🧲 Магия, которую объясняет физика: Диамагнитная левитация ⚡️

Есть материалы, которые настолько «не любят» магнитные поля, что отталкиваются от них. Их называют диамагнетиками. В отличие от ферромагнетиков (железо, магнит), которые притягиваются, диамагнетики всегда выталкиваются из магнитного поля.
Когда диамагнетик помещают в сильное магнитное поле, в его атомах наводятся микроскопические токи, которые создают собственное магнитное поле, направленное строго против внешнего. Получается мини-война полей, и предмет парит!

🐸 Самый знаменитый пример — левитирующая лягушка (да, ученые действительно заставили лягушку парить в мощном пол соленоида!). Но для этого нужны огромные поля (соленоид с большим током при очень низких температурах и с индукцией около 10 Тл.)

Более доступный и красивый эксперимент, который вы могли видеть: магнит, левитирующий над сверхпроводником. Сверхпроводник в состоянии сверхпроводимости — идеальный диамагнетик, он выталкивает магнитное поле с огромной силой (эффект Мейснера).

А самый простой домашний эксперимент: графитовый стержень от карандаша, парящий над мощными неодимовыми магнитами, выстроенными в ряд. Графит — отличный диамагнетик! Сила отталкивания очень слаба. Чтобы поднять что-то тяжелое, нужны невероятно мощные магниты. Но для небольших объектов магия становится реальностью. Принцип: Под воздействием внешнего магнита в атомах диамагнетика возникают микротоки. Они создают свое поле, которое является полной противоположностью внешнему. Как два одинаковых полюса магнита, которые отталкиваются.

Элемент 83 (Висмут) является самым диамагнитным элементом. Здесь небольшой неодимовый магнит плавает между двумя 10-миллиметровыми кубами из 99% висмута, которые удерживаются в точной конфигурации за счет трения о параллельные стенки акриловой сборки. Диамагнитные вещества имеют собственные магнитные поля только тогда, когда они помещены во внешнее магнитное поле от другого источника — здесь крошечный кубический магнит создает поле. Диамагнитные поля довольно слабые, поэтому мощный цилиндрический неодимовый магнит расположен над кубами и отрегулирован так, чтобы помочь поднять крошечный кубический магнит против силы тяжести.

✨ Охлаждение сверхпроводника жидким азотом способствует его следованию вдоль магнитной ленты (Эффект Мейсснера)

Диамагнетики: Это материалы, такие как пиролитический графит (сильный диамагнетик), медь, висмут, вода и даже человеческое тело.

Противодействие полю: Когда диамагнетик помещают в сильное внешнее магнитное поле (создаваемое неодимовыми магнитами), в материале индуцируются слабые токи. Эти токи создают собственное магнитное поле, которое всегда направлено противоположно внешнему полю.

Левитация: Возникает сила магнитного отталкивания, которая стремится вытолкнуть диамагнетик из области сильного магнитного поля в область более слабого. Если эта сила отталкивания становится больше, чем сила тяжести, действующая на объект, то объект левитирует.

Пиролитический графит — это один из самых сильных диамагнетиков при комнатной температуре, что делает его идеальным материалом для наглядной демонстрации левитации без использования дорогостоящих сверхпроводников или экстремально сильных магнитных полей.

Неодимовые Магниты (N-S-N-S-N): Служат для создания поля захвата (так называемой магнитной ловушки). Чередование полюсов (N-S-N-S-N) создает сильный градиент магнитного поля (резкое изменение напряженности поля). Именно градиент, а не просто сила поля, необходим для устойчивой левитации. Такая конфигурация магнитов удерживает тонкие пластины графита в устойчивом положении: они не могут выскользнуть из "ловушки" и парят, не требуя внешнего контроля или энергии (помимо силы магнитов).
#видеоуроки #physics #физика #опыты #электродинамика #электричество #магнетизм #эксперименты #научные_фильмы

