Levitacija je prevladavanje gravitacije, u kojem se subjekt ili objekt nalazi u prostoru bez oslonca. Riječ "levitacija" dolazi od latinskog Levitas, što znači "lakoća".
Levitaciju je pogrešno poistovjećivati s letom, jer se potonje temelji na otporu zraka, zbog čega ptice, kukci i druge životinje lete, a ne levitiraju.
Levitacija u fizici
Levitacija u fizici se odnosi na stabilan položaj tijela u gravitacijskom polju, dok tijelo ne smije dodirivati druge objekte. Levitacija podrazumijeva neke potrebne i teške uvjete:
- Sila koja može nadoknaditi gravitaciju i silu gravitacije.
- Sila koja može osigurati stabilnost tijela u prostoru.
Iz Gaussovog zakona proizlazi da u statičkom magnetskom polju statična tijela ili objekti nisu sposobni za levitaciju. Međutim, ako promijenite uvjete, možete postići levitaciju.
Kvantna levitacija
Široka javnost prvi put je postala svjesna kvantne levitacije u ožujku 1991. godine, kada je objavljena zanimljiva fotografija u znanstvenom časopisu Nature. Prikazao je direktora Laboratorija za istraživanje supravodljivosti u Tokiju Don Tapscotta kako stoji na keramičkoj supravodljivoj ploči, a između poda i ploče nije bilo ničega. Fotografija se pokazala stvarnom, a ploča, koja je zajedno s režiserom koji je na njoj stajala, teška oko 120 kilograma, mogla je lebdjeti iznad poda zahvaljujući efektu supravodljivosti poznatom kao Meissner-Ochsenfeldov efekt.
Dijamagnetska levitacija
Ovo je naziv vrste suspendiranog u magnetskom polju tijela koje sadrži vodu, koje je samo po sebi dijamagnet, odnosno materijal čiji se atomi mogu magnetizirati protiv smjera glavnog elektromagnetskog polje.
U procesu dijamagnetske levitacije glavnu ulogu imaju dijamagnetska svojstva vodiča, čiji atomi pod djelovanjem vanjskog magnetskog polja neznatno mijenjaju parametre kretanja elektrona u svojim molekulama, što dovodi do pojave slabog magnetskog polja suprotnog smjera od glavnog. Učinak ovog slabog elektromagnetskog polja dovoljan je za prevladavanje gravitacije.
Da bi demonstrirali dijamagnetsku levitaciju, znanstvenici su u više navrata provodili eksperimente na malim životinjama.
Ova vrsta levitacije korištena je u eksperimentima na živim objektima. Tijekom eksperimenata uvanjsko magnetsko polje s indukcijom od oko 17 Tesla, postignuto je suspendirano stanje (levitacija) žaba i miševa.
Prema Newtonovom trećem zakonu, svojstva dijamagneta mogu se koristiti i obrnuto, odnosno za levitiranje magneta u polju dijamagneta ili za stabilizaciju u elektromagnetskom polju.
Dijamagnetska levitacija je po prirodi identična kvantnoj levitaciji. Odnosno, kao i kod djelovanja Meissnerovog efekta, dolazi do apsolutnog pomaka magnetskog polja iz materijala vodiča. Jedina mala razlika je u tome što je za postizanje dijamagnetske levitacije potrebno mnogo jače elektromagnetsko polje, međutim, uopće nije potrebno hladiti vodiče da bi se postigla njihova supravodljivost, kao što je slučaj s kvantnom levitacijom.
Kod kuće možete čak postaviti nekoliko eksperimenata na dijamagnetskoj levitaciji, na primjer, ako imate dvije ploče bizmuta (što je dijamagnet), možete postaviti magnet s niskom indukcijom, oko 1 T, u suspendiranom stanju. Osim toga, u elektromagnetskom polju s indukcijom od 11 Tesla, možete stabilizirati mali magnet u suspendiranom stanju podešavanjem njegovog položaja prstima, a da pritom uopće ne dodirujete magnet.
Dijamagneti koji se često pojavljuju su gotovo svi inertni plinovi, fosfor, dušik, silicij, vodik, srebro, zlato, bakar i cink. Čak je i ljudsko tijelo dijamagnetno u pravom elektromagnetskom magnetskom polju.
