Magnitnaya_levitatsiya_prezentatsiya

1.

ПРОЕКТ ПО ФИЗИКЕ · 11 КЛАСС
Магнитная
левитация
Как заставить тело парить без опоры: физика
явления, поезда маглев и опыт
Автор: [ФИО] · Класс: [11 __] · Руководитель: [ФИО учителя]

2.

ВВЕДЕНИЕ
Цели и задачи проекта
Цель
Понять, как работает
магнитная левитация и где её
применяют
Задачи
Изучить физические
принципы
Анализ источников
Сравнить виды магнитного
подвеса
Наблюдение и эксперимент
Разобрать устройство
маглева
Провести опыт с левитацией
Магнитная левитация · 2
Методы
Сравнение и обобщение

3.

ВВЕДЕНИЕ
Что такое левитация
Левитация — состояние, при котором тело парит без опоры: сила
тяжести уравновешена другой силой.
Магнитная
Аэродинамическая
Акустическая
Оптическая
Сила магнитного поля.
Тема проекта
Поток воздуха, воздушная
подушка
Давление стоячей
звуковой волны
Давление лазерного
света на частицу
Магнитная левитация · 3

4.

ИСТОРИЯ
Ключевые этапы
1842
1911
1933
Ирншоу доказывает: одними
неподвижными магнитами
устойчиво не удержать
Оннес открывает
сверхпроводимость у ртути при 4,2
К
Мейснер и Оксенфельд открывают
выталкивание магнитного поля
1986
1997
2004
Беднорц и Мюллер находят
высокотемпературные
сверхпроводники
Гейм и Берри левитируют лягушку
в поле 16 Тл
В Шанхае начинает работу первый
коммерческий маглев
Магнитная левитация · 4

5.

ФИЗИКА ЯВЛЕНИЯ
Теорема Ирншоу
Нельзя удерживать магнит в устойчивом равновесии только неподвижными магнитами и
зарядами: вдоль одной оси поле возвращает, вдоль другой выталкивает.
КАК ОБОЙТИ ОГРАНИЧЕНИЕ
Диамагнетики
Магнитная левитация · 5
Сверхпроводники
Электроника с
обратной связью
Вращение
(Левитрон)

6.

ФИЗИКА ЯВЛЕНИЯ
Как вещества реагируют на магнитное поле
Тип
Магнитная
проницаемость
Реакция на поле
Примеры
Диамагнетики
μ чуть меньше 1
Слабо выталкиваются
Вода, графит, висмут
Парамагнетики
μ чуть больше 1
Слабо втягиваются
Алюминий, платина
Ферромагнетики
μ намного больше 1
Сильно втягиваются
Железо, никель, кобальт
Сверхпроводники
μ=0
Поле не проникает внутрь
YBCO, ниобий
Магнитная левитация · 6

7.

ФИЗИКА ЯВЛЕНИЯ
Диамагнитная левитация
Диамагнетик выталкивается из области сильного
поля в область слабого.
F = mg
Левитация идёт, когда сила со стороны поля
уравновешивает силу тяжести. Нужно поле с резким спадом:
так работают массивы неодимовых магнитов.
Магнитная левитация · 7
16 Тл
Поле опыта с лягушкой (Гейм и Берри, 1997). В
2000 году работу отметили Игнобелевской
премией, а в 2010-м Гейм получил
Нобелевскую премию за графен.

8.

ФИЗИКА ЯВЛЕНИЯ
Сверхпроводники и эффект
Мейснера
R=0
Ниже критической температуры сопротивление
исчезает (Оннес, 1911)
B=0
Эффект Мейснера: поле не проникает внутрь, линии
огибают тело (1933)
77 К
Жидкий азот (−196 °C) охлаждает керамику YBCO, у
которой Tc около 93 К
Магнитная левитация · 8

9.

ФИЗИКА ЯВЛЕНИЯ
Квантовая левитация и пиннинг
1
2
3
Керамику YBCO охлаждают
жидким азотом до
сверхпроводящего состояния
Часть поля проникает нитями —
вихрями, и они закрепляются на
дефектах
Магнит держится и сверху, и
снизу, и даже на склоне:
положение «запомнено»
Устойчивая левитация без электроники и без вращения.
Магнитная левитация · 9

10.

ТЕХНОЛОГИИ · EMS
Электромагнитный подвес
Притяжение
Электромагниты вагона подтягиваются вверх к рельсу из
стали.
≈10 мм
Зазор между вагоном и путём
Управление
Датчики следят за зазором, а ток меняется тысячи раз в
секунду.
Примеры
0 км/ч
Transrapid (Шанхай), Linimo (Нагоя).
Вагон парит и на стоянке
Магнитная левитация · 10

11.