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

🧲 Магнитная передача по своей геометрии и функциям напоминает традиционную механическую передачу, в которой вместо зубьев используются магниты. Когда два противоположных магнита приближаются друг к другу, они отталкиваются; если их разместить на двух кольцах, магниты будут действовать как зубья. В отличие от обычной жёсткой контактной обратной связи в цилиндрической передаче, где шестерня может свободно вращаться до тех пор, пока не вступит в контакт со следующей шестернёй, магнитная передача имеет упругую обратную связь. В результате магнитные передачи способны оказывать давление независимо от относительного угла. Несмотря на то, что они обеспечивают такое же передаточное число, как и традиционная зубчатая передача, такие шестерни работают без соприкосновения и не подвержены износу сопрягаемых поверхностей, не шумят и могут проскальзывать без повреждений.

🧲 Магнитная муфта (или магнитный редуктор) представляет собой устройство для передачи вращательного момента между соосными (и не соосными) валами без механического контакта. Основу работы устройства составляют силы магнитного взаимодействия. Роторы разделены герметичным немагнитным экраном (воздушный зазор или стенка из немагнитного материала), что обеспечивает возможность передачи момента через физическое препятствие.

▪️ Синхронная магнитная муфта: Если на обоих роторах установлены постоянные магниты, их магнитные поля стремятся к состоянию с минимальной энергией, что соответствует взаимной ориентации разноименных полюсов. При вращении ведущего ротора его магнитное поле, воздействуя на поле ведомого ротора, создает вращающий момент, вызывающий синхронное вращение. Момент передачи прямо пропорционален градиенту магнитной энергии в воздушном зазоре.

▪️ Асинхронная магнитная муфта (Индукционная): Если ведомый ротор выполнен из немагнитного материала с высокой электропроводностью (например, меди или алюминия), то вращающееся магнитное поле ведущего ротора индуцирует в нем вихревые токи (токи Фуко). Взаимодействие между магнитным полем ведущего ротора и этими индуцированными токами создает силу Лоренца, приводящую ведомый ротор во вращение. При этом возникает скольжение — ведомый ротор отстает по частоте вращения от ведущего, что является необходимым условием для возникновения вращающего момента.

⚙️ Магнитный редуктор является развитием принципа магнитной муфты. Он содержит, как минимум, три ротора с различным количеством пар полюсов (p). Отношение чисел пар полюсов на роторах определяет передаточное отношение по формуле, аналогичной для механических редукторов. Момент передается за счет гармонического взаимодействия магнитных полей, создаваемых магнитами роторов с разным шагом. Таким образом, работа магнитной муфты и редуктора основана на фундаментальных принципах магнитостатики и электромагнетизма: силовом взаимодействии постоянных магнитов или взаимодействии вращающегося магнитного поля с индуцированными в проводящей среде вихревыми токами. Отсутствие механического контакта обуславливает такие преимущества, как необслуживаемость, высокую надежность и абсолютную герметичность.

Редуктор с магнитной муфтой можно использовать в вакууме без смазки или при работе с герметичными барьерами. Это может быть преимуществом во взрывоопасных или других опасных средах, где утечки представляют реальную угрозу. Однако, стоит помнить, что при условиях, когда температура превышает точку Кюри, магнитные свойства теряются. Точка Кюри (или температура Кюри) — это критическая температура, выше которой ферромагнетик или ферримагнетик теряет свои спонтанные намагниченность и постоянные магнитные свойства, превращаясь в парамагнетик. Для наиболее распространенных марок неодимовых магнитов температура Кюри лежит в диапазоне от 310 °C до 400 °C. Потеря магнитных свойств при нагреве выше точки Кюри является необратимым процессом для стандартных магнитов. #видеоуроки #physics #физика #опыты #электродинамика #электричество #магнетизм #эксперименты #научные_фильмы

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

⚡️ Фигуры Лихтенберга — картины распределения искровых каналов, которые образуются на поверхности твёрдого диэлектрика при скользящем искровом разряде. Простым языком, это линии, похожие на молнии или ветви деревьев. Они появляются на многих естественных поверхностях, не пропускающих электричество — от древесины до кожи человека.

Фигуры Лихтенберга возникают на/в твёрдых телах, жидкостях и газах или внутри них во время электрического пробоя. Это природные явления, обладающие фрактальными свойствами. Фигуры Лихтенберга названы в честь немецкого физика Георга Кристофа Лихтенберга, который первым их открыл и изучил. Когда их впервые обнаружили, считалось, что их характерные формы могут помочь раскрыть природу положительных и отрицательных электрических «жидкостей».

В 1777 году Лихтенберг сконструировал большой электрофор для получения высокого напряжения статического электричества с помощью индукции. После разряда высоковольтной точки на поверхность изолятора он записал полученные радиальные узоры, посыпав поверхность различными порошкообразными материалами. Затем, прижав к этим узорам чистые листы бумаги, Лихтенберг смог перенести и записать эти изображения, тем самым открыв основной принцип современной ксерографии. Это открытие также стало предвестником современной науки физики плазмы. Хотя Лихтенберг изучал только двумерные (2D) фигуры, современные исследователи в области высоких напряжений изучают 2D и 3D фигуры (электрические деревья) на изолирующих материалах и внутри них.

Физика процесса: Почему ветвится?

1. Пробой и стримеры: Под действием высокого напряжения электроны с острия катода начинают «вырываться» и ускоряться. Они сталкиваются с молекулами воздуха и дерева, выбивая новые электроны. Возникает лавина — стример. Это слабосветящийся канал ионизированного газа.
2. Случайность и предопределённость: Куда побежит следующий стример? Это зависит от локальной напряжённости электрического поля. В древесине всегда есть микронеоднородности: разная плотность, влажность, следы смолы. В этих местах поле усиливается, и пробой происходит именно там.
3. Эффект «опережающей струи» (The Streamer Leader Effect): Основной канал не движется вслепую. От его кончика постоянно исходят микро-стримеры-разведчики. Тот из них, кто находит путь с наименьшим сопротивлением, становится главным направлением для всей мощи разряда. Так и рождается фрактальная, древовидная структура.

⚡️ Цвет рассказывает историю. Ярко-белые или голубоватые участки в центре ветвей — это углерод, выгоревший при сверхвысокой температуре. Более светлые, почти жёлтые края — это часто частицы металла от электродов, испарившиеся и перенесённые разрядом. По цвету можно грубо определить температуру в разных зонах разряда.

⚡️ Это не только на дереве. Первооткрыватель, Георг Кристоф Лихтенберг, в XVIII веке получал их на поверхности смолы или стекла, посыпанной порошком (серы или сурика). Электроны «застревали» в диэлектрике, создавая скрытое изображение, которое проявлялось порошком. По сути, это была первая в истории электрофотография — прабабушка ксерокса.

⚡️ L-образные фигуры и природа электричества. Лихтенберг экспериментировал с разными типами электричества: «положительным» (от смоляных палочек) и «отрицательным» (от стеклянных). Он обнаружил, что они дают разные узоры! Отрицательные (от катода) — более ветвистые и кружевные, а положительные (от анода) — более плотные, пятнистые, иногда в форме розетки. Это связано с разной подвижностью электронов и положительных ионов.

⚡️ Фигуры в теле. При ударе молнии или контакте с высоковольтной линией такие же фигуры могут на несколько часов или дней проявиться на коже человека. Это результат подкожного кровоизлияния по пути пробоя. Явление называется «кераунография» (от греч. «кераунос» — молния). Это не ожог, а жутковатый «автограф» электрического разряда, идущего по сосудам. #физика #опыты #эксперименты #наука #science #physics #электродинамика #магнетизм #видеоуроки #схемотехника #радиофизика

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib