Электростатическая левитация — это процесс использования электрического поля для левитации заряженного объекта и противодействия эффекту гравитации . Он использовался, например, в эксперименте Роберта Милликена с каплей масла и используется для подвешивания гироскопов в Gravity Probe B во время запуска.
Из-за теоремы Эрншоу , никакое статическое расположение классических электростатических полей не может быть использовано для стабильной левитации точечного заряда. Существует точка равновесия, в которой два поля нейтрализуются, но это неустойчивое равновесие . Используя методы обратной связи , можно регулировать заряды для достижения квазистатической левитации.
Идея нестабильности частиц в электростатическом поле возникла у Сэмюэля Эрншоу в 1839 году [1] и была формализована Джеймсом Клерком Максвеллом [2] в 1874 году, который дал ей название «теорема Эрншоу» и доказал ее с помощью уравнения Лапласа . Теорема Эрншоу объясняет, почему система электронов нестабильна, и была использована Нильсом Бором в его модели атома 1913 года [3] [ нужен лучший источник ] при критике атома Дж. Дж. Томсона .
Теорема Эрншоу утверждает, что заряженная частица, подвешенная в электростатическом поле, нестабильна, поскольку силы притяжения и отталкивания изменяются с одинаковой скоростью, пропорциональной закону обратных квадратов, и остаются в равновесии везде, где движется частица. Поскольку силы остаются в равновесии, нет неравенства, которое обеспечивало бы восстанавливающую силу; и частица остается нестабильной и может свободно двигаться без ограничений.
Первый электростатический левитатор был изобретен доктором Вон-Кю Римом в Лаборатории реактивного движения NASA в 1993 году. [4] Заряженный образец диаметром 2 мм может левитировать в вакуумной камере между двумя электродами, расположенными вертикально, с электростатическим полем между ними. Поле контролируется системой обратной связи, чтобы удерживать левитирующий образец в заданном положении. Несколько копий этой системы были сделаны в JAXA и NASA, а оригинальная система была передана в Калифорнийский технологический институт с модернизированной установкой четырехлучевой лазерной нагревательной системы тетраэдров.
На Луне фотоэлектрический эффект и электроны солнечного ветра заряжают тонкие слои лунной пыли на поверхности, образуя атмосферу пыли, которая плавает «фонтанами» над поверхностью Луны. [5] [6]