Задание, страница 172 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Задание

Используя сеть Интернет, поясните значение словосочетания «магнитная левитация».

Магнитная левитация — это технология, позволяющая удерживать объект в пространстве без какой-либо механической опоры, используя только магнитное поле. В основе этого явления лежит взаимодействие магнитных полей, создаваемых, например, постоянными магнитами или электромагнитами. Сила магнитного отталкивания или притяжения компенсирует силу тяжести, действующую на объект, заставляя его «парить» в воздухе.

Принцип действия основан на фундаментальных свойствах магнитов: одноимённые полюса (север-север, юг-юг) отталкиваются, а разноимённые (север-юг) — притягиваются. Для достижения левитации необходимо создать такую конфигурацию магнитного поля, чтобы создаваемая им сила была направлена вертикально вверх и по модулю равнялась силе тяжести объекта: $F_{магн} = F_{тяж} = mg$, где $m$ — масса объекта, а $g$ — ускорение свободного падения.

Однако достижение простого равновесия сил недостаточно. Важнейшим аспектом является обеспечение устойчивости. Согласно теореме Ирншоу, невозможно добиться устойчивой статической левитации тела, используя только постоянные магниты (ферромагнетики). Любое малое смещение объекта из положения равновесия приведёт к возникновению силы, которая будет еще больше смещать его, а не возвращать обратно. Поэтому для стабильной левитации применяют один из следующих методов:

1. Системы с активной стабилизацией: используются электромагниты, сила тока в которых постоянно регулируется системой обратной связи. Датчики отслеживают положение левитирующего объекта, и компьютер мгновенно изменяет силу магнитов, чтобы скорректировать любое отклонение от заданной позиции. Этот принцип используется в поездах на магнитной подушке (маглев).

2. Диамагнитная левитация: все вещества в той или иной степени проявляют диамагнетизм — свойство намагничиваться против направления внешнего магнитного поля. Диамагнетики отталкиваются от любого полюса магнита. Хотя эта сила очень слаба для большинства материалов, её достаточно для левитации лёгких объектов из сильных диамагнетиков (например, графита или висмута) в очень сильных магнитных полях. Вода также является диамагнетиком, что позволяет левитировать, например, каплю воды или даже живых существ (лягушку, мышь) в полях сверхмощных магнитов.

3. Левитация с использованием сверхпроводников: сверхпроводники в сверхпроводящем состоянии (при очень низких температурах) являются идеальными диамагнетиками (эффект Мейснера). Они полностью вытесняют магнитное поле из своего объёма, что создаёт мощную отталкивающую силу. Более того, из-за эффекта "пиннинга" (зацепления) вихрей Абрикосова, сверхпроводник может "зависнуть" над магнитом в устойчивом положении, не смещаясь ни в какую сторону.

Наиболее известным применением магнитной левитации являются высокоскоростные поезда-маглевы (например, в Шанхае, Японии, Южной Корее). Отсутствие трения о рельсы позволяет им развивать скорости свыше 500 км/ч при меньшем уровне шума и износа. Также магнитная левитация применяется в магнитных подшипниках для высокоскоростных турбин и насосов, в научных экспериментах для бесконтактного удержания образцов и в некоторых потребительских товарах (левитирующие глобусы, колонки, лампы).

Ответ: Магнитная левитация — это метод подъёма и удержания объекта в воздухе с помощью магнитного поля, в котором сила магнитного отталкивания или притяжения уравновешивает силу тяжести. Для обеспечения устойчивости левитации используются системы с электронным управлением (электромагниты), свойства диамагнетиков или сверхпроводников.