Magnetlevitatsioon

Püsimagnet leviteerimas ülijuhi kohal

Magnetlevitatsioon on meetod, mille puhul objekti hõljutatakse magnetväljade abil. Magnetvälju kasutatakse raskusjõu ning teiste objektile mõjuvate jõudude vastu töötamiseks.

Magnetlevitatsiooni kaks põhilist murekohta on piisava tõstejõu ja stabiilsuse saavutamine.

Magnetlevitatsiooni kasutatakse maglev rongides, magnetlaagrites, toodete efektseks eksponeerimiseks jne.

Tõstejõud

Magnetmaterjalide ja –süsteemide vahel esinevad tõmbe- ja tõukejõud, mille suurus sõltub magnetvälja tugevusest ja magnetite pindalast. Lihtsaima näitena võib tuua kaks dipool-magnetit, mis tõukuvad teineteisest kui nende samanimelised poolused vastastikku asetada.

Tõstejõu suurust saab määrata magnetilise rõhu abil. Näiteks avaldub magnetvälja magnetiline rõhk ülijuhile järgnevalt:

$P_{mag}={\frac {B^{2}}{2\mu _{0}}}$,

kus $P_{mag}$ on jõud ühikulise pindala kohta paskalites, $B$ on magnetiline induktsioon teslades vahetult mõjutatava keha pinna lähedal ning $\mu _{0}$ = 4π×10⁻⁷ N·A⁻² on vaakumi magnetiline läbitavus.

Stabiilsus

Samuel Earnshaw teoreem tõestab, et püsimagneteid ei ole omavahel ega vastasmõjus para- või ferromagnetiliste materjalidega võimalik staatilises süsteemis stabiilselt hõljuma panna. Näiteks, tõstejõud kahe püsimagnetist magnetilise dipooli vahel on väga ebastabiilne. Mitte ükski magnetite omavaheline paigutus ei saa luua stabiilset süsteemi, sest magnetvälja kujust sõltuvalt saab hõljuv magnet liikuda küljelt küljele või end ümber pöörata.

Siiski on stabiilsust võimalik saavutada, kui kasutada servomehhanisme, diamagneetikuid, ülijuhte, pöörisvoolusid hõlmavaid süsteeme, pöördliikumist jne.

Meetodid

Pseudo-levitatsioon

Kui leviteerivale kehale panna ette mehaanilised piirded, mis takistavad keha liikumist külgsuundades, on võimalik saavutada pseudo-levitatsioon.

Maglev rong, mille levitatsioon saavutatakse EMS tehnoloogia abil

Servomehhanismid

Stabiilse süsteemi saavutamiseks on vaja kindlustada, et kõrvalekallete järel stabiilsest seisundist lükataks keha tagasi soovitud asukohta. Stabiilse magnetlevitatsiooni võib saavutada kasutades servomehhanismi, kus mõõdetakse hõljutatava objekti asukohta ja kiirust ning elektromagnetite abil korrigeeritakse pidevalt objekti paiknemist.

Mitmed süsteemid kasutavad magnetilist tõmbejõudu, et tõmmata objekte ülespoole, kuid kasutatakse ka tõukejõudu ning ka kombinatsioone mõlemast. Nende puhul on tegemist elektromagnetilise vedrustuse ehk EMS (electromagnetic supension) näidetega. EMS tehnoloogial põhinevad maglev rongid on ehitatud selliselt, et rongi alumised ääre-eendid kaarduvad sõiduraja alla ning rongi küljes olevad elektromagnetid tõmbavad rongi metallist "rööbaste" poole. Külgedel olevad juhtmagnetid hoiavad rongi külgsuunas stabiilselt ning aitavad rongil rada järgida. Servomehhanismid hoiavad seega rongi rajast ohutus kauguses.

Maglev rong, mille levitatsioon saavutatakse EDS tehnoloogia abil

Induktsioonivoolud

Elektrodünaamiline vedrustus ehk EDS (electrodynamic suspension) on magnetlevitatsiooni liik, mille puhul elektrijuhid on ajas muutuvas magnetväljas. See magnetväli indutseerib pöörisvoolud elektrijuhis, genereerides nõnda omakorda magnetvälja, mis tõmbab kahte keha üksteise poole või tõukab neid eemale.

EDS tehnoloogial põhinevate maglev rongide küljes on ülijuhid ning muutuv magnetväli genereeritakse voolu juhtimisega läbi poolide, mis kulgevad piki rada. Tõstejõu saavutamiseks peab rong liikuma. Selline süsteem on väga stabiilne, sest korrigeerib ise väiksemadki kõrvalekalded ja surub või tõmbab rongi tagasi omale kohale. Seega ei vaja selline süsteem servomehhanismi.

Induktsioonivoolu kasutab ka inductrack tehnoloogia, mida soovitakse rakendada nii maglev rongidel kui Hyperloop vaakumtranspordi süsteemis. Piki rada kulgevad passiivsed juhtmesilmused või metall-lehed, millest ei juhita voolu läbi. Rongi küljes on Halbachi järjestuses püsimagnetid. Halbachi järjestuse puhul on magnetid orienteeritud nõnda, et magnetväli on võimendatud ühes kindlas suunas.

Pürolüütilise süsiniku diamagnetiline levitatsioon neodüümmagneti kohal

Diamagnetiline levitatsioon

Earnshaw teoreem ei kehti diamagneetikute korral ning diamagnetiline levitatsioon võib olla väga stabiilne. Diamagneetikud tekitavad välises magnetväljas sellele vastu töötava magnetvälja ning välise magnetvälja ja materjali vahel tekib tõukumine. Diamagnetism on üldiselt üsna nõrk nähtus, kuid avaldub tugevamalt näiteks vismuti ja pürolüütilise grafiidi ning eriti tugevalt ülijuhtide korral (superdiamagnetism).

Kuna ka vee puhul domineerivad diamagnetilised omadused para- ja ferromagnetiliste omaduste üle, siis on tehtud katseid, kus hõljutatakse veetilku ning isegi väikeseid elusolendeid, nagu rohutirts, konn ja hiir. Selleks vajalik magnetvälja tugevus peab olema aga väga suur.

Diamagnetilise levitatsiooni miinimumkriteeriumiks on $B{\frac {dB}{dz}}=\mu _{0}\,\rho \,{\frac {g}{\chi }}$, kus:

• $\chi$ on magnetiline vastuvõtlikkus
• $\rho$ on materjali tihedus
• $g$ on raskuskiirendus
• $\mu _{0}$ on vaakumi magnetiline läbitavus
• $B$ on magnetiline induktsioon
• ${\frac {dB}{dz}}$ on magnetilise induktsiooni muutus vertikaalset telge pidi.

Ideaalsetes tingimustes:

• Vesi hõljub tingimusel $B{\frac {dB}{dz}}\approx 1400\ \mathrm {T^{2}/m}$
• Grafiit hõljub tingimusel $B{\frac {dB}{dz}}\approx 375\ \mathrm {T^{2}/m} .$

Elusa konna diamagnetiline leviteerimine (magnetvälja magnetinduktsioon on 16 teslat)

Pöördliikumisega stabiliseerimine

Levitroni vurr on näide pöördliikumisega stabiliseeritud levitatsioonist

Pöördliikumisega stabiliseeritud levitatsioon on nähtus, kus pöörlev magnet hõljub teise magneti kohal ning stabiilsus on saavutatud güroskoopilise efekti tõttu. Pöörlemine ei tohi olla aga liiga kiire ega liiga aeglane, et võimaldada vajalik pretsessioon.

Ajajoon

Shanghai Transrapid maglev kiirrong

• 1839 – Samuel Earnshaw teoreem tõestas, et elektrostaatiline levitatsioon ei saa olla stabiilne; hiljem kohandati teoreemi magnetostaatilise levitatsiooni jaoks
• 1912 – Emile Bachelet sai patendi elektromagnetilise vedrustuse süsteemi jaoks
• 1933 – Walther Meissner ja Robert Ochsenfeld avastasid superdiamagnetismi (Meissneri efekt)
• 1934 – Hermann Kemper sai patendi "ilma ratasteta monorelss-sõiduki" jaoks
• 1939 – Werner Braunbeck tõestas, et magnetlevitatsioon on võimalik diamagnetiliste materjalidega
• 1961 – James R. Powell ja Gordon Danby töötasid välja elektrodünaamilise levitatsiooni süsteemi
• 1969 – Transrapid EMS tehnoloogial põhinevate maglev rongide arendus
• 1970. aastad – Roy M. Harrigan avastas pöördliikumisega stabiliseeritud levitatsiooni
• 1984 – avati maailma esimene maglev transpordi liin Birminghami lennujaama ja raudteejaama vahel
• 1997 – Andre Geim teostas elusa konna peal diamagnetilise levitatsiooni
• 1999 – alustati tööd Inductracki tehnoloogia välja töötamiseks
• 2004 – maailma esimene avalik maglev kiirrong (Transrapid) alustab reise Shanghai kesklinna ja Pudongi lennujaama vahel
• 2005 – homopolaarsete elektrodünaamiliste laagrite arendus