Картинка Youtube-канал «Street Performers»

Мы привыкли к тому, что слово «левитация» относится к области либо какого-то трюка/обмана, либо ко вполне научным явлениям, однако, требующим для этого весьма специфических условий (или оборудования, если речь идёт об электронном «подруливании» магнитными полями).

Тем не менее, что, если я скажу вам, что левитация всё-таки возможна, причём, что любопытно, при комнатной температуре?

Ещё более любопытно то, что для её осуществления не требуется каких-либо затрат энергии (имеется в виду подача постоянного или импульсного питания), а также создания каких-либо экзотических условий (вполне достаточно даже вполне доступных компонентов).

Тут сразу следует сделать оговорку, что речь не идёт о левитации в полноценном смысле слова, так как если бы кто-нибудь её когда-нибудь и изобрёл, это очень сильно поменяло бы мир…

Тем не менее, далее рассматриваются любопытные способы достижения её в некоторых частных случаях, один из которых, на мой взгляд, является особо интересным. Итак, устраиваемся поудобнее и поехали… :-)

Для начала дадим определение: «Левита́ция (от лат. levitas — «лёгкость, легковесность») — преодоление гравитации, при котором субъект или объект пари́т в пространстве (левитирует), не касаясь поверхности твёрдой или жидкой опоры.» — добавил, по настоянию в комментах :-)

Многим хорошо знаком известный опыт, где нечто, будучи охлаждённое жидким азотом, приобретает свойства сверхпроводника и летает над поверхностью магнитов или зависает над ними.

Это хорошо известный эксперимент, где используется, например, сплав YBCO (оксид иттрия-бария-меди), представляющий собой высокотемпературный сверхпроводник второго типа (до 1950-х годов были известны только первого типа, для которых потребовалось бы ещё более низкая температура (более -200°C), чем в демонстрируемом опыте), приобретающий свои свойства при температуре кипения азота:

Здесь мы видим воочию проявление эффекта Мейснера, где наблюдается выталкивание магнитного поля из физического объёма сверхпроводника, благодаря чему начинают наблюдаться интересные явления, одним из которых является так называемый «квантовый замок», суть которого (насколько мне удалось разобраться и если сказать простыми словами) заключается в том, что вытесненное из сверхпроводника поле не совсем вытеснено, а всё-таки проникает в его толщу на очень небольшую глубину ( мкм для металлов), где проходит в виде тонких нитей-вихрей, называемых «вихри Абрикосова», которые ещё называют квантами магнитных потоков; эти вихри, в свою очередь, «цепляются» за наноразмерные неоднородности в материале, которые могут быть представлены в виде включения других фаз (где под ними подразумеваются какие-либо оксиды, иные примеси), границы зёрен, другие искусственно созданные дефекты.

Таким образом, получается, что левитирующий сверхпроводник со всех сторон «проткнут» очень близко к поверхности тонкими, волосоподобными, невидимыми вихрями и подвешен в них: благодаря тому, что вихри зацепились за неоднородности, они не могут перемещаться, и сверхпроводящий предмет висит неподвижно в некотором стабильном положении.

Любопытным следствием этого является то, что положение сверхпроводника можно менять, например, изменить его угол, и он всё равно будет продолжать висеть под этим углом, застыв — это и называется квантовым замком (насколько я понимаю), а эффект такого зацепления вихрей называется пиннингом.

Однако левитация может быть обеспечена не только с помощью сверхпроводника (этот вариант мы уже рассматривали), но и с помощью довольно известного приёма: установки кольцевого магнита или ряда дискретных магнитов, в центре которых размещаются электромагнитные катушки.

Над всей этой конструкцией подвешивается платформа с прикреплённым к ней магнитом, развёрнутым тем же полюсом к находящемуся внизу кольцевому магниту. Естественно, платформа стремится перевернуться и слепиться с этим магнитом.

Однако всему этому противостоит электронное подруливание: в центре конструкции установлены аналоговые датчики Холла, которые «видят» малейшие попытки висящего магнита изменить своё положение и многократно — много раз в секунду — включают и выключают соответствующие электромагнитные катушки, притягивающие начавший подниматься вверх край левитирующего магнита.

Так как это происходит с очень большой частотой, левитирующий магнит повисает в некой уравновешенной позиции, и со стороны это выглядит так, как будто он летает сам по себе.

