Mitä on sähkömagneettinen leijunta? Mihin sitä käytetään?
Oletko koskaan kuullut Japanin Maglev-junista tai Euroopan Transrapid-junista? Tiedätkö, mitä magneettilevitaatiojunat ovat? Ne ovat junia, jotka ”leijuvat” kiskoilla magneettikentän avulla. Jos haluat tietää lisää, löydät tästä artikkelista kaiken, mitä sinun tarvitsee tietää sähkömagneettisesta leijumisesta ja sen merkityksestä ympäröivässä maailmassa. Tutustu myös magneettisten maapallojen valikoimaamme, jossa hyödynnetään tätä samaa energiaa.
Sähkömagneettisen leijumisen ymmärtäminen
Fysiikassa ja luonnontieteissä on kaksi peruskonseptia leijumisen periaatteesta: sähkömagneettinen konsepti, joka syntyy säädetyistä sähkömagneeteista, ja sähködynaaminen konsepti, joka perustuu indusoituneiden virtojen voimiin. Sähkömagneettinen leijunta määritellään mekanismiksi, jonka avulla esine voidaan saada leijumaan magneettikentän avulla. Esineeseen vaikuttavat sähkömagneettiset voimat antavat sille kyvyn vastustaa omaa painoaan ja leijua putoamatta.
Konkreettisemmin sanottuna esine on sähkömagneettisessa leijuntatilassa, kun se leijuu magneettisen alustan yläpuolella ilman kosketusta alustaan. Alhaalta ylöspäin suuntautuva pystysuora voima tasapainottaa esineen tai kappaleen painon. Transrapid-junat Saksassa ja Shanghaissa ovat konkreettisia esimerkkejä sähkömagneettisesta leijunnasta. Sen sijaan japanilaiset Maglev-junat käyttävät elektrodynamiikkaa.
Miten sähkömagneettinen leijunta toimii?
Sähkömagneettinen leijunta on mahdollista magneettisten voimien ansiosta. Sen ymmärtämiseksi on ensin tiedettävä, miten magneetit toimivat. Se on hyvin yksinkertaista! Lähdetään siitä, että magneetti voi vetää puoleensa tai työntää pois ferromagneettisia materiaaleja napojen asennon mukaan. Pohjoisnapa ja pohjoisnapa vetävät toisiaan puoleensa, ja pohjoisnapa ja etelänapa työntävät toisiaan pois.
Magneettinen mekanismi syntyy, kun magneetteja aktivoidaan vuorotellen (ne vetävät toisiaan puoleensa ja työntävät toisiaan pois). Näillä voimilla kompensoidaan leijuvassa esineessä vaikuttava painovoima. Tämä mahdollistaa vakion etäisyyden säilyttämisen esineen ja maanpinnan välillä, jolloin kitkaa ei synny. Tämän kitkattoman mekanismin ansiosta voidaan myös liikkua nopeammin. Sähkömagneettisen leijunta- tai kantovoimajärjestelmän aktivoimiseksi käytetään sähkömagneetteja ja suprajohteita.
Sähkömagneetit
Sähkömagneetti on sähkövirralla toimiva magneetti. Sen avulla sähköenergia voidaan muuntaa magneettiseksi energiaksi. Tätä varten magneetti koostuu magneettisesta rautaytimestä, jota ympäröi johtavasta langasta koostuva kela. Magneettikenttä syntyy, kun sähkövirta kulkee sähkömagneetin läpi. Tämän periaatteen ansiosta sähkömagneetilla on voimakas mekaaninen vetovoima. Siksi sitä käytetään sähkömagneettisessa leijunnassa.
Suprajohtimet
Suprajohtimet ovat materiaaleja, jotka pystyvät johtamaan sähkövirtaa täydellisesti ilman vastusta tai energiahukkaa. Tätä ilmiötä kutsutaan suprajohtavuudeksi. Se on mahdollista jäähdyttämällä materiaalia niin, että siitä poistuu kaikki sähköinen vastus.
Alankomaalaisen fyysikon Heike Kamerlingh Onnesin vuonna 1911 tekemä suprajohtavuuden ilmiön löytö on edelleen poikkeuksellinen saavutus. Etenkin kun suprajohtimilla on lisäksi poikkeuksellisia magneettisia ominaisuuksia. Niiden ansiosta ne voivat leijua ongelmitta magneetin alla.
Mihin sähkömagneettista leijumista käytetään?
Kuten olet varmasti jo edellä huomannut, sähkömagneettinen leijunta mahdollistaa esineen leijumisen magneettisen pinnan yläpuolella ilman, että ne koskettavat toisiaan. Mutta tämän mekanismin avulla voidaan myös nopeuttaa liikkuvan esineen vauhtia. Siksi sähkömagneettisen leijumisen pääasiallinen sovellusalue on rautatieliikenne, erityisesti junien, kuten saksalaisen Transrapidin tai Shanghain Transrapidin, propulsiossa ja leijuttamisessa.
Sähkömagneettinen leijujuna
Sähkömagneettisella levitaatiolla toimiva juna leijuu yksinomaan napojen vetovoiman avulla. Tätä varten sen pohjaan on sijoitettu sähkömagneetteja, jotka ovat yhdensuuntaiset kiskojen kanssa. Kiskoissa on puolestaan laminoidut rautatangot, jotka ovat kosketuksissa sähkömagneettien kanssa.
Tällöin syntyy sähkömagneettinen kenttä ilman, että sähkömagneetit ja rautapalkit koskettavat toisiaan. Lisäksi juna leijuu (eli se ei kosketa kiskoja). Sen huippunopeus voi olla jopa 150 km/h.
Sähkömagneettisen leijuntateknologian edut
Jos sähkömagneettinen leijunta on nykyään hyvin kehittynyt junissa, se johtuu erityisesti siitä, että sillä on useita etuja:
- Tämä mekanismi mahdollistaa junien liikkumisen suurilla nopeuksilla.
- Se vähentää myös junien kulusta kiskoilla aiheutuvaa meluhaittaa (koska leijuva juna ei kosketa kiskoja).
- Järjestelmä on puhdas ja vähemmän saastuttava: sähkömagneettisella levitaatiolla toimiva juna ei tuota savua ja kuluttaa vain vähän energiaa. Suprajohtimien ansiosta sähköhäviöt ja -tuhlaaminen ovat vähäisiä.
- Junien ilmanvastus ja nopeus eivät aiheuta vahinkoa ekosysteemille.
Toisaalta tämän konseptin toteuttaminen on edelleen erittäin kallista. Tästä syystä maailmassa on vain hyvin vähän sähkömagneettisella levitