Как известно, планету Пандора захватили ради левитации. Ее обеспечивал некий фантастический элемент – онаптаниум. Как и за счет чего он это делал, осталось за кадром. Возможно, сценаристам не хватило инженерных познаний. А вот в МИФИ хорошо знакомы с «парением» реальных объектов, при этом мы понимаем, какие условия и физические свойства материалов могут его обеспечить.
Магнитная левитация на сверхпроводниках – один из возможных вариантов.
Работа мифического макета магнитолевитационного транспорта построена на взаимодействии сверхпроводящих лент с внешним магнитным полем. Сверхпроводники при охлаждении ниже температуры, называемой критической, приобретают 2 уникальных свойства:
- электрическое сопротивление в них равно нулю,
- магнитное поле «вытесняется» из сверхпроводника, это так называемый эффект Мейснера.
Конкретно в нашем макете используется сверхпроводящий композит YBaCuO (оксид иттрия-бария-меди), который относится к сверхпроводникам II-го рода. Это значит, что 2ое свойство проявляется в нем лишь частично, и магнитное поле одновременно выталкивается из объема сверхпроводника и проникает внутрь него, закрепляясь в виде вихрей сверхпроводящего тока – так называемых вихрей Абрикосова.
Интересно, что сверхпроводники, которые мы используем, называют высокотемпературными. Но высокой эта температура может считаться лишь относительно абсолютного нуля – 0 градусов по шкале Кельвина. С точки зрения бытовой реальности критическая температура используемого сверхпроводника крайне низка, она равна 92 К или минус 181 градусов по Цельсию.
Перевести ленты в сверхпроводящее состояние можно с помощью охлаждения жидким азотом (Т=77 К).
Существует два режима охлаждения сверхпроводника:
- Первый вариант – zero field cooling - охлаждение в отсутствии внешнего магнитного поля. В случае сверхпроводника IIго рода магнитное поле будет полностью выталкиваться из объёма сверхпроводящего материала. Но при увеличении внешнего магнитного поля оно начнёт проникать внутрь - мы как будто «заталкиваем» его с границы внешним воздействием.
- Второй вариант – field cooling – охлаждение сверхпроводника во внешнем магнитном поле. В этом случае силовые линии магнитного поля находятся в объёме сверхпроводника изначально, ещё до процесса охлаждения. При переходе в сверхпроводящее состояние, часть линий будет вытеснена из объёма сверхпроводника, а часть останется и жёстко закрепится внутри.
Мы используем второй вариант – охлаждение после внесения макета транспорта в поле магнитных рельс, - чтобы добиться максимального закрепления магнитного поля внутри сверхпроводника.
Таким образом, для устойчивого зависания сверхпроводника над магнитами определяющими являются следующие механизмы:
- Эффект Мейснера приводит к диамагнетизму – намагничиваю сверхпроводника навстречу приложенному магнитному полю, вследствие которого «транспорт» отталкивается от источника магнитного поля – платформы.
- Вихри Абрикосова приводят к притяжению сверхпроводника к источнику магнитного поля.
- Закрепление вихрей Абрикосова, когда центры вихрей совмещаются с дефектами структуры сверхпроводника, в результате чего вокруг них начинает циркулировать замкнутый ток, дополнительно препятствует «срыву» сверхпроводника с магнитного поля и таким образом обеспечивает его устойчивое положение над поверхностью источника поля.
Получается, что система, состоящая из магнитов, взаимодействующих со сверхпроводником II-го рода, существенно отличается по своим свойствам от других типов магнитных систем.
Важной особенностью является то, что магнит и сверхпроводник образуют механически стабильную систему, устойчивую к внешним воздействиям. При попытке «оторвать» сверхпроводник от магнитной платформы, возникают силы, возвращающие его обратно. В то же время перемещение сверхпроводника вдоль платформы будет происходить без сопротивления (не считая трения воздуха, конечно), так как магнитное поле вдоль «рельс» однородно.
Таким образом, используя совокупность описанных явлений, можно создать магнито-левитационную систему с практически полным отсутствием трения, которая стремится находиться в устойчивом состоянии и будет сопротивляться выводу из равновесия, на практике - схождению левитирующего состава с рельс.
