Измерване на гравитацията на базата на левитиращ магнит

Новият гравиметър е компактен и стабилен и може да открива ежедневните слънчеви и лунни гравитационни колебания, които са отговорни за приливите и отливите.

Ваня Милева Последна промяна на 27 март 2024 в 00:00 3665 0

Слънцето и Луната имат голямо влияние върху океаните, но дори на сушата тяхното въздействие може да бъде открито от чувствителен гравиметър.

Кредит Needpix.com

Слънцето и Луната имат голямо влияние върху океаните, но дори на сушата тяхното въздействие може да бъде открито от чувствителен гравиметър.

Измерванията на гравитацията могат да помогнат при търсене на нефт и газ или при прогнози за предстояща вулканична дейност. За съжаление, днешните гравиметри са обемисти, нямат стабилност или изискват екстремно охлаждане.

Сегае демонстриран малък, силно чувствителен гравиметър, който работи стабилно при стайна температура. Устройството използва малък, левитиран магнит, чиято равновесна височина е чувствителен сензор на локалното гравитационно поле. Изследователите очакват дизайнът да бъде полезен при полеви проучвания, като картографиране на това, което е под повърхността на земята.

Няколко пречки са възпрепятствали развитието на компактни гравиметри, казва Пу Хуан (Pu Huang) от Университета Нанкин в Китай. Устройствата, работещи на стайна температура, обикновено използват малки механични осцилатори, които предлагат отлична точност. Но те са направени от материали, които проявяват ефект на стареене, така че тези гравиметри могат да загубят точността си с течение на времето. Много по-висока стабилност може да бъде постигната със свръхпроводящи устройства, но те изискват криогенни условия и така консумират много енергия и са трудни за използване на открито.

Свръхпроводящите системи имат изключителна чувствителност отчасти защото използват левитация - малка осцилираща система е направена да се носи в пространството и така остава свободна от смущения като вибрации, обяснява Хуан. Той, заедно с Дзянфън Ду (Jiangfeng Du) от Университета Джъдзян в Китай и техните колеги, търсят дизайн, който също да използва левитация, но без изискванията за охлаждане на свръхпроводимостта или необходимостта от материали, които стареят.

Това устройство,  който работи стабилно при стайна температура, потенциално може да бъде изключително преносимо и чувствително. Магнитното поле на голям неподвижен магнит (оцветен, с показани северен и южен полюс) левитира по-малък магнит (също оцветен). Медният проводник, висящ надолу, има L-форма в долната част, като хоризонталната част частично закрива лазерен лъч (червен), който е фокусиран с лещи и който се подава навътре и навън от устройството чрез оптични влакна. Изходното влакно отива към фотодетектор (не е показан). Промените във височината на малкия магнит водят до промени в количеството светлина, достигащо до фотодетектора, което определя изходното напрежение на детектора. Почти целият правоъгълник около малкия магнит представлява графитни плочи, които стабилизират магнита във всичките три измерения. Механизмът в долната част позволява прецизно позициониране на системата за откриване на изместване в посоките x и z. Кредит: Y. Leng et al.

Новото устройство се основава на концепцията за магнитна левитация, разработена преди повече от две десетилетия [ 2 ]. Включва два магнита - голям магнит, фиксиран на позиция, и по-малък тестов магнит от 200 мг, разположен на няколко сантиметра под него, с отблъскващи полето (диамагнитни) графитни плочи, разположени над и под тестовия магнит. Силата нагоре, предоставена от фиксирания магнит, балансира теглото на тестовия магнит, така че той да може да левитира. Лекото отблъскване между тестовия магнит и двете графитни повърхности позволява на магнита да осцилира стабилно във вертикална посока. Екипът коригира разстоянието между повърхностите, за да намали тази честота на трептене до около 1 Hz - колкото по-ниска е честотата, толкова по-чувствителни могат да бъдат измерванията.

Всяка промяна в силата на гравитацията променя равновесната височина на тестовия магнит. За да се открият такива промени, малък меден проводник, свързан към тестовия магнит, виси надолу, така че краят му частично закрива лазерен лъч, отиващ към фотодетектор. Малки промени в гравитацията повдигат или понижават магнита и жицата, което променя количеството светлина, удрящо фотодетектора, което от своя страна определя изходното напрежение на детектора.

За да тестват устройството, Хуан и колегите го използват за измерване на малките вариации в силата на гравитацията, причинени от видимото движение на Слънцето и Луната, същите вариации, които причиняват приливите и отливите.

След като поставят устройството си във вакуумна камера, те изчакват няколко седмици условията вътре в устройството да се стабилизират, преди да проведат непрекъснати измервания в продължение на пет дни. Техният сигнал показва серия от трептения, представляващи вариации в локалното гравитационно ускорение до около 10 -7 от стандартната стойност (земното ускорение g, 9.81 м/сек², приблизтелно 10 м/сек²). Резултатите показват строго съответствие между прогнозираните гравитационни вариации и експерименталните данни. Като цяло, разказва Хуан, гравиметърът демонстрира чувствителност приблизително 3 пъти по-добра от малките механични гравиметри, с много по-висока стабилност.

"Това, което сме постигнали досега, е експеримент с доказателство за принципа", разказва Хуан. За да подобри производителността, екипът планира да намали тестовата маса до под 1 мг. "Също така искаме да заменим повдигащия магнит с микронамотки на платка, така че да можем да изградим гравиметър върху чип.

Екипът също има за цел да подготви гравиметъра за работа извън лабораторията, така че да може да функционира на дронове или други платформи.

Справка:

  1. Y. Leng et al., “Measurement of the earth tides with a diamagnetic-levitated micro-oscillator at room temperature,” Phys. Rev. Lett. 132, 123601 (2024).
  2. M. D. Simon and A. K. Geim, “Diamagnetic levitation: Flying frogs and floating magnets (invited),” J. Appl. Phys. 87, 6200 (2000).

Източник: Gravity Measurement Based on a Levitating Magnet, Рhysics

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !