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科學家破解經典實體學之外的磁懸浮之謎

作者:6栉風沐雨6

2021 年,土耳其科學家 Hamdi Ucar 發現了一種新的磁懸浮形式,即快速旋轉的磁鐵會使附近的磁鐵懸浮起來。拉斯穆斯-比約克教授及其團隊複制并研究了這一違背經典實體學的現象。他們發現,懸浮的磁鐵與旋轉的磁鐵對齊,形成了一種類似于陀螺旋轉的平衡狀态。

科學家破解經典實體學之外的磁懸浮之謎

丹麥科技大學(DTU)的科學家們證明了新發現的磁鐵懸浮現象的基本實體學原理。

2021 年,一位來自土耳其的科學家發表了一篇研究論文,詳細介紹了一項實驗:将磁鐵連接配接到電機上,使其快速旋轉。當這個裝置靠近第二塊磁鐵時,第二塊磁鐵開始旋轉,并突然懸停在幾厘米外的固定位置。

雖然磁懸浮并不是什麼新鮮事--最著名的例子可能是磁懸浮列車,它依靠強大的磁力來提升和推進--但這個實驗卻讓實體學家們大惑不解,因為這一現象并沒有被經典實體學所描述,或者至少沒有被任何已知的磁懸浮機制所描述。

使用 Dremel 工具以 266 Hz 的頻率旋轉磁鐵示範磁懸浮。轉子磁鐵為 7x7x7 立方毫米,浮子磁鐵為 6x6x6 立方毫米。這段視訊展示了研究中描述的實體學原理。資料來源:德國技術大學。

不過,現在是時候了。DTU 能源學院的教授拉斯穆斯-比約克(Rasmus Bjørk)對烏卡的實驗非常感興趣,于是與碩士生約阿希姆-赫爾曼森(Joachim M. Hermansen)一起複制了這個實驗,同時弄清了實驗的具體過程。Rasmus Bjørk 說,複制很容易,使用現成的元件就能完成,但其中的實體原理卻很奇怪:

"磁鐵靠近時不應該盤旋。通常,它們要麼互相吸引,要麼互相排斥。但事實證明,如果旋轉其中一塊磁鐵,就能實作懸停。這就是奇怪的地方。"他說:"影響磁鐵的力不應該因為你旋轉其中一塊磁鐵而改變,是以運動和磁力之間似乎存在耦合。"

科學家破解經典實體學之外的磁懸浮之謎

這些結果最近發表在《應用實體評論》雜志上。

多項實驗證明實體原理

實驗涉及幾塊不同大小的磁鐵,但原理是相同的:通過快速旋轉一塊磁鐵,研究人員觀察到另一塊被稱為"浮動磁鐵"的磁鐵如何以相同的速度開始旋轉,同時迅速鎖定在一個位置上,保持懸停狀态。

科學家破解經典實體學之外的磁懸浮之謎

他們發現,當浮子磁鐵鎖定位置時,它的方向靠近旋轉軸,朝向轉子磁鐵的同類磁極。是以,舉例來說,浮子磁鐵的北極在旋轉時一直指向固定磁鐵的北極。

這與根據磁靜力學定律所預期的情況不同,該定律解釋了靜态磁力系統如何運作。然而,事實證明,旋轉磁體之間的磁靜力互相作用正是産生浮子平衡位置的原因,這也是該研究的合著者、博士生弗雷德裡克-L-杜胡斯(Frederik L. Durhuus)通過模拟這一現象發現的。他們觀察到磁鐵大小對懸浮動力學的重大影響:較小的磁鐵由于慣性較大,懸浮時需要更高的旋轉速度,而且浮力越大。

"原來,浮子磁鐵想與旋轉的磁鐵對齊,但它的旋轉速度不夠快。隻要保持這種耦合,它就會懸停或漂浮,"拉斯穆斯-比約克說:"我們可以把它比作一個旋轉的陀螺。如果不旋轉,它就不會站立,而是通過旋轉鎖定位置。隻有當旋轉失去能量時,重力--或者在我們的例子中磁鐵的推力和拉力--才會大到足以克服平衡。"

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