Номер 687, страница 105 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Электромагнитное поле. Магнитный поток. Явление электромагнитной индукции. Правило Ленца. Самоиндукция - номер 687, страница 105.

Условие.

► 687. Опыт академика Аркадьева. Над свинцовой чашей, находящейся в сверхпроводящем состоянии, помещают лёгкий магнит (рис. 160). Объясните, почему магнит не падает, а как бы парит над чашей. Прочитайте в литературе о сверхпроводимости.

Рис. 160

Решение.

Решение

Явление, описанное в задаче (опыт Аркадьева), объясняется фундаментальными свойствами сверхпроводников. Когда свинцовая чаша охлаждается до температуры ниже своей критической точки (для свинца это 7.2 Кельвина), она переходит в сверхпроводящее состояние. В этом состоянии материал обладает двумя уникальными свойствами: нулевым электрическим сопротивлением и способностью выталкивать из своего объёма магнитное поле (эффект Мейснера).

Когда к сверхпроводящей чаше подносят магнит, его магнитное поле пытается проникнуть в сверхпроводник. В ответ на это, согласно закону электромагнитной индукции, на поверхности чаши возникают вихревые электрические токи (токи Фуко). Поскольку сопротивление сверхпроводника равно нулю, эти токи являются незатухающими — они циркулируют без потерь энергии, пока существует внешнее магнитное поле.

Эти сильные незатухающие токи создают собственное магнитное поле. Согласно правилу Ленца, это индуцированное магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению, его вызвавшему. То есть, оно направлено противоположно полю постоянного магнита. По сути, сверхпроводник создает "магнитное зеркало", которое отталкивает приближающийся магнит.

В результате взаимодействия внешнего магнитного поля постоянного магнита и индуцированного поля сверхпроводника возникает сила магнитного отталкивания. Эта сила действует на магнит, выталкивая его вверх. Магнит будет парить (левитировать) на такой высоте, где эта сила отталкивания $F_{отт}$ в точности уравновесит действующую на него силу тяжести $F_{тяж} = mg$. Таким образом, устанавливается устойчивое равновесие, и магнит "зависает" в воздухе.

Ответ: Магнит не падает, а парит над сверхпроводящей чашей из-за эффекта Мейснера. При приближении магнита в поверхности сверхпроводника индуцируются незатухающие вихревые токи. Эти токи создают магнитное поле, которое отталкивает магнит с силой, компенсирующей его вес (силу тяжести).