Частенько на базе всей этой конструкции строят так называемые «левитирующие цветочные горшки», которые выглядят довольно-таки симпатично:

В разобранном состоянии это выглядит примерно так:

Если кому интересно ещё больше узнать об этом способе левитации, рекомендую гуглить, по ключевым словам, «diy repulsive magnetic levitation» — там будет много довольно подробных схем с описанием, как это собрать самостоятельно.

Маленький спойлер: всякие ардуины/esp32 + горстка аналоговых датчиков Холла KY-035 + кольцевой ферритовый магнит + самостоятельно намотанные катушки смогут такое без проблем — заодно и увлекательный опыт по программированию и настройке этой системы получится.

Тем не менее, и это не последний способ, каким образом можно обеспечить левитацию — есть ещё один любопытный вариант и основан он на токах Фуко.

Суть здесь заключается в следующем: как мы знаем из физики, любой проводник, по которому течёт электрический ток, приобретает собственное магнитное поле.

Выше мы упомянули так называемые токи Фуко, которые представляют собой О-образные замкнутые токи в слое токопроводящего материала и, по сути, являются коротким замыканием в толще материала. Насколько мне известно, глубина их проникновения зависит от частоты: чем она выше, тем ближе к поверхности располагаются эти токи — этот эффект называется «скин-эффектом».

Естественно, что эти токи вызывают нагрев материала, однако в нашем применении интересно не это, а то, что у этих токов появляется собственное магнитное поле, которое может быть полезным образом использовано — и применений ему в технике находится довольно много (например, для бесконтактного демпфирования, торможения).

В нашем же случае ещё одним его применением может быть левитация. Из наиболее эффектных примеров, которые я знаю: пол скейт-парка выстилается листами меди, поверх которых устанавливается скейт. На его нижней части расположены четыре электродвигателя, быстро вращающие четыре мощных магнита, — в результате наводятся вихревые токи в медных листах, появляется отталкивающее магнитное поле, и скейт повисает над полом, обладая при этом внушительной грузоподъёмностью. Надо признать, что, похоже, летающий скейт из фильма «Назад в будущее» не даёт многим покоя.

Силу возникающих полей легко можно примерно понять, если посмотреть известный эксперимент с бросанием неодимового магнита сквозь медную трубу, где именно эти поля не дают магниту быстро упасть и тормозят его:

Эти поля можно даже увеличить, если закрутить магнит (тот же эффект, что и со скейтом):

Но это всё способы достаточно энергозатратные или экзотические — скажем, получить сверхпроводимость на дому конечно можно, но это будет ограничено временем испарения жидкого азота.

Если же говорить о системах электронного подруливания, наподобие той, которая я была использована выше в летающих цветочных горшках, то здесь мне видится в качестве основной проблемы нагрев электромагнитных катушек из-за того, что они будут работать фактически в режиме 24/7.

Конечно, это всё решаемо — вентиляция, мощный блок питания, намотка толстым проводом. Однако, тем не менее… С другой стороны, смотря для чего и как это будет использоваться — если сама система с электрической стороны и со стороны охлаждения продумана, и использоваться будет не выходя за пределы возможностей, то почему бы и нет…

И тут, на мой взгляд, мы подошли к самому интересному: а можно ли получить тот же самый эффект, который показывался самым первым, демонстрируя левитацию в случае сверхпроводимости, только чтобы такая же левитация происходила при комнатной температуре и без какого-либо подведённого питания?!

Я знаю, что ответ прозвучит странно, но, да, можно, и решением будет ещё один вариант левитации — использование диамагнитных материалов.

Они называются так потому, что при воздействии магнитного поля на них происходит их намагничивание в противоположном направлении, при этом сам процесс проходит на достаточно микроскопическом уровне, где силовые линии магнитного поля воздействуют на атомы самого вещества, где эти атомы и приобретают магнитный момент, направленный в противоположном направлении относительно линий магнитного поля.

Благодаря этому, если сила отталкивания позволяет преодолеть силу тяжести, материал начинает левитировать.

Причиной появления такой намагниченности является возникновение электрических токов, представляющих собой движение электронов вокруг линий магнитного поля; а как мы знаем, любой электрический ток приводит к появлению собственного магнитного поля.

Ещё одним интересным моментом является тот, что диамагнитные свойства характерны многим материалам (и даже воде!), однако в основном проявление их достаточно слабое. Следствием этого является то, что заставить «летать» такие материалы, конечно, можно, но потребуется очень мощное магнитное поле…

Однако примечательно то, что для проявления диамагнитных свойств не требуется охлаждать материал до экстремальных температур, как мы выше видели на примере сверхпроводников — эти материалы проявляют свои свойства даже при комнатной температуре.

