Номер 3, страница 309 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

3. Левитация. Опыт Аркадьева.

3. Левитация. Опыт Аркадьева.

Левитация — это процесс, при котором физический объект удерживается в пространстве без механической опоры, преодолевая силу гравитации. Это достигается за счет силы, компенсирующей силу тяжести. Существуют различные виды левитации, основанные на разных физических принципах, например, аэродинамическая, акустическая, но в данном контексте рассматривается магнитная левитация.

Магнитная левитация использует силы магнитного поля для преодоления гравитации. Согласно теореме Ирншоу, невозможно создать абсолютно устойчивую систему левитации, используя только статические магнитные поля (например, поля постоянных магнитов). Однако устойчивая левитация возможна в двух основных случаях:
1. Динамическая стабилизация: использование электромагнитов с активной системой обратной связи, которая постоянно корректирует силу тока и, соответственно, магнитное поле для удержания объекта в стабильном положении.
2. Пассивная стабилизация: использование материалов с особыми свойствами, таких как диамагнетики и сверхпроводники. Именно пассивная стабилизация с помощью сверхпроводника была продемонстрирована в опыте Аркадьева.

Опыт Аркадьева — это знаменитый физический эксперимент, проведенный советским физиком Владимиром Константиновичем Аркадьевым в 1945 году. Этот опыт наглядно демонстрирует явление устойчивой магнитной левитации с использованием сверхпроводника.

Суть эксперимента и физическое объяснение:
В основе опыта лежит фундаментальное свойство сверхпроводников — эффект Мейснера. Он заключается в том, что при охлаждении материала ниже его критической температуры ($T_c$) и переходе в сверхпроводящее состояние он полностью вытесняет магнитное поле из своего объема. Сверхпроводник в таком состоянии ведет себя как идеальный диамагнетик с магнитной восприимчивостью $\chi = -1$.

Для проведения опыта Аркадьев использовал свинцовую чашу и небольшой постоянный магнит.
1. Свинцовая чаша охлаждалась жидким гелием до температуры ниже $7.2$ К ($-265.95$ °C), что является критической температурой для свинца. При этом свинец переходил в сверхпроводящее состояние.
2. Когда над этой сверхпроводящей чашей помещали небольшой постоянный магнит, он зависал в воздухе на некотором расстоянии от поверхности.

Это происходит потому, что магнитное поле постоянного магнита индуцирует на поверхности сверхпроводника незатухающие поверхностные электрические токи (вихревые токи). Эти токи, в свою очередь, создают магнитное поле, которое в точности компенсирует внешнее поле магнита внутри сверхпроводника (согласно эффекту Мейснера). Взаимодействие этих двух полей — поля магнита и поля, созданного индуцированными токами в сверхпроводнике — приводит к возникновению мощной силы отталкивания. Когда эта сила отталкивания уравновешивает силу тяжести, действующую на магнит, он начинает левитировать.

Система является самостабилизирующейся: если магнит попытаться приблизить к сверхпроводнику, сила отталкивания резко возрастает, выталкивая его обратно. Если же его поднять, сила отталкивания уменьшается, и гравитация возвращает его в положение равновесия. Это обеспечивает устойчивое парение магнита в воздухе.

Опыт Аркадьева стал одной из первых и самых эффектных демонстраций макроскопических квантовых явлений и послужил стимулом для исследований в области прикладного использования сверхпроводимости, включая создание поездов на магнитной подушке (маглев), высокоэффективных подшипников без трения и других технологий.

Ответ: Левитация — это парение объекта без опоры за счет компенсации силы тяжести. Опыт Аркадьева (1945 г.) демонстрирует магнитную левитацию постоянного магнита над свинцовой чашей, охлажденной до сверхпроводящего состояния. Физическая основа явления — эффект Мейснера, при котором сверхпроводник выталкивает из себя магнитное поле, создавая силу отталкивания, которая уравновешивает вес магнита и обеспечивает его устойчивое парение.