασία απόλυτης μετατόπισης του μαγνητικού πεδίου από ολόκληρο τον όγκο του αγωγού. Αυτό συμβαίνει συνήθως κατά τη μετάβαση του αγωγού στην υπεραγώγιμη κατάσταση. Αυτό είναι που διαφέρουν οι υπεραγωγοί από τους ιδανικούς - παρά το γεγονός ότι και οι δύο δεν έχουν αντίσταση, η μαγνητική επαγωγή των ιδανικών αγωγών παραμένει αμετάβλητη.
Για πρώτη φορά αυτό το φαινόμενο παρατηρήθηκε και περιγράφηκε το 1933 από δύο Γερμανούς φυσικούς - τον Meissner και τον Oksenfeld. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η κβαντική αιώρηση ονομάζεται μερικές φορές φαινόμενο Meissner-Ochsenfeld.
Από τους γενικούς νόμους του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, προκύπτει ότι ελλείψει μαγνητικού πεδίου στον όγκο ενός αγωγού, υπάρχει μόνο ένα επιφανειακό ρεύμα, το οποίο καταλαμβάνει χώρο κοντά στην επιφάνεια του υπεραγωγού. Υπό αυτές τις συνθήκες, ένας υπεραγωγός συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο όπως ένας διαμαγνήτης, ενώ δεν είναι ένας.
Το φαινόμενο Meissner χωρίζεται σε πλήρες και μερικό, σεανάλογα με την ποιότητα των υπεραγωγών. Το πλήρες φαινόμενο Meissner παρατηρείται όταν το μαγνητικό πεδίο έχει μετατοπιστεί πλήρως.
Υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας
Υπάρχουν λίγοι καθαροί υπεραγωγοί στη φύση. Τα περισσότερα από τα υπεραγώγιμα υλικά τους είναι κράματα, τα οποία τις περισσότερες φορές εμφανίζουν μόνο ένα μερικό φαινόμενο Meissner.
Στους υπεραγωγούς, είναι η ικανότητα πλήρους μετατόπισης του μαγνητικού πεδίου από τον όγκο του που διαχωρίζει τα υλικά σε υπεραγωγούς του πρώτου και του δεύτερου τύπου. Οι υπεραγωγοί του πρώτου τύπου είναι καθαρές ουσίες, όπως ο υδράργυρος, ο μόλυβδος και ο κασσίτερος, ικανές να επιδείξουν το πλήρες φαινόμενο Meissner ακόμη και σε υψηλά μαγνητικά πεδία. Οι υπεραγωγοί του δεύτερου τύπου είναι συνήθως κράματα, καθώς και κεραμικά ή ορισμένες οργανικές ενώσεις, οι οποίες, υπό συνθήκες μαγνητικού πεδίου με υψηλή επαγωγή, μπορούν να εκτοπίσουν μόνο εν μέρει το μαγνητικό πεδίο από τον όγκο τους. Ωστόσο, υπό συνθήκες πολύ χαμηλής ισχύος μαγνητικού πεδίου, σχεδόν όλοι οι υπεραγωγοί, συμπεριλαμβανομένου του τύπου II, είναι ικανοί για το πλήρες φαινόμενο Meissner.
Πολλές εκατοντάδες κράματα, ενώσεις και αρκετά καθαρά υλικά είναι γνωστό ότι έχουν τα χαρακτηριστικά της κβαντικής υπεραγωγιμότητας.
Η εμπειρία του Μωάμεθ
"Το φέρετρο του Μωάμεθ" είναι ένα είδος κόλπου με αιώρηση. Αυτό ήταν το όνομα του πειράματος που έδειξε ξεκάθαρα το αποτέλεσμα.
Σύμφωνα με τον μουσουλμανικό θρύλο, το φέρετρο του Προφήτη Μωάμεθ βρισκόταν στον αέρα σε αδιέξοδο, χωρίς καμία υποστήριξη και υποστήριξη. Ακριβώςεξ ου και το όνομα της εμπειρίας.
Επιστημονική εξήγηση της εμπειρίας
Η υπεραγωγιμότητα μπορεί να επιτευχθεί μόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, επομένως ο υπεραγωγός πρέπει να ψύχεται εκ των προτέρων, για παράδειγμα, με αέρια υψηλής θερμοκρασίας όπως υγρό ήλιο ή υγρό άζωτο.
Στη συνέχεια ένας μαγνήτης τοποθετείται στην επιφάνεια ενός επίπεδου ψυχόμενου υπεραγωγού. Ακόμη και σε πεδία με ελάχιστη μαγνητική επαγωγή που δεν υπερβαίνει το 0,001 Tesla, ο μαγνήτης ανεβαίνει πάνω από την επιφάνεια του υπεραγωγού κατά περίπου 7-8 χιλιοστά. Εάν αυξήσετε σταδιακά την ένταση του μαγνητικού πεδίου, η απόσταση μεταξύ της επιφάνειας του υπεραγωγού και του μαγνήτη θα αυξάνεται όλο και περισσότερο.
Ο μαγνήτης θα συνεχίσει να αιωρείται έως ότου αλλάξουν οι εξωτερικές συνθήκες και ο υπεραγωγός χάσει τα υπεραγώγιμα χαρακτηριστικά του.