ТЕХНОЛОГИИ · EDS
Электродинамический подвес
Отталкивание
Движущийся магнит наводит токи в катушках пути. По
правилу Ленца поле этих токов выталкивает вагон.
≈100 мм
Зазор: в десять раз больше, чем у EMS
Магниты
Сверхпроводящие катушки из ниобий-титана,
охлаждённые жидким гелием.
Пример
SCMaglev, Япония.
Магнитная левитация · 11
>100 км/ч
Подъём начинается только на скорости, до
неё нужны колёса

12.

ТЕХНОЛОГИИ
Сравнение EMS и EDS
Признак
EMS
EDS
Сила
Притяжение
Отталкивание
Зазор
Около 10 мм
Около 100 мм
Устойчивость
Нужна электроника
Устойчив сам по себе
Взлёт
С нулевой скорости
Только на скорости
Страна
Германия, Китай
Япония
Магнитная левитация · 12

13.

ТЕХНОЛОГИИ
Из чего состоит поезд маглев
1
2
3
Подъём
Направление
Тяга
Магниты держат вагон над путём
без касания
Боковые магниты не дают вагону
сместиться с пути
Линейный двигатель: бегущее
магнитное поле в обмотках пути
тянет вагон
Колёс и трения о рельс нет, остаётся только сопротивление воздуха. Первый патент на магнитный подвес
для поезда получил Герман Кемпер в 1934 году.
Магнитная левитация · 13

14.

ТЕХНОЛОГИИ
Маглев в мире
603 км/ч
431 км/ч
Рекорд скорости поезда на магнитном подвесе, JR
Central, Япония, 2015
Максимум Шанхайского маглева на 30 км линии до
аэропорта (с 2004 года)
600 км/ч
100 км/ч
Китайский прототип CRRC, представленный в 2021
году
Городские линии Linimo в Нагое (2005) и в Чанше,
Китай (2016)
Магнитная левитация · 14

15.

ТЕХНОЛОГИИ
Плюсы и минусы маглева
Преимущества
Ограничения
Нет износа колёс и рельсов
Дорогой путь и строительство
Высокая скорость и плавный ход
Не стыкуется с обычными рельсами
Меньше вибраций и шума
Нужно охлаждение сверхпроводников
Нет выбросов от самого поезда
Много энергии уходит на сопротивление воздуха
Магнитная левитация · 15

16.

ТЕХНОЛОГИИ
Где ещё применяют левитацию
Подшипники
Вакуумные насосы
Накопители энергии
Вал вращается без контакта и
смазки: турбины, компрессоры
Турбомолекулярные насосы на
магнитном подвесе
Маховики почти без потерь на
трение
Лаборатории
Hyperloop
Левитрон
Диамагнитная левитация
моделирует невесомость
Проект капсул в трубе с
разреженным воздухом
Раскрученный волчок парит над
магнитным основанием
Магнитная левитация · 16

17.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Опыт: графит над магнитами
Оборудование
Ход работы
Пластинка пиролитического графита
1. Сложить магниты 2×2 в шахматном порядке полюсов
Четыре неодимовых магнита-кубика
2. Аккуратно положить графит сверху
Пинцет и линейка
3. Найти положение, где пластинка парит
4. Измерить зазор и записать наблюдения
Осторожно: неодимовые магниты защемляют пальцы и портят карты и электронику. Рядом с кардиостимулятором
работать нельзя.
Магнитная левитация · 17

18.

ИТОГИ
Выводы
1
Левитация возможна, когда поле уравновешивает тяжесть, а устойчивость даёт диамагнетизм,
сверхпроводник или электроника.
2
Основные схемы подвеса: EMS, EDS и сверхпроводник с пиннингом.
3
Поезда маглев разгоняются до 600 км/ч, но их сдерживает цена путей.
4
Опыт с графитом наглядно показывает диамагнитную левитацию.
Магнитная левитация · 18

19.

ИТОГИ
Источники
1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. М.:
Просвещение
2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 3. Электричество
3. Berry M. V., Geim A. K. Of flying frogs and levitrons // European Journal of
Physics, 1997, т. 18, с. 307–313
4. Earnshaw S. On the nature of the molecular forces // Trans. Cambridge
Phil. Soc., 1842
5. Статьи «Маглев» и «Магнитная левитация», Википедия
6. JR Central: сайт о SCMaglev (global.jr-central.co.jp)
Магнитная левитация · 19
Спасибо за
внимание!
Вопросы?