科学家解开经典物理学之外的磁悬浮之谜

丹麦技术大学（DTU）的科学家证实了新发现的磁悬浮现象的基本物理原理。

2021 年，一位来自土耳其的科学家发表了一篇论文，详细介绍了一项实验，其中将磁铁固定在电机上，使其快速旋转。 当这个装置靠近第二个磁铁时，第二个磁铁开始旋转并突然悬停在几厘米外的固定位置。

虽然磁悬浮并不是什么新鲜事——也许最著名的例子是依靠强磁力来升力和推进的磁悬浮列车——但这个实验让物理学家感到困惑，因为这种现象在经典物理学中没有被描述过，或者至少在任何经典物理学中都没有描述过。 。 已知的磁悬浮机制。

使用 Dremel 工具以 266 Hz 的频率旋转磁铁来演示磁悬浮。 旋转磁铁的尺寸为 7 x 7 x 7 mm3，浮动磁铁的尺寸为 6 x 6 x 6 mm3。该视频演示了论文中描述的物理现象。 图片来源：DTU。

然而，现在就是这样。 DTU 能源公司教授拉斯穆斯·比约克 (Rasmus Björk) 对奥卡的实验着迷，并开始与硕士生约阿希姆·赫尔曼森 (Joachim M. Hermansen) 一起复制该实验，同时弄清楚究竟发生了什么。 复制很容易，可以使用现成的组件来完成，但它的物理原理很奇怪，Rasmus Björk 说：

“当磁铁靠得很近时，它们不应该悬浮。通常它们会互相吸引或排斥。但如果你旋转其中一个磁铁，结果证明你可以实现这种悬浮。这就是奇怪的部分。磁铁上的力不应该仅仅因为“你旋转其中一个，所以运动和磁力之间似乎存在耦合”而改变。

研究结果最近发表在期刊上 应用物理评论。

几个实验来证实物理原理

实验涉及几个不同尺寸的磁体，但原理保持不变：通过快速旋转磁体，研究人员观察到附近的另一个磁体（称为“浮动磁体”）如何开始以相同的速度旋转，同时快速粘附在磁体上。它保持在原来的位置。旋转。

他们发现，当浮动磁铁固定到位时，它的方向靠近旋转轴并朝向与旋转磁铁类似的磁极。 因此，例如，当浮动磁铁旋转时，其北极的阴影指向固定磁铁的北极。

这与基于静磁定律的预期不同，静磁定律解释了静磁系统的工作原理。 然而，事实证明，正是旋转磁体之间的静态磁相互作用负责创建浮子的平衡位置，正如合著者和博士生 Frederick L. Dorhus 使用了这种现象的模拟。 他们观察到磁铁尺寸对悬停动力学的显着影响：较小的磁铁由于惯性较大且飞得更高，因此需要更高的旋转速度来升力。

“事实证明，浮动磁铁想要与旋转磁铁对齐，但它旋转的速度不够快，无法做到这一点。只要保持这种耦合，它就会悬停或悬浮，”Rasmus Bjork 说。

“你可以将它比作一个旋转陀螺。只有在旋转时它才会直立，但通过旋转将其固定在适当的位置。只有当旋转失去能量时，重力才会产生作用，或者在我们的例子中，陀螺的推力和拉力才会产生作用。”磁铁——变得足够大以克服平衡。”

参考文献：“交替磁悬浮”作者：Joachim Marko Hermansen、Frederik Laust-Dorhus、Kathrin Frandsen、Marco Piligia、Christian R.H. Bahl 和 Rasmus Björk，2023 年 10 月 13 日， 已应用物理审查。
DOI：10.1103/PhysRevApplied.20.044036