Введение

Левитация заряженного объекта с помощью электрических полей

Электростатическая левитация – это процесс использования электрического поля для левитации заряженного объекта и компенсации воздействия гравитации. Она применялась, например, в эксперименте Роберта Милликана с масляной каплей и используется для удержания гироскопов в зонде Gravity Probe B во время запуска. В силу теоремы Эрншоу, статическая конфигурация классических электростатических полей не может быть использована для стабильной левитации точечного заряда. Существует точка равновесия, в которой эти поля компенсируют друг друга, однако это равновесие неустойчиво. Применяя системы обратной связи, можно регулировать заряды для достижения квазистатической левитации.

Теорема Эрншоу

Идея неустойчивости частиц в электростатическом поле возникла у Сэмюэля Эрншоу в 1839 году и была формализована Джеймсом Клерком Максвеллом в 1874 году, который дал ей название «теорема Эрншоу» и доказал её с помощью уравнения Лапласа. Теорема Эрншоу объясняет, почему система электронов неустойчива, и была использована Нильсом Бором в его атомной модели 1913 года при критике атомной модели Дж. Дж. Томсона. Теорема Эрншоу утверждает, что заряженная частица, находящаяся в электростатическом поле, неустойчива, поскольку силы притяжения и отталкивания изменяются с одинаковой скоростью, пропорциональной закону обратных квадратов, и остаются в равновесии независимо от положения частицы. Поскольку силы остаются в равновесии, отсутствует какое-либо неравенство, которое могло бы создать восстанавливающую силу, и частица остаётся неустойчивой, свободно перемещаясь без ограничений.

Левитация

Первый электростатический левитатор был изобретен доктором Вон Кю Римом в Лаборатории реактивного движения НАСА в 1993 году. Заряженный образец диаметром 2 мм может левитировать в вакуумной камере между двумя вертикально расположенными электродами, между которыми создано электростатическое поле. Это поле контролируется системой обратной связи для удержания левитирующего образца в заданном положении. Несколько копий этой системы были созданы в JAXA и NASA, а оригинальная система была передана в Калифорнийский технологический институт вместе с модернизированной установкой четырехлучевой лазерной системы нагрева. На Луне фотоэлектрический эффект и электроны солнечного ветра заряжают тонкие слои лунной пыли на поверхности, формируя пылевую атмосферу, которая поднимается в виде "фонтанов" над поверхностью Луны.