Magnetska levitacija
Magnetska levitacija je učinkovitametoda podizanja predmeta pomoću magnetskog polja. U ovom slučaju, magnetski tlak se koristi za kompenzaciju gravitacije i slobodnog pada.
Prema Earnshawovom teoremu, nemoguće je stalno držati objekt u gravitacijskom polju. Odnosno, levitacija u takvim uvjetima je nemoguća, ali ako uzmemo u obzir mehanizme djelovanja dijamagneta, vrtložnih struja i supravodiča, tada se može postići učinkovita levitacija.
Ako magnetska levitacija pruža podizanje uz mehaničku potporu, ovaj fenomen se naziva pseudolevitacija.
Meissnerov efekt
Meissnerov efekt je proces apsolutnog pomaka magnetskog polja iz cijelog volumena vodiča. To se obično događa tijekom prijelaza vodiča u supravodljivo stanje. To je ono po čemu se supravodiči razlikuju od idealnih - unatoč činjenici da oba nemaju otpor, magnetska indukcija idealnih vodiča ostaje nepromijenjena.
Prvi put su ovaj fenomen opazili i opisali dva njemačka fizičara - Meissner i Oksenfeld 1933. godine. Zato se kvantna levitacija ponekad naziva Meissner-Ochsenfeld efektom.
Iz općih zakona elektromagnetskog polja proizlazi da je u odsutnosti magnetskog polja u volumenu vodiča u njemu prisutna samo površinska struja, koja zauzima prostor blizu površine supravodiča. Pod ovim uvjetima, supravodnik se ponaša na isti način kao dijamagnet, a da to nije.
Meissnerov efekt se dijeli na potpuni i djelomični, uovisno o kvaliteti supravodiča. Potpuni Meissnerov efekt se opaža kada je magnetsko polje potpuno pomaknuto.
Visokotemperaturni supravodiči
U prirodi postoji nekoliko čistih supravodnika. Većina njihovih supravodljivih materijala su legure, koje najčešće pokazuju samo djelomični Meissnerov učinak.
U supravodičima, sposobnost potpunog istiskivanja magnetskog polja iz njegovog volumena razdvaja materijale na supravodiče prvog i drugog tipa. Supervodiči prvog tipa su čiste tvari, kao što su živa, olovo i kositar, sposobne pokazati puni Meissnerov učinak čak i u velikim magnetskim poljima. Supervodiči druge vrste najčešće su legure, kao i keramika ili neki organski spojevi, koji u uvjetima magnetskog polja s visokom indukcijom mogu samo djelomično istisnuti magnetsko polje iz svog volumena. Ipak, u uvjetima vrlo niske jakosti magnetskog polja, gotovo svi supravodiči, uključujući tip II, sposobni su za puni Meissnerov efekt.
Poznato je da nekoliko stotina legura, spojeva i nekoliko čistih materijala ima karakteristike kvantne supravodljivosti.
Iskustvo Mohammedovog lijesa
"Mohammedov lijes" je vrsta trika s levitacijom. Ovo je bio naziv eksperimenta koji je jasno pokazao učinak.
Prema muslimanskoj legendi, lijes proroka Muhameda bio je u zraku u limbu, bez ikakve podrške i oslonca. Točnootuda naziv iskustva.
Znanstveno objašnjenje iskustva
Supervodljivost se može postići samo pri vrlo niskim temperaturama, tako da se supravodič mora unaprijed ohladiti, na primjer, visokotemperaturnim plinovima poput tekućeg helija ili tekućeg dušika.
Tada se magnet postavlja na površinu ravnog hlađenog supravodnika. Čak i u poljima s minimalnom magnetskom indukcijom koja ne prelazi 0,001 Tesle, magnet se uzdiže iznad površine supravodiča za oko 7-8 milimetara. Ako postupno povećavate snagu magnetskog polja, udaljenost između površine supravodnika i magneta će se sve više povećavati.
Magnet će nastaviti levitirati sve dok se vanjski uvjeti ne promijene i supravodič ne izgubi svoje supravodljive karakteristike.
