Ученые разгадали тайну магнитной левитации за пределами классической физики

Ученые из Технического университета Дании (DTU) подтвердили основную физику недавно открытого явления магнитной левитации.

В 2021 году ученый из Турции опубликовал статью, подробно описывающую эксперимент, в котором магнит был прикреплен к двигателю, заставляя его быстро вращаться. Когда эту установку поднесли близко ко второму магниту, второй магнит начал вращаться и внезапно завис в фиксированном положении на расстоянии нескольких сантиметров.

Хотя в магнитной левитации нет ничего нового (возможно, самым известным примером являются поезда на магнитной подвеске, которые используют сильную магнитную силу для подъема и движения), эксперимент озадачил физиков, поскольку это явление не было описано в классической физике или, по крайней мере, ни в одной классической физике. . Известен механизм магнитной левитации.

Магнитная левитация демонстрируется с помощью инструмента Dremel, вращающего магнит с частотой 266 Гц. Размер вращающегося магнита составляет 7 х 7 х 7 мм3, а плавающего магнита — 6 х 6 х 6 мм3. Это видео демонстрирует физику, описанную в статье. Кредит: ДТУ.

Однако это сейчас. Расмус Бьорк, профессор DTU Energy, был очарован экспериментом Оккара и решил повторить его со студентом магистратуры Йоахимом М. Хермансеном, выяснив при этом, что именно происходит. Репликация была простой и могла быть выполнена с использованием готовых компонентов, но ее физика была странной, говорит Расмус Бьорк:

«Магниты не должны зависать, когда они находятся близко друг к другу. Обычно они притягивают или отталкивают друг друга. Но если вы закрутите один из магнитов, окажется, что вы можете достичь такой левитации. И это самое странное. Сила, действующая на магниты не должно меняться только потому, что «вы вращаете один из них, и кажется, что существует связь между движением и магнитной силой».

Результаты были недавно опубликованы в журнале Обзор прикладной физики.

Несколько экспериментов для подтверждения физики

В экспериментах участвовало несколько магнитов разного размера, но принцип остался прежним: очень быстро вращая магнит, исследователи наблюдали, как другой магнит, находящийся поблизости, называемый «плавающим магнитом», начал вращаться с той же скоростью, быстро прилипая к положение, где оно осталось.

Они обнаружили, что когда плавающий магнит удерживается на месте, он ориентирован близко к оси вращения и к полюсу, как и вращающийся магнит. Так, например, северный полюс плавающего магнита при вращении продолжает указывать на северный полюс фиксированного магнита.

Это отличается от того, чего можно было бы ожидать, исходя из законов статического магнетизма, которые объясняют, как работает статическая магнитная система. Однако, как оказалось, именно статические магнитные взаимодействия между вращающимися магнитами ответственны за создание равновесного положения поплавков, как обнаружил соавтор и докторант Фредерик Л. Дорхус с помощью моделирования этого явления. Они заметили значительное влияние размера магнита на динамику зависания: магниты меньшего размера требуют более высоких скоростей вращения для подъема из-за их большей инерции и более высокой высоты.

«Оказывается, плавающий магнит хочет выровняться с вращающимся магнитом, но он не может вращаться достаточно быстро для этого. Пока сохраняется эта связь, он будет зависать или левитировать», — говорит Расмус Бьорк.

«Вы можете сравнить его с волчком. Он встанет только в том случае, если он вращается, но фиксируется в положении благодаря своему вращению. Только когда вращение теряет энергию, действует сила гравитации – или, в нашем случае, толчок и притяжение волчка. магнит – стать достаточно большим, чтобы преодолеть равновесие».

Ссылка: «Переменная магнитная левитация» Иоахима Марко Хермансена, Фредерика Лауста-Дорхуса, Катрин Франдсен, Марко Пилигии, Кристиана Р.Х. Баля и Расмуса Бьорка, 13 октября 2023 г., Физический осмотр был применен.
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.044036.