Czym jest podtrzymywanie elektromagnetyczne? Do czego służy?
Czy słyszeliście już o pociągach Maglev w Japonii lub Transrapid w Europie? Czy znacie pociągi z napędem lewitacyjnym? Są to pociągi, które „lewitują” nad torami dzięki polu magnetycznemu. Aby dowiedzieć się więcej, w tym artykule znajdziesz wszystko, co trzeba wiedzieć o podtrzymaniu elektromagnetycznym i jego roli w otaczającym nas świecie. Zapoznaj się również z naszą kolekcją Globe Magnétique, która wykorzystuje tę samą energię.
Zrozumieć podtrzymanie elektromagnetyczne
W fizyce i naukach ścisłych istnieją dwie podstawowe koncepcje dotyczące zasady lewitacji: koncepcja elektromagnetyczna, generowana przez regulowane elektromagnesy, oraz koncepcja elektrodynamiczna, oparta na siłach prądów indukowanych. Levitacja elektromagnetyczna jest definiowana jako mechanizm umożliwiający uniesienie obiektu w powietrze za pomocą pola magnetycznego. Siły elektromagnetyczne działające na ten obiekt pozwalają mu przeciwdziałać własnej masie i unosić się bez opadania.
Mówiąc bardziej konkretnie, obiekt znajduje się w stanie poduszkowania elektromagnetycznego, gdy unosi się nad podłożem magnetycznym bez styku z tym podłożem. Siła pionowa skierowana od dołu do góry pozwala zrównoważyć ciężar tego obiektu/ciała. Pociągi Transrapid w Niemczech lub w Szanghaju są konkretnymi przykładami zawieszenia elektromagnetycznego. Natomiast japońskie pociągi Maglev wykorzystują zawieszenie elektrodynamiczne.
Jak działa lewitacja elektromagnetyczna?
Levitacja elektromagnetyczna jest możliwa dzięki siłom magnetycznym. Aby to zrozumieć, należy najpierw wiedzieć, jak działają magnesy. To bardzo proste! Załóżmy, że magnes może przyciągać lub odpychać materiały ferromagnetyczne w zależności od ustawienia biegunów. Bieguny północne przyciągają się, a bieguny północne i południowe odpychają się.
Mechanizm magnetyczny zachodzi, gdy magnesy są aktywowane naprzemiennie (przyciągają się i odpychają). Siła grawitacji działająca na lewitujący obiekt jest kompensowana przez te siły. Pozwala to utrzymać stałą odległość między obiektem a podłożem, unikając tarcia. Ten bezcierny mechanizm pozwala zresztą poruszać się szybciej. Aby uruchomić system lewitacji lub podtrzymania elektromagnetycznego, wykorzystuje się elektromagnesy i nadprzewodniki.
Elektromagnesy
Elektromagnes to magnes zasilany prądem elektrycznym. Pozwala on na przekształcenie energii elektrycznej w energię magnetyczną. W tym celu magnes składa się z rdzenia z żelaza magnetycznego otoczonego cewką z przewodu przewodzącego. Pole magnetyczne powstaje wówczas podczas przepływu prądu elektrycznego przez elektromagnes. Dzięki tej zasadzie elektromagnes posiada silną mechaniczną siłę przyciągania. Z tego powodu jest on wykorzystywany w elektromagnetycznym podtrzymywaniu
Nadprzewodniki
Nadprzewodniki to materiały zdolne do idealnego przewodzenia prądu elektrycznego bez oporu i strat energii. Jest to zjawisko nadprzewodnictwa. Staje się ono możliwe dzięki schłodzeniu materiału w celu wyeliminowania wszelkiego oporu elektrycznego.
Odkryte przez holenderskiego fizyka Heike Kamerlingha Onnesa w 1911 roku zjawisko nadprzewodnictwa pozostaje do dziś wyjątkowym odkryciem. Tym bardziej, że nadprzewodniki posiadają ponadto wyjątkowe właściwości magnetyczne. Dzięki temu mogą bez problemu lewitować pod magnesem.
Do czego służy podtrzymywanie elektromagnetyczne?
Jak zapewne już zauważyliście powyżej, podtrzymanie elektromagnetyczne pozwala na lewitowanie obiektu nad namagnesowaną powierzchnią, bez ich wzajemnego stykania się. Co więcej, mechanizm ten pozwala również przyspieszyć poruszający się obiekt. Dlatego głównym zastosowaniem lewitacji elektromagnetycznej jest sektor kolejowy, w szczególności napęd i lewitacja pociągów, takich jak niemiecki Transrapid czy Transrapid w Szanghaju.
Pociąg z napędem elektromagnetycznym
Pociąg z napędem elektromagnetycznym lewituje wyłącznie dzięki przyciąganiu biegunów. W tym celu jest on wyposażony w elektromagnesy umieszczone w dolnej części, równolegle do szyn. Szyny są z kolei wyposażone w walcowane pręty żelazne, które stykają się z elektromagnesami.
Powstaje wówczas pole elektromagnetyczne, mimo że elektromagnesy i pręty żelazne nie stykają się ze sobą. Co więcej, pociąg porusza się w stanie lewitacji (czyli nie opiera się o szyny). Osiąga maksymalną prędkość sięgającą nawet 150 km/h.
Zalety pociągów z poduszką elektromagnetyczną
Jeśli obecnie poduszkodzenie elektromagnetyczne jest tak szeroko stosowane w pociągach, to przede wszystkim dlatego, że ma wiele zalet:
- Mechanizm ten pozwala pociągom poruszać się z dużą prędkością.
- Pozwala również na zmniejszenie uciążliwości hałasu powodowanego przez przejeżdżające pociągi po szynach (ponieważ pociąg w stanie lewitacji nie dotyka szyn).
- Jest to system czysty i mniej zanieczyszczający środowisko: pociąg z napędem elektromagnetycznym nie emituje dymu i zużywa niewiele energii. Dzięki nadprzewodnikom emisja i straty energii elektrycznej są niewielkie.
- Opór aerodynamiczny i prędkość pociągów nie powodują szkód w ekosystemie.
Z drugiej strony wdrożenie tej koncepcji jest nadal bardzo kosztowne. Dlatego na świecie istnieje bardzo niewiele pociągów z napędem elektromagnetycznym.