Техника - молодёжи 1989-11, страница 8

s г IT та и

i

<

0 Q)

3

1 У

>N

го I

Магнитная яма

Василий КОЗОРЕЗ,

доктор физико-математических наук г. Киев

Возьмем гвоздь. Прикрепим его к пружине. Приподнимем так, чтобы гвоздь повис в воздухе. Упругая сила пружины уравновесила его вес. А может ли повиснуть гвоздь в воздухе, уравновешенный магнитом? Опыт показывает, что нет -— гвоздь либо прилипает к магниту, либо падает на землю. И сколько ни пытайся, не зависает

В чем же принципиальная разница между удержанием гвоздя пружиной и магнитом? Подобный вопрос возникал еще в античные времена, когда с помощью магнитов пытались подвесить в храмах железные статуи или, как теперь говорят, получить магнитную левитацию Критикуя эту затею древних, английский естествоиспытатель Вильям Гильберт в 1600 году писал «Фракасторо (итальянский ученый эпохи Возрождения, пытавшийся обосновать возможность магнитной левитации.— Ред.) говорит, что кусочек железа повисает в воздухе, так что не может двинуться ни вверх, ни вниз в том случае, когда наверху будет помещен магнит, который в состоянии... тянуть железо вверх на столько же, на сколько последнее наклоняет его вниз: железо как бы укрепляется в воздухе. Это нелепо, так как более близкая магнитная сила является всегда более мощной».

В этом выводе и содержится ответ на наш вопрос. Действительно, всякая сила притяжения, увеличивающаяся при уменьшении рас-

Р и с. I. Сплошной сверхпроводник — идеальное магнитное зеркало.

Сищашс

стояния между двумя магнитными телами, в результате неизбежных случайных смещений от положения равновесия приведет либо к падению тела, либо к прилипанию к магниту. Пружина действует иначе: при отклонении предмета от положения равновесия ее упругие силы возвращают предмет обратно.

Говоря более современно, затронутый вопрос — частный случай весьма обширной проблемы устойчивости свободных магнитных объектов, будь то магнитное удержание плазмы или левитация железнодорожного вагона. Проблема имеет отношение не только собственно к физике, но не в меньшей мере и к кибернетике, точнее к ее разделу об устойчивости динамических систем. Как же она решалась?

В 1840 году англичанин Ирншоу, развивая утверждения Гильберта, обосновал принцип неустойчивости неуправляемой магнитной системы. Но ученый тогда не знал о таких материалах, как диамагнетики, которые намагничиваются в направлении, противоположном внешнему полю. Именно с их помощью спустя сто лет немецкий физик Браун бек осуществил магнитную левитацию и предсказал усиление этого эффекта для сверхпроводников. Прогноз основывался на том, что сплошной сверхпроводник проявляет свойства идеального магнитного зеркала — выталкивает из себя силовые линии магнитного поля (эффект Мейсснера — Оксенфельда) Это аналогично тому, что реальный магнит симметрично поверхности сверхпроводника имеет своего двойника — магнит-изображение, который на рис. 1 показан пунктиром.

Подобная левитация по принципу Браунбека впервые на практике была осуществлена в 1945 году П. Капицей по схеме, предложенной В. Аркадьевым. С тех пор этот опыт, получивший название «гроб Магомета» (по преданию он свободно завис над землей) — часто используют как демонстрацию идеального диамагнетизма. Особенную популярность опыт приобрел в последнее время в связи с открытием высокотемпературных сверхпроводников — керамический образец, охлажденный в жидком азо

Р и С. 2. Три положения идеальнопрово-дящих колец. Ф — число силовых линий, в скобках — сумма силовых линий, принадлежащих меньшему и большему кольцам.

те, может некоторое время (пока он сохраняет свойство сверхпроводимости) парить над постоянным магнитом.

Помимо эффекта Браунбека существует еще один принцип, позволяющий осуществить магнитную левитацию. Впервые он был обнаружен теоретически в 1975 году автором этой статьи, а затем экспериментально подтвержден И. Коло-деевым, М. Крюковым, Г. Караваевым и О. Чебориным Этот эффект, получивший название «магнитная потенциальная яма» (МПЯ), состоит в том, что только за счет сближения двух неизменно ориентированных магнитов сила их притягивания не увеличивается, как это должно быть в соответствии с известными представлениями, а уменьшается! При дальнейшем же сближении вместо притяжения между ними возникает отталкивание! Такое поведение магнитной силы аналогично работе обычной пружины или рессоры. То есть магнитное тело попадает во взвешен ное, устойчивое положение — в «яму», из которой не вывалишься! Оказывается, гвоздь, с которого на чался наш рассказ, все-таки может зависнуть в воздухе?

Естественно, эффект МПЯ возникает лишь при определенных условиях. Рассмотрим простое доказательство его достоверности. Оно не требует каких-либо специальных знаний, известных лишь узкому кругу специалистов Достаточно

6