示范磁浮现象的简易装置

1、 示範磁浮現象的簡易裝置 1842年, Earnshaw 針對平方反比的力場, 証明其對應的位能沒有局部的最大值或最小值 。因此一個受靜電場、靜磁場或重力場作用的粒子,在沒有物質分佈只有力場的區域是不可能處於穩定而且平衡的狀態的。 所以要在地球上讓一物體抵抗重力浮起來, 是無法用靜電場或靜磁場做到的。 影響所及, 使得 J.J. Thomson 在1904年提出一個靜態穩定的原子模型, 其電荷的分佈必須如葡萄乾布丁一樣, 以免違背Earnshaw 的理論 。 具有排磁性的反磁性物質是Faraday在Earnshaw提出理論之後幾年發現的, 1872年時Lord Kelvin 指出反磁性物質不需

2、要遵守Earnshaw的理論, 因此反磁性物質可以在靜磁場裡浮起來。 然而由基本的解釋得知所有的物質都有反磁性, 只是其磁性很小, 因此一直到1939年, Braunbek才成功的利用了足夠強的磁場將小塊的石墨及鉍磁浮了起來, 而Berry與Geim在1997年使用超強的磁場, 將一隻活的青蛙磁浮了起來, 現在他們正在蓋更強更大的磁場, 可以磁浮更大件的物體。 要抵抗重力浮起來, 還有好幾種只利用電磁作用力的可能性, 包括: 1. 量子效應 : Earnshaw 的理論只適用在古典力學的範疇, 如果是微觀的系統就需要考慮量子效應, 例如我們能站在地面維持穩定平衡, 就是靠人體與地面原子間微觀的

3、量子效應做到的。 2. 回饋 : 利用一些控制系統調整磁場的變化, 也可以做到磁浮, 例如磁浮火車。3. 渦電流: 一磁鐵掃過水平的金屬表面, 其中的導電電子表現出反磁性物質的排磁性, 使此磁鐵受到向上的力量, 也能達到磁浮的目的。4. 超導 : 超導體是目前已知最佳的反物質, 具有完全的排磁性, 1947年由 Arkadiev 首先做到磁浮。5. 磁性陀螺(又稱Levitron) : 利用陀螺的特性, 可以造成磁性陀螺在磁場裡反磁性一樣的性質, 因此可以做到磁浮的地步, 此效應的發明人是R.M. Harrigan(1983)。 利用反磁性物質來穩定一個在磁場裡平衡的磁鐵, 也能做到磁浮, 這

4、在1956及1981 已經發表過了, 而且2000年時, Simon及 Geim還利用超導磁鐵的超強磁場, 可以在兩隻手指間(反磁性為石墨的1/20)磁浮一個小磁鐵。在此我們就是要描述這樣的一類實驗: 利用一個直徑25mm的強磁鐵離大約5cm的高度吸引一個直徑5mm磁性大約一樣強的小磁鐵, 微調大磁鐵的高度, 盡量只抵消掉小磁鐵的重量, 然後用上下兩塊石墨的反磁性來穩定中間的小磁鐵, 微調下面的石墨以達到最佳的效果, 目前所示的上下空隙約在23mm左右, 但能保持磁浮的狀態很久, 所需的石墨, 也只是一般的電動馬達用的電刷。在地面上, 一可磁化的物質在外磁場B裡的能量是 U = - B2V/2

5、o + mgz , (1)要穩定平衡必須U有最小值才行, 這只有當為負時才可能.而一永久磁鐵M在有外磁場B與外加反磁性物質的情形下, 其能量是 U = - MB + mgz + Udiag , (2)其中Udiag 是M與外加的反磁性物質之間的作用能量. 此處的簡易磁浮即可由(2)式來解釋 , 而只有在兩片石墨的間隙小於某值時U才可能有最小值 . 如果使用更強的大磁鐵, 可以得到比較大的間隙物質的磁化率(x10-6): 正值為順磁性, 負值為反磁性水 -8.8 石墨 160 鉍 -170 水銀 -32 金 36 銀 -26 鉛 -17 鋼 -9.8 手指 -10空氣 0.36 鋁 25 鈀 8

6、20 物質的磁導率(等於 1 +磁化率):鐵 60002x105 鈷 250 鎳 600 超合金 106 參考資料:S. Earnshaw, Trans. Cambridge Philos. Soc. 7,97(1842).J.J. Thomson, Phil. Mag. , 7,237(1904).W. Thomson, Reprint of papers on Electrostatics and Magnetism(MacMillan, London, 1872), Vol. XXXIII, pp. 493-499, and Vol. XXXIV, pp. 514-515.W. Brau

7、nbek, Z. Phys. 112, 753(1939); Z. Phys. 112,764(1939).M.V. Berry and A.K. Geim, Eur. J. Phys. 18,307(1997).V. Arkadiev, Nature(London)160,330(1947).R.M. Harrigan, U.S. Patent No. 4382245, 1983.A.H. Boerdijk, Philips Res. Rep. 11,45(1956); Philips. Tech. Rev. 18,125(1956/57).M.D. Simon and A.K.Geim,J.A