Гравитационное силовое экранирование

Возможность гравитационного силового экранирования
Е. Подклетнов и Р. Ниеминен
Технологический университет Тампере
Институт материаловедения
589, SF-33101
Тампере, Финляндия

Получено 9 сентября 1992 г.
Пересмотренная рукопись получена 13 октября 1992 г.

Возможность экранирования силы тяжести массивным сверхпроводником YBa2Cu3O7-x

Экранирующие свойства однофазной плотной объемной сверхпроводящей керамики YBa2Cu3O7-x против гравитационной силы были изучены при температуре ниже 77 К. Небольшой непроводящий и немагнитный образец весом 5,48 г был помещен над левитирующим сверхпроводящим диском и потерю вес был измерен с высокой точностью с использованием электрооптической системы баланса. Было обнаружено, что образец теряет от 0,05 до 0,3% своего веса в зависимости от скорости вращения сверхпроводящего диска. Частичная потеря веса может быть результатом определенного состояния энергии, которое существует внутри кристаллической структуры сверхпроводника при низких температурах. Необычное состояние энергии могло изменить регулярное взаимодействие между электромагнитными, ядерными и гравитационными силами внутри твердого тела и является причиной эффекта гравитационного экранирования.

Введение

Высокотемпературные керамические оксидные сверхпроводники, а также обычные могут быть использованы в качестве эффективных экранов от электромагнитных полей при низких температурах благодаря эффекту Мейснера. Но физические явления внутри металлических и керамических сверхпроводников могут быть совершенно разными, как и механизмы сверхпроводимости. Хорошо известно, что носители тока в обоих типах сверхпроводников имеют заряд 2-. Но энергетическое состояние в структуре керамических сверхпроводников, по-видимому, имеет иной характер по сравнению с металлическими. На внутреннее энергетическое состояние керамических сверхпроводников могут влиять несколько параметров, образующих кристаллическую решетку с определенным порядком.

Различные физические свойства керамических сверхпроводников, такие как теплопроводность, расстояния в решетке, оптическое отражение и т. Д., Показывают аномальные изменения вблизи температуры перехода. До сих пор не было предложено всеобъемлющей теории, объясняющей механизм сверхпроводимости и ненормальное поведение высокотемпературных оксидных керамических материалов при низких температурах.

Целью данного исследования было изначально исследовать экранирующие свойства плотных объемных сверхпроводников на основе y в отношении электромагнитных полей различных частот и интенсивностей в широком диапазоне температур. Но необычное поведение керамического материала, наблюдавшееся на первом этапе этой работы, положило начало отдельному ряду экспериментов, связанных с экранированием гравитационной силы.

Экспериментально

Сверхпроводящее однофазное соединение YBa2Cu3O7-x было приготовлено в форме диска диаметром 145 мм и толщиной 6 мм. Процедура приготовления состояла из смешивания исходных оксидов с последующим прокаливанием порошка при 930 ° С на воздухе, измельчением, прессованием диска при 150 МПа и спеканием его в кислороде при 930 ° С в течение 12 часов с медленным охлаждением до комнатной температуры.

Диск был помещен над тороидальным соленоидом и выдерживался при температуре ниже 77 К с использованием жидкого гелия и его паров. Диск обычно сначала погружали в жидкий гелий и выдерживали там в течение нескольких минут, затем питание подключали к тороидальному соленоиду и диск поднимали над поверхностью гелия. Этот массивный диск поддерживал температуру ниже 60 К в течение примерно 2,5 мин.

Две катушки с вращающимися магнитными полями, аналогичные тем, которые используются в обычных электродвигателях, были размещены с обеих сторон диска, как показано на рис. 1. Диск поднимался над тороидальным магнитом и мог вращаться вокруг своей центральной оси с переменной скоростью. Частота электромагнитного поля во всех трех соленоидах варьировалась от 50 до 106 Гц. Образец из диоксида кремния, висящий на нити, помещался над диском на расстоянии около 15 мм от него и отделялся от паров He тонкой прозрачной пластиковой фольгой. Вес образца был измерен с высокой точностью с использованием электрооптического сравнительного баланса.

Фазовую и кристаллическую структуру сверхпроводника изучали с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА) и на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ). Удельное электрическое сопротивление сверхпроводника измерялось четырехзондовым методом с использованием переменного тока и золотых контактов.

Результаты

По данным рентгеноструктурного анализа, спеченный диск представлял собой чистое однофазное ромбическое 123-соединение со случайной ориентацией и параметрами решетки: а = 0,381 нм, b = 0,385 нм, с = 1,165 нм. Исследования СЭМ показали, что материал был чрезвычайно плотным, без открытой пористости и состоял из мелких зерен с чистыми границами зерен, свободных от фазовой сегрегации.

Температура перехода Tc, измеренная по резистивному переходу, составляла 92 К при ширине 0,7 К.

Сверхпроводящий керамический диск обнаружил слабый, но отчетливо обнаруживаемый экранирующий эффект против силы тяжести при температурах от 20 до 70 К. Было обнаружено, что образец с первоначальным весом 5,47834 г теряет около 0,05% своего веса при помещении на левитирующий диск без вращения. Когда скорость вращения диска увеличилась, вес образца стал нестабильным и давал колебания от -2,5 до + 5,4% от исходного значения [Примечание редактора: последующее общение с авторами подтвердило, что это относится к отклонению до 0,05% потеря веса или диапазон потери веса от 0,049% до 0,053%].

При определенных скоростях вращения и при определенных частотах электромагнитного поля во вращающихся магнитах масса образца стабилизировалась и уменьшалась на 0,3%. Показания в стабильных областях были записаны несколько раз с хорошей воспроизводимостью.

Обнаружено, что левитирующий сверхпроводящий диск поднимается на 7 мм, когда увеличивается его вращающий момент. Тестовые измерения без сверхпроводящего экранирующего диска. но со всеми действующими соленоидами, подключенными к источнику питания, не влиял на вес образца.

Были приняты все меры предосторожности для предотвращения воздействия статического электричества и потока воздуха на образец или на опорную нить. Также электрооптический баланс был экранирован от возможного воздействия электромагнитных полей.

Обсуждение

Существует несколько типов левитации, которые можно объяснить различными физическими явлениями. Свободное плавание объектов может быть вызвано аэродинамическими, акустическими и оптическими силами, а также может быть вызвано электростатическими или магнитными полями или радиочастотным излучением, как подробно проанализировано в работе. [2].

В настоящей работе типичная сверхпроводящая левитация из-за эффекта Мейснера используется для поднятия сверхпроводящего диска переменным электромагнитным полем. Вращающееся магнитное поле в положении подвешенного образца создает переменное поле, которое частично экранируется образцом. Следовательно, часть переменного магнитного поля исключается из образца. Поскольку переменное поле уменьшается с ростом высоты, выталкивание приводит к силе левитации. Магнитная левитация противодействует гравитационной силе и уменьшает вес образца. Это объяснение может быть дано для случая, когда сверхпроводящий диск вращается магнитным полем. Но становится довольно сложно объяснить потерю веса, когда поле выключено, и диск все еще вращается, и вес образца остается уменьшенным, пока скорость вращения диска не уменьшится.

Другим возможным объяснением наблюдаемого явления может быть левитация образца в радиочастотном (РЧ) поле, создаваемом соленоидами с обеих сторон сверхпроводящего диска. Вращающееся ВЧ поле проникает в образец на определенную глубину скин-слоя и вызывает небольшие токи на поверхности образца. ВЧ поле затем частично экранируется изнутри, и образец удаляется из ВЧ поля. Такое толкование также представляется вполне обоснованным, поскольку максимальные потери веса образца наблюдались только на высоких частотах магнитного поля вплоть до 106 Гц. Тем не менее, объяснение не подходит для условий эксперимента, когда использовался электрический ток 50 Гц, а также, когда вращающиеся соленоиды были отключены и сверхпроводящий диск был неподвижен.

Частичная акустическая левитация, обычно вызываемая ультразвуковым полем высокой интенсивности с частотой от 20 до 40 кГц, представляется маловероятной в данном случае, поскольку не применялось никаких специальных преобразователей, генерирующих стоячие волны, а интенсивность ультразвукового излучения от соленоидов была относительно низкий.

Взаимодействие внешнего магнитного поля с объемным керамическим сверхпроводником определяется несколькими параметрами, основными из которых являются: температура, длина когерентности, пиннинг потока, частота и сила поля, а также глубина проникновения. Все эти факторы сложным образом взаимосвязаны. Известно, что длина когерентности для Y-Ba-Cu-O при 77 K в нулевом поле значительно меньше длины проникновения [1], но эти параметры зависят от температуры [3-5] и могут значительно изменяться при определенные условия.