Одним из таких интересных материалов, достаточно ярко проявляющим свои диамагнитные свойства, является пиролитический графит, получивший своё название от технологий производства, связанных с высокотемпературным преобразованием.

Результатом таких преобразований является получение особой формы углерода, называемой графитом, которая отличается высокой анизотропией, то есть однородностью, где атомы углерода расположены в виде слоёв, что обуславливает его высокую магнитную восприимчивость — благодаря строгой ориентации атомов в слоях, воздействие внешних полей на них приводит к возникновению магнитного момента, чётко ориентированного в противоположном полю направлении.

Кроме того, что важно для нас, эта магнитная восприимчивость достаточно велика, чтобы вызвать левитацию от условно слабых полей. Для этого достаточно будет неодимовых магнитов, а чтобы заставить левитировать, скажем, воду, — потребуются поля ещё мощнее.

При этом здесь есть один нюанс — эта магнитная восприимчивость зависит от ориентации кристаллической решётки, другими словами, как физически расположен кусок графита относительно магнитного поля — вдоль слоёв он обладает очень высокой магнитной восприимчивостью, что обусловлено возможностью электронов свободно перемещаться в слоях (и, как мы помним, такое их движение довольно эффективно создаёт магнитные поля), в то время как в перпендикулярном направлении эта восприимчивость многократно слабее, обусловленная затруднениями в перемещении электронов.

Таким образом, если слои расположены параллельно воздействующему полю, возникающая сила противодействия будет максимальной и левитирующий графит будет обладать максимально возможной грузоподъёмностью (по крайней мере, в рамках своих физических возможностей).

Также левитации способствует низкая плотность графита. Проще говоря, мы имеем хороший магнитный материал малого веса, поэтому он и хорошо летает.

Однако для реализации каких-либо реальных практических применений, как мы понимаем, «простого летания» — недостаточно и необходимо ещё каким-то образом и «направлять куда надо» этот летающий объект.

Одним из эффективных способов такого контроля называют создание радиального градиента магнитного поля, — другими словами, сила магнитного поля должна изменяться от центра к краю, что оказывает стабилизирующее действие и удерживает пиролитический графит в центре этого поля.
Для создания такого поля возможны два подхода:

• создать сильное поле по краям, а слабое поле в центре — для этого можно использовать кольцевые неодимовые магниты;
• создать сильное поле в центре, а слабое по краям — для этого можно применить неодимовые магниты в виде диска.

К слову, ниже будет ряд видео, где как раз можно видеть этот способ удержания, но там он возникает скорее стихийно, так как градиент магнитного поля возникает «сам собой», потому что в качестве «подложки» используется магнитная подложка, собранная из множества магнитов, и хорошо видно, как левитирующие пластинки из пиролитического графита движутся дискретно, удерживаясь в определённых местах градиента магнитного поля.

Ну и, в качестве примера, вот как это выглядит, если высыпать пластинки пиролитического графита на блок неодимовых магнитов:

Можно провернуть трюк и наоборот: взять достаточно большой брикет (чтобы создать условно большую подъёмную силу) пиролитического графита и подвесить над ним неодимовый магнит:

Всё вполне себе летает, сколь угодно долго, при комнатной температуре и не требует никакого питания!

Однако, можно сделать и немного повеселее, например, дорожку из магнитов, а к пластине пиролитического графита прикрепить фигурку велосипедиста. Уже веселее:

Или, скажем, лабиринт из неодимовых магнитов и летающей шайбы:

Ну вот, мы вроде бы и узнали об интересном способе левитации с помощью пиролитического графита. Однако, что, если я скажу вам, что существует ещё более интересный способ, который является частным случаем способа с графитом? :-)

Приходило ли вам в голову, что обычный графитовый стержень из обычного карандаша тоже может летать?

Тут сразу следует сделать оговорку, что, судя по эксперименту ниже, лучше всего летают стержни, продающиеся отдельно для заправки специальных «механических» карандашей. Такой способ явно будет намного дешевле для ознакомления с описанным эффектом, чем покупка пиролитического графита.

Этот способ хорош тем, что каждый может его самостоятельно проверить при наличии под рукой неодимовых магнитов:

Попробуем подумать, а почему летает этот графитовый стержень?

Структура такого стержня явно отличается от пиролитического графита в худшую сторону, то есть характеризуется меньшей однородностью, так как, насколько мне известно, в таких стержнях часто используют в качестве одного из компонентов наполнителя обычную глину (по крайней мере, в тех в стержнях, которые находятся внутри деревянного карандаша; что же касается стержней, продающихся отдельно, тут у меня информация отсутствует, но, предположим, что ситуация там та же), тем не менее, он обладает теми же диамагнитными свойствами, а благодаря своей круглой форме легко может развернуться параллельно магнитному полю неодимовых магнитов.

Также о нём следует сказать, что его собственный вес весьма мал, а поле неодимовых магнитов относительно весьма велико.

Таким образом, несмотря на предположительно имеющиеся примеси, влияющие негативно, и не совсем оптимальную форму, он всё равно будет летать, так как соотношение силы магнитного поля к весу самого стержня сохраняется относительно постоянным, примерно таким же, как и в случае с пиролитическим графитом.

Хорошо, с этим разобрались… Однако остаётся ещё один весьма любопытный вопрос: выше мы видели вариант летающего скейта на токах Фуко. После того как мы изучили информацию про диамагнитные материалы, естественным образом возникает вопрос: а нельзя ли провернуть всё то же самое, только с пиролитическим графитом? Например, сделать скейт из графита в натуральную величину с грузоподъёмностью настоящего скейта? Поистине потрясающая вещь была бы (в теории)! :-)

Попробуем рассчитать…

Для этого будем использовать следующие формулы:

Сила для диамагнитного отталкивания:

Где:

— магнитная восприимчивость;
— объём;
— магнитная индукция, Тл (для неодимовых магнитов находится примерно в пределе 1-1,5);
— магнитная постоянная.

Величина грузоподъёмности, то есть величина массы, которая может удерживаться в «полёте»:

Где:

— ускорение свободного падения.

Допустим, что вес ездока 90 кг.

Тогда:

= 90 кг;
= 9,81 ;
= -1,6 x (для пиролитического графита);

= x Гн/м.

Перепишем формулу выше (для ), чтобы выяснить, какой объём графита потребуется, для создания такой силы отталкивания:

В результате вычислений получим, что:

На минус не обращаем внимание (он показывает направление силы), и берём для последующего анализа абсолютное значение в 6,17.

Это количество графита будет примерно равно кубу со стороной, в 1,84 м.

Попробуем ещё узнать, а какой был бы у этого куба вес?

Для вычисления объёма куба потребуется формула:

Где:

= длина стороны куба.

Тогда:

Для вычисления массы будем использовать следующую формулу:

Где:

(плотность пиролитического графита).

Таким образом:

То есть, другими словами, примерно 13,9 тонны.

Подытожим: если бы нам вдруг пришла мысль об изготовлении скейта из пиролитического графита для удержания ездока весом 90 кг, то это был бы исполинских размеров скейт, на который ушёл бы куб графита со стороной 1,84 м и общим весом примерно 13,9 тонны. «Неее, не пойдёт»©.

И это ещё без учёта того, что нужна была бы масса магнитов (или мощная электромагнитная система под полом скейт-парка)! Однако это не отменяет применимость этого эффекта для различных мелких самоделок ;-)

Подытоживая, можно сказать, что хотя многие из рассмотренных вариантов вполне могут быть применены для ряда самоделок, лично мне видится последний вариант с пиролитическим графитом весьма интересным, так как он не потребляет энергии. А если даже управлять этими висящими объектами, перемещая магнит снизу, то затраты энергии будут явно существенно меньше, чем, скажем, при использовании способа с электронным «подруливанием» (как в варианте с левитирующими цветочными горшками, рассмотренными выше). Тут площадка и висит, и удерживается «сама по себе», остаётся только двигать магнит внизу, что по энергозатратам уже совсем немного. В любом случае, используя рассмотренное, каждый может попробовать подключить фантазию и сделать нечто своё, а привлекательность самого эффекта сделает и конечное изделие весьма впечатляющим. Скажем, летающие шахматы почти без энергозатрат? Почему бы и нет…

Например, можно даже попробовать самому себе задать вызов и решить его: шахматная доска из квадратных магнитов, а перемещение фигур происходит за счёт генерации полей на самой летающей фигуре! Скажем, прямо поверх магнитов уложена индукционная спираль для зарядки, а на каждой фигуре такая же (как у беспроводной зарядки смартфонов), и фигуры могут «летать», перемещаясь с места на место, управляя генерацией поля в своём донышке. А беспроводная «зарядка» нужна для питания этой системы на каждой фигуре.

А уж если сюда прикрутить голосовую распознавалку и отдавать задания голосом — совсем интересно может получиться! ;-)

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?