Supraconducteurs - Aimant flottant - Le laboratoire
Laisser refroidir le supraconducteur avec de l'azote liquide et les flotteurs aimant.
Imaginez une salle de classe des étudiants sur un petit obsédés aimant la taille de la tête d'un crayon. L'aimant repose sur un mystérieux disque noir, mais l'aimant ne colle pas sur le disque. Tant le disque noir et l'aimant sont assis sur le dessus d'une tasse de mousse de polystyrène à l'envers. Voici la partie amusante ... quand l'enseignant verse l'azote liquide sur le disque noir, le petit aimant soulève le disque et tourne dans l'air. Les étudiants applaudissent ... et l'enseignant est prêt à explorer la science de superconducteurs avec ses élèves.
Matériaux Expérience
- Une petite quantité d'azote liquide
- Un supraconducteur, comme celui utilisé dans cette démonstration - à base d'yttrium (YBa2Cu3O7)
- aimant petit
- Gants de protection lourds
- Lunettes de protection
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- Versez délicatement une petite quantité d'azote liquide dans la coupe de plat ou de styromousse jusqu'à ce que le liquide soit environ un quart de pouce de profondeur. Le liquide bout furieusement pendant une courte période. Attendre jusqu'à ce qu'il arrête l'ébullition.
- À l'aide des pinces fournies, placez soigneusement le disque supraconducteur noir plat dans le liquide jusqu'à ce que son sommet est juste au ras de la surface de l'azote liquide. Encore une fois, l'azote se résume autour du disque. Attendez que ce bouillonnement arrête aussi.
- En utilisant la pince à épiler, ramasser l'aimant fourni et essayer d'équilibrer sur le dessus du disque supraconducteur. Au lieu de s'installer sur la surface du supraconducteur, l'aimant simplement quelques millimètres « float » au-dessus du supraconducteur. Ceci est une démonstration de l'effet Meissner (voir ci-dessous).
Les informations suivantes ont été fournies par les scientifiques du Colorado Superconductor, Inc. et réimprimé avec leur permission.
L'une des propriétés de la plus facile à superconducteurs démontrer, et aussi les plus éblouissantes, est l'effet Meissner. Supraconducteurs sont fortement diamagnétique - c'est-à-dire qu'ils vont repousser un aimant. Le supraconducteur utilisé dans cette démonstration est à base d'yttrium (YBa2Cu3O7). Imaginez un conducteur « parfait » de l'électricité qui a tout simplement pas de résistance à l'écoulement d'un courant électrique. Si un conducteur d'électricité est déplacé dans un champ magnétique, la loi de Faraday de l'induction nous conduirait à attendre un courant électrique induit dans le conducteur et son champ magnétique associé qui oppose le champ appliqué. Le courant électrique induit ne se dissiper dans un conducteur « parfait », et donc le champ magnétique associé serait également continuer à opposer le champ appliqué. A l'inverse, si le conducteur « parfait » était déjà dans un champ magnétique, puis ce champ appliqué a été enlevé, la même loi physique indiquerait qu'un courant électrique et son champ magnétique associé apparaissent dans le conducteur qui tenterait de s'opposer à la suppression du champ appliqué. Si nous devions faire une expérience dans laquelle nous avons placé un aimant au-dessus d'un matériau par un processus est alors devenu un conducteur « parfait », nous verrions aucun effet physique sur l'aimant. Cependant, nous avons été d'essayer d'enlever l'aimant, alors seulement nous nous sentons une force d'opposition.
Cette expérience peut également être réalisée en plaçant l'aimant au-dessus du supraconducteur avant d'être refroidi dans l'azote liquide. Comme prévu par l'effet Meissner, l'aimant léviter lorsque la température du supraconducteur tombe en dessous de sa température critique. Comme expliqué plus haut, il n'y a pas de matériau autre qu'un supraconducteur qui pourrait avoir montré cet effet. Si vous réglez soigneusement l'aimant rotatif, vous remarquerez que l'aimant continue à tourner pendant longtemps. Ceci est une démonstration brut d'un palier magnétique sans frottement en utilisant l'effet Meissner. La vitesse de rotation d'un aimant en forme de cube peut être augmentée en utilisant une paille en plastique pour souffler un courant d'air à l'un des bords ou des coins de cube.
Une autre façon d'augmenter la vitesse de rotation de l'aimant est de couper un petit trou rectangulaire dans un morceau de papier. Le trou est positionné au-dessus de l'aimant en lévitation de sorte que la moitié des projets d'aimant au-dessus du plan du papier. Un courant d'air dirigé le long de la surface supérieure du papier entraîne l'aimant en rotation rapide. L'aimant est naturellement ralenti cubical par la résistance de l'air. Par conséquent, il peut être prévu d'arrêter après un certain temps. Un aimant cylindrique tournera beaucoup plus longtemps puisqu'il est en rotation simplifiée. Cependant, l'aimant fait cubical cette démonstration beaucoup plus graphique. Un groupe de recherche de l'Université Cornell a démontré un palier supraconducteur sans friction qui peut tourner à une vitesse de un million de rotations par minute. Un palier construit de cette manière, en utilisant l'effet Meissner, est beaucoup plus commode et sûr qu'un roulement à aimant classique en raison de la nature « auto-centrage » de l'effet Meissner en raison de flux épinglage.