Magnetická levitace

16. srpen 2013 | 06.00 |

Jednou z aplikací supravodičů je supravodivá levitace. Připomíná to situaci se dvěma permanentními magnety, které jsou umístěny navzájem souhlasnými póly nad sebou. Magnet nahoře se díky odpuzujícím silám dokáže malou chvíli vznášet nad tím spodním.  Při nejbližší příležitosti se však převrátí k dolnímu magnetu opačným pólem a je k němu rychle přitažen. Tato levitace magnetů je totiž nestabilní. Vydrží jen tehdy, když mají například oba magnety otvory, kterými je navlékneme na dřevěnou tyčinku nebo oba magnety vložíme do trubice, která by zabránila jejich otočení. Při  supravodivé levitaci je však princip vznášení zcela jiný. Využívá elektromagnetické indukce supravodiče a jeho nulového měrného odporu. Na rozdíl od odpuzování mezi dvěma magnety, ke kterému dochází pouze, jsou-li natočeny souhlasnými póly, v případě magnetu a supravodiče dochází k odpuzování nezávisle na natočení magnetu.

Typickým příkladem elektrických vodičů jsou kovy. Průchodem elektrického proudu vodičem vzniká teplo, které se zvětšuje s narůstajícím proudem ve vodiči a také je velké díky  velké hodnotě  měrného elektrického odporu vodiče. Využívá se toho například u topných spirál, které jsou vyráběny ze slitin kovů jako například konstantan, nikelin nebo nichrom. Kovy s malým měrným elektrickým odporem (např. stříbro, měď, stříbro apod.) se zase používají jako výborné elektrické vodiče. I když mají svůj měrný elektrický odpor poměrně nízký, stačí to však k tomu, aby se v něm ztratila ve formě tepla až třetina procházející elektrické energie. Pro je účelné hledat vodiče, které by měly hodnotu měrného elektrického odporu nepatrnou. Tímto materiálem je pak supravodič, což je materiál, který při ochlazení pod určitou teplotu vykazuje nulový odpor při vedení elektrického proudu a dokonale vytěsňuje magnetického pole ze svého objemu.

Problémem při hledání supravodivých materiálů jsou velmi nízké teploty, při kterých se začne supravodivost projevovat. Teplotu, při níž se určitý materiál stane supravodivým, označujeme jako kritickou teplotu, která je charakteristická pro daný materiál. Při postupném ochlazování materiálu, jeho měrný elektrický odpor postupně klesá a při kritické teplotě klesne prudce na nulový odpor. Pod hodnotou kritické teploty je už materiál supravodivý a neklade průchodu elektrického proudu žádný odpor. Když do cívky ze supravodivého materiálu přivedeme elektrický proud a pak odpojíme elektrický zdroj, může uzavřeným obvodem cívky cirkulovat beze změny i několik let. Protože průchodem proudu vodičem vzniká v jeho okolí magnetické pole, je supravodivá cívka zdrojem magnetického pole.

To je princip supravodivého magnetu, který se využívá všude tam, kde potřebujeme vysoké magnetické pole a máme k dispozici potřebné chladící médium.

Když do magnetického pole vložíme kovový materiál, tak v něm vždy vznikají vířivé stínící proudy, které se snaží odstínit vnější magnetické pole z objemu materiálu. S větší hodnotou měrného elektrického odporu produkují vířivé proudy v jednotkovém objemu mnohem větší teplo. V důsledku tepelných ztrát jsou pak tyto proudy utlumeny a magnetické pole pronikne do objemu materiálu.

Supravodič má však nulový měrný elektrický odpor a nulové tepelné ztráty tepelné ztráty. Jeho vložením do magnetického pole nedojde k utlumení indukovaných stínících proudů na jeho povrchu a vnější magnetické pole je uvnitř supravodiče dokonale odstíněno. Dochází k deformaci vnějšího pole v důsledku povrchových proudů.  

Při vložení materiálu (jehož teplota je vyšší než teplota kritická) do pole permanentního magnetu, se elektromagnetickou indukcí na jeho povrchu vybudí stínící proudy, které se však v důsledku konečného měrného odporu rychle utlumí a magnetické pole pronikne do objemu materiálu. Ochlazením tohoto materiálu pod jeho kritickou teplotu (například díky kapalnému dusíku) se stane supravodivým, nedojde ke změně magnetického pole v oblasti supravodiče, stínící proudy na jeho povrchu se proto nevybudí a magnetické pole v supravodiči "zamrzne" ve stavu, jaký byl před ochlazením.

Při zvýšení nebo snížení nebo změně orientace vnějšího magnetického pole, dojde k vybuzení stínících proudů na povrchu supravodiče, jejichž účinkem se supravodič snaží vykompenzovat danou změnu. Proto ať pohneme permanentním magnetem jakýmkoliv směrem, je magnet tažen zpět do své původní polohy. Levituje v pevné poloze, ze které není snadné uniknout. Magnet může levitovat nad supravodičem, ale také může i viset pod ním. Dokud je supravodič chlazen, je tento stav stálý. Vzájemná poloha magnetu a supravodiče je do té míry stabilní, že magnet unese i značnou zátěž.

Při umístění dokonale symetrického magnetu do vakua, kde není odpor prostředí, vzniká při roztočení magnetu ideální setrvačník, který se díky nízkým teplotám ve vesmíru využívá pro stabilizaci polohy družic.  Poněkud jinak se supravodivosti využívá u magneticky levitujícího vlaku nebo v urychlovačích částic.

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1 (2x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře