Co je to elektromagnetická levitace? K čemu slouží?
Slyšeli jste už někdy o vlacích Maglev v Japonsku nebo o Transrapidu v Evropě? Znáte vlaky s magnetickou levitací? Jsou to vlaky, které díky magnetickému poli „levitují“ nad kolejemi. Chcete-li se dozvědět více, v tomto článku najdete vše, co potřebujete vědět o elektromagnetické levitaci a o její roli v světě kolem nás. Prohlédněte si také naši kolekci magnetických glóbů, které využívají stejnou energii.
Porozumění elektromagnetické levitaci
Ve fyzice a přírodních vědách existují dva základní koncepty principu levitace: elektromagnetický koncept, který je generován regulovanými elektromagnety, a elektrodynamický koncept, který je založen na silách indukovaných proudů. Elektromagnetická levitace je definována jako mechanismus umožňující levitaci objektu pomocí magnetického pole. Elektromagnetické síly působící na tento objekt mu umožňují vyvážit jeho vlastní hmotnost a vznášet se, aniž by spadl.
Konkrétněji řečeno, objekt se nachází ve stavu elektromagnetické levitace, když se vznáší nad magnetickou podložkou, aniž by s ní byl v kontaktu. Svislá síla směřující zdola nahoru vyvažuje hmotnost tohoto objektu/tělesa. Konkrétními příklady elektromagnetické levitace jsou vlaky Transrapid v Německu nebo v Šanghaji. Naproti tomu japonské vlaky Maglev využívají elektrodynamickou levitaci.
Jak funguje elektromagnetická levitace?
Elektromagnetická levitace je možná díky magnetickým silám. Abychom tomu porozuměli, musíme nejprve vědět, jak fungují magnety. Je to velmi jednoduché! Vycházejme z principu, že magnet může přitahovat nebo odpuzovat feromagnetické materiály v závislosti na uspořádání pólů. Severní a severní póly se přitahují a severní a jižní póly se odpuzují.
Magnetický mechanismus nastává, když jsou magnety střídavě aktivovány (přitahují se a odpuzují). Gravitace působící na levitující předmět je těmito silami kompenzována. To umožňuje udržovat konstantní vzdálenost mezi předmětem a zemí, čímž se zabrání tření. Tento bez tření mechanismus navíc umožňuje rychlejší pohyb vpřed. K aktivaci systému elektromagnetické levitace nebo vznášení se používají elektromagnety a supravodiče.
Elektromagnety
Elektromagnet je magnet napájený elektrickým proudem. Umožňuje přeměnit elektrickou energii na magnetickou. K tomu je magnet tvořen jádrem z magnetického železa obklopeným cívkou z vodivého drátu. Magnetické pole vzniká při průchodu elektrického proudu elektromagnetem. Díky tomuto principu disponuje elektromagnet silnou mechanickou přitažlivou silou. Z tohoto důvodu se používá v elektromagnetické levitaci.
Supravodiče
Supravodiče jsou materiály schopné dokonale vést elektrický proud bez odporu a bez ztráty energie. Jedná se o jev supravodivosti. Ten je umožněn ochlazením materiálu, čímž se odstraní veškerý elektrický odpor.
Jev supravodivosti, který v roce 1911 objevil nizozemský fyzik Heike Kamerlingh Onnes, zůstává i dnes výjimečným objevem. O to více, že supravodiče disponují navíc výjimečnými magnetickými vlastnostmi. Mohou tak bez problémů levitovat pod magnetem.
K čemu slouží elektromagnetická levitace?
Jak jste si již jistě všimli výše, elektromagnetická levitace umožňuje udržet předmětve vzduchu nad magnetizovaným povrchem, aniž by se dotýkaly. Kromě toho však tento mechanismus také umožňuje zrychlit pohybující se objekt. Právě proto se elektromagnetická levitace nejčastěji využívá v železniční dopravě, zejména k pohonu a levitaci vlaků, jako je německý Transrapid nebo šanghajský Transrapid.
Vlak s elektromagnetickým vznášením
Vlak s elektromagnetickou levitací levituje výhradně díky přitažlivosti pólů. K tomu je vybaven elektromagnety umístěnými na spodní části, rovnoběžně s kolejnicemi. Kolejnice jsou rovněž opatřeny válcovanými železnými tyčemi, které přicházejí do styku s elektromagnety.
Vzniká tak elektromagnetické pole, aniž by se elektromagnety a železné tyče dotýkaly. Vlak navíc levituje (tj. nedotýká se kolejnic). Pohybuje se rychlostí až 150 km/h.
Výhody vlaků s elektromagnetickou levitací
Pokud je dnes elektromagnetická levitace ve vlacích tak rozšířená, je to zejména proto, že má několik výhod:
- Tento mechanismus umožňuje vlakům pohybovat se vysokou rychlostí.
- Umožňuje také snížit hluk způsobený průjezdem vlaků po kolejích (vzhledem k tomu, že levitující vlak se kolejí nedotýká).
- Jedná se o čistý a méně znečišťující systém: vlak s elektromagnetickým vznášením nevypouští kouř a spotřebovává jen málo energetických zdrojů. Díky supravodičům dochází k minimálním emisím a ztrátám elektřiny.
- Aerodynamický odpor a rychlost vlaků nezpůsobují žádné škody na ekosystému.
Na druhou stranu je realizace tohoto konceptu stále velmi nákladná. To je důvod, proč na světě existuje jen velmi málo vlaků s elektromagnetickou levitací.