示范磁浮現(xiàn)象的簡(jiǎn)易裝置

1、 示範(fàn)磁浮現(xiàn)象的簡(jiǎn)易裝置 1842年, Earnshaw 針對(duì)平方反比的力場(chǎng), 証明其對(duì)應(yīng)的位能沒(méi)有局部的最大值或最小值 。因此一個(gè)受靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)或重力場(chǎng)作用的粒子,在沒(méi)有物質(zhì)分佈只有力場(chǎng)的區(qū)域是不可能處?kù)斗€(wěn)定而且平衡的狀態(tài)的。 所以要在地球上讓一物體抵抗重力浮起來(lái), 是無(wú)法用靜電場(chǎng)或靜磁場(chǎng)做到的。 影響所及, 使得 J.J. Thomson 在1904年提出一個(gè)靜態(tài)穩(wěn)定的原子模型, 其電荷的分佈必須如葡萄乾布丁一樣, 以免違背Earnshaw 的理論 。 具有排磁性的反磁性物質(zhì)是Faraday在Earnshaw提出理論之後幾年發(fā)現(xiàn)的, 1872年時(shí)Lord Kelvin 指出反磁性物質(zhì)不需

2、要遵守Earnshaw的理論, 因此反磁性物質(zhì)可以在靜磁場(chǎng)裡浮起來(lái)。 然而由基本的解釋得知所有的物質(zhì)都有反磁性, 只是其磁性很小, 因此一直到1939年, Braunbek才成功的利用了足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)將小塊的石墨及鉍磁浮了起來(lái), 而B(niǎo)erry與Geim在1997年使用超強(qiáng)的磁場(chǎng), 將一隻活的青蛙磁浮了起來(lái), 現(xiàn)在他們正在蓋更強(qiáng)更大的磁場(chǎng), 可以磁浮更大件的物體。 要抵抗重力浮起來(lái), 還有好幾種只利用電磁作用力的可能性, 包括: 1. 量子效應(yīng) : Earnshaw 的理論只適用在古典力學(xué)的範(fàn)疇, 如果是微觀的系統(tǒng)就需要考慮量子效應(yīng), 例如我們能站在地面維持穩(wěn)定平衡, 就是靠人體與地面原子間微觀的

3、量子效應(yīng)做到的。 2. 回饋 : 利用一些控制系統(tǒng)調(diào)整磁場(chǎng)的變化, 也可以做到磁浮, 例如磁浮火車。3. 渦電流: 一磁鐵掃過(guò)水平的金屬表面, 其中的導(dǎo)電電子表現(xiàn)出反磁性物質(zhì)的排磁性, 使此磁鐵受到向上的力量, 也能達(dá)到磁浮的目的。4. 超導(dǎo) : 超導(dǎo)體是目前已知最佳的反物質(zhì), 具有完全的排磁性, 1947年由 Arkadiev 首先做到磁浮。5. 磁性陀螺(又稱Levitron) : 利用陀螺的特性, 可以造成磁性陀螺在磁場(chǎng)裡反磁性一樣的性質(zhì), 因此可以做到磁浮的地步, 此效應(yīng)的發(fā)明人是R.M. Harrigan(1983)。 利用反磁性物質(zhì)來(lái)穩(wěn)定一個(gè)在磁場(chǎng)裡平衡的磁鐵, 也能做到磁浮, 這

4、在1956及1981 已經(jīng)發(fā)表過(guò)了, 而且2000年時(shí), Simon及 Geim還利用超導(dǎo)磁鐵的超強(qiáng)磁場(chǎng), 可以在兩隻手指間(反磁性為石墨的1/20)磁浮一個(gè)小磁鐵。在此我們就是要描述這樣的一類實(shí)驗(yàn): 利用一個(gè)直徑25mm的強(qiáng)磁鐵離大約5cm的高度吸引一個(gè)直徑5mm磁性大約一樣強(qiáng)的小磁鐵, 微調(diào)大磁鐵的高度, 盡量只抵消掉小磁鐵的重量, 然後用上下兩塊石墨的反磁性來(lái)穩(wěn)定中間的小磁鐵, 微調(diào)下面的石墨以達(dá)到最佳的效果, 目前所示的上下空隙約在23mm左右, 但能保持磁浮的狀態(tài)很久, 所需的石墨, 也只是一般的電動(dòng)馬達(dá)用的電刷。在地面上, 一可磁化的物質(zhì)在外磁場(chǎng)B裡的能量是 U = - B2V/2

5、o + mgz , (1)要穩(wěn)定平衡必須U有最小值才行, 這只有當(dāng)為負(fù)時(shí)才可能.而一永久磁鐵M在有外磁場(chǎng)B與外加反磁性物質(zhì)的情形下, 其能量是 U = - MB + mgz + Udiag , (2)其中Udiag 是M與外加的反磁性物質(zhì)之間的作用能量. 此處的簡(jiǎn)易磁浮即可由(2)式來(lái)解釋 , 而只有在兩片石墨的間隙小於某值時(shí)U才可能有最小值 . 如果使用更強(qiáng)的大磁鐵, 可以得到比較大的間隙物質(zhì)的磁化率(x10-6): 正值為順磁性, 負(fù)值為反磁性水 -8.8 石墨 160 鉍 -170 水銀 -32 金 36 銀 -26 鉛 -17 鋼 -9.8 手指 -10空氣 0.36 鋁 25 鈀 8

6、20 物質(zhì)的磁導(dǎo)率(等於 1 +磁化率):鐵 60002x105 鈷 250 鎳 600 超合金 106 參考資料:S. Earnshaw, Trans. Cambridge Philos. Soc. 7,97(1842).J.J. Thomson, Phil. Mag. , 7,237(1904).W. Thomson, Reprint of papers on Electrostatics and Magnetism(MacMillan, London, 1872), Vol. XXXIII, pp. 493-499, and Vol. XXXIV, pp. 514-515.W. Brau

7、nbek, Z. Phys. 112, 753(1939); Z. Phys. 112,764(1939).M.V. Berry and A.K. Geim, Eur. J. Phys. 18,307(1997).V. Arkadiev, Nature(London)160,330(1947).R.M. Harrigan, U.S. Patent No. 4382245, 1983.A.H. Boerdijk, Philips Res. Rep. 11,45(1956); Philips. Tech. Rev. 18,125(1956/57).M.D. Simon and A.K.Geim,J.A