Подъемная сила в сверхпроводнике, парящем над постоянным магнитом, изучалась несколькими авторами [6-8], но взаимодействие керамического сверхпроводника с переменным полем не изучалось подробно.

Межзеренные границы всегда рассматривались только как препятствия для тока, и известно, что магнитное поле проникает внутрь сверхпроводника главным образом вдоль границ зерен. Согласно нашему опыту, это проникающее поле взаимодействует с границами сверхпроводящего зерна таким образом, что его дальнейшее распространение внутри материала все еще возможно вдоль границ зерна, но интенсивность поля значительно снижается.

Когда длины волн внешних магнитных полей, имеющих различные направления, становятся сопоставимыми с длиной когерентности и межплоскостными расстояниями, они взаимодействуют со всей атомной структурой внутри сверхпроводника. Вращение сверхпроводящего тела перемещает зерна и границы зерен в поле, вызывая различные возмущения магнитных полей из-за эффекта гистерезиса. На эти возмущения также может влиять большое количество джозефсоновских переходов, которые существуют внутри объемного сверхпроводящего диска и являются ответственность за соответствующие эффекты.

Эти возмущения изменяют стандартное взаимодействие магнитного, ядерного и гравитационного полей внутри твердого тела, и сверхпроводник может получить свой собственный новый гравитационный импульс, который дает небольшой эффект экранирования гравитации. Хорошо известно, что любое физическое тело, вращающееся вокруг своей вертикальной оси, теряет часть своего веса. При определенных условиях вращение магнитных полей вокруг тела может иметь аналогичный эффект. В настоящей работе сверхпроводящий диск имеет свой собственный импульс вращения и носители тока с зарядом минус два и движется в высокочастотном магнитном поле. Возможно, что такая система изменяет магнитное поле таким образом, что она противодействует гравитационной силе.

Заключение

Объемный спеченный керамический диск YBa2Cu3O7-x обнаруживает небольшой экранирующий эффект против силы гравитации при температурах ниже 60 К. Этот эффект увеличивается при вращении диска вокруг его центральной оси и зависит от нескольких параметров. Эффект экранирования зависит от температуры сверхпроводящего диска Y-Ba-Cu-0, и максимальный эффект наблюдался при температурах ниже 40 К.

Экранирующая сила зависит от скорости вращения диска и имеет тенденцию к увеличению со скоростью вращения. Колебания веса, отмеченные в эксперименте, могут быть вызваны неоднородностью и неравномерной плотностью сверхпроводящего диска.

Сила экранирования зависит от частоты электромагнитного поля, как в системах с опорным магнитом, так и в системах с вращающимся магнитом, и демонстрирует резонансное поведение на частотах более 10 Гц.

Эффект гравитационного экранирования может быть результатом определенного состояния энергии, которое существует внутри кристаллической структуры сверхпроводника при низких температурах. Это необычное энергетическое состояние может изменить регулярное взаимодействие между электромагнитными, ядерными и гравитационными силовыми полями внутри сверхпроводника и ответственно за наблюдаемое явление.

Рекомендации

[1] H. Piel и G. Muller, IEEE Trans. Magn. 27 (1991) 854.

[2] Е.Х. Брандт, Science 243 (1989) 349.

[3] Д.Р. Harshman, L.F. Schneemeyer, J.V. Waszczak, G.Aeppli, R.J. Cava, B. Batlogg, L.W. Рупп, Э.Дж. Ансальдо и Д.Л. Уильямс, Phys. Rev. B 39 (1989) 851.

[4] А.Т. Fiory, A.F. Hebard, P.M. Манкевич и Р.Е. Говард, физ. Преподобный Летт. 61 (1988) 1419.

[5] Б.Р. Weinberger, L. Lynds, J. van Valzah, H. Eaton, J.R. Hull, T.M. Малкахи и С. А. Бейсингер, IEEE Trans. Magn. 27 (1991) 2415.

[6] А.Б. Риизе, Т.Х. Йохансен, Х. Братсберг и З.Дж. Ян, Appl. Phys. Lett. 60 (1992) 2294.

[7] Е.Х. Брандт, Am. J. Phys. 58 (1990) 43.

[8] Т.Х. Йохансен, Х. Братсберг и З.Дж. Ян, в: Серия о прогрессе в высокотемпературных сверхпроводниках, изд. C.G. Burnham (в печати), том 28

Оригинал на английском читать здесь

Add a Comment

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *