Lewitacja

Materiały i pomoce dydaktyczne:
1. Magnes neodymowy w kształcie prostopadłościanu.
2. Nadprzewodnik.
3. Naczynie wykonane ze styropianu.
4. Ciekły azot.
5. Pęseta.
6. Okulary ochronne.
7. Rękawice ochronne.

Przebieg doświadczenia:
1. Zakładamy okulary ochronne.
2. Zakładamy rękawice ochronne.
3. Ostrożnie wlewamy ciekły azot do naczynka styropianowego.
4. Za pomocą pęsety umieszczamy magnes nad powierzchnią zanurzonego w cieczy nadprzewodnika.
5. Obserwujemy lewitacje magnesu nad powierzchnią nadprzewodnika.

Dlaczego tak się dzieje?
W omawianym doświadczeniu istotną rolę odgrywa zjawisko nadprzewodnictwa, występujące w niskich temperaturach. Nadprzewodnictwo polega na zaniku oporności przewodnika oraz indukcji magnetycznej wewnątrz przewodnika. Gdy w przewodniku zanika opór elektryczny to prąd w nim płynący może krążyć nieskończenie długo, i to bez podłączonego źródła zasilania. Zanik indukcji magnetycznej wewnątrz przewodnika prowadzi do wypychania pola magnetycznego z jego wnętrza (efekt Meissnera). Efekt ten jest obserwowany po obniżeniu temperatury do tzw. temperatury krytycznej T_c – charakterystycznej dla danego przewodnika. Na rysunku poniżej przedstawiony został nadprzewodnik w polu magnetycznym dla sytuacji typowej i po obniżeniu temp. do wartości krytycznej T_c.

 Rys. 1 a) Linie pola magnetycznego dla przewodnika w temp. T większej od temp. krytycznej T_c;
b) Wypychanie z nadprzewodnika linii sił pola magnetycznego w temp. T niższej od temp. krytycznej T_c (efekt Meissnera).

 Zdjęcie zaczerpnięte z artykułu „200 oC poniżej zera” opublikowanego przez Centrum Nauki Kopernik na stronie. Niską temperaturę gwarantuje ciekły azot, w którym zanurzony jest nadprzewodnik. Kiedy zbliżamy do niego magnes to pole magnetyczne związane z magnesem zostaje częściowo wypchane z nadprzewodnika, a w warstwie powierzchniowej nadprzewodnika indukuje się prąd wirowy. Prąd indukcyjny ma zawsze taki kierunek, że wytworzone przez niego pole magnetyczne przeciwdziała przyczynie, która go wywołała (reguła Lenza). Powstałe siły pola magnetycznego równoważą siły grawitacji i w efekcie bryłka magnesu neodymowego utrzymuje się w pewnej odległości od nadprzewodnika. Obserwowany efekt nazywany jest lewitacją.