Naukowcy rozwiązują zagadkę lewitacji magnetycznej wykraczającą poza fizykę klasyczną

Naukowcy z Duńskiego Uniwersytetu Technicznego (DTU) potwierdzili podstawy fizyki nowo odkrytego zjawiska lewitacji magnesu.

W 2021 roku naukowiec z Turcji opublikował artykuł szczegółowo opisujący eksperyment, w którym do silnika przymocowano magnes, powodując jego szybki obrót. Kiedy ten układ zbliżono do drugiego magnesu, drugi magnes zaczął się obracać i nagle zawisł w ustalonej pozycji kilka centymetrów dalej.

Chociaż lewitacja magnetyczna nie jest niczym nowym — być może najsłynniejszym przykładem są pociągi magnetyczne, których siła nośna i napęd opiera się na silnej sile magnetycznej — eksperyment wprawił fizyków w zakłopotanie, ponieważ zjawisko to nie zostało opisane w fizyce klasycznej, a przynajmniej w żadnej fizyce klasycznej. . Znany mechanizm lewitacji magnetycznej.

Lewitację magnetyczną demonstruje się za pomocą narzędzia Dremel obracającego magnes z częstotliwością 266 Hz. Rozmiar obracającego się magnesu wynosi 7 x 7 x 7 mm3, a pływającego magnesu 6 x 6 x 6 mm3. Ten film przedstawia fizykę opisaną w artykule. Źródło: DTU.

Jednak tak jest teraz. Rasmus Björk, profesor w DTU Energy, był zafascynowany eksperymentem Okkara i postanowił go powtórzyć wraz ze studentem studiów magisterskich Joachimem M. Hermansenem, dowiadując się jednocześnie, co się dokładnie dzieje. Replikacja była łatwa i można ją było wykonać przy użyciu gotowych komponentów, ale jej fizyka była dziwna, mówi Rasmus Björk:

„Magnesy nie powinny unosić się w powietrzu, gdy są blisko siebie. Zwykle przyciągają się lub odpychają. Ale jeśli obrócisz jeden z magnesów, okazuje się, że możesz osiągnąć tę lewitację. I to jest dziwna część. Siła działająca na magnesy nie powinno się zmieniać tylko dlatego, że „Obracasz jeden z nich, więc wydaje się, że istnieje sprzężenie między ruchem a siłą magnetyczną”.

Wyniki opublikowano niedawno w czasopiśmie Przegląd fizyki stosowanej.

Kilka eksperymentów potwierdzających fizykę

Eksperymenty obejmowały kilka magnesów o różnych rozmiarach, ale zasada pozostała ta sama: obracając magnes bardzo szybko, naukowcy zaobserwowali, jak inny pobliski magnes, zwany „magnesem pływającym”, zaczął obracać się z tą samą prędkością, jednocześnie szybko przylegając do pozycji, w której pozostał.

Odkryli, że gdy magnes pływający jest utrzymywany w odpowiednim położeniu, jest on zorientowany blisko osi obrotu i w kierunku bieguna, podobnie jak magnes obracający się. Na przykład cień północnego bieguna magnesu pływającego podczas jego obrotu wskazuje na biegun północny magnesu nieruchomego.

Różni się to od tego, czego można by się spodziewać na podstawie praw magnetyzmu statycznego, które wyjaśniają, jak działa statyczny układ magnetyczny. Jak się jednak okazuje, to właśnie statyczne oddziaływania magnetyczne pomiędzy wirującymi magnesami odpowiadają za utworzenie położenia równowagi pływaków, co odkrył współautor i doktorant Frederick L. Dorhus wykorzystujący symulację tego zjawiska. Zaobserwowali znaczący wpływ rozmiaru magnesu na dynamikę zawisu: mniejsze magnesy wymagają większych prędkości obrotowych do uniesienia ze względu na większą bezwładność i im wyżej latają.

„Okazuje się, że pływający magnes chce ustawić się w jednej linii z obracającym się magnesem, ale nie może obracać się wystarczająco szybko, aby to zrobić. Dopóki to połączenie będzie utrzymywane, będzie unosić się w powietrzu lub lewitować” – mówi Rasmus Bjork.

„Można to porównać do bączka. Uniesie się tylko wtedy, gdy się kręci, ale jest unieruchomiony w pozycji poprzez obrót. Dopiero gdy obrót traci energię, siła grawitacji – lub w naszym przypadku pchanie i ciągnięcie magnes – stać się wystarczająco dużym, aby pokonać równowagę.”

Odniesienie: „Przemienna lewitacja magnetyczna” Joachima Marko Hermansena, Frederika Laust-Dorhusa, Kathrin Frandsen, Marco Piligii, Christiana R.H. Bahla i Rasmusa Björka, 13 października 2023 r., Zastosowano ocenę fizyczną.
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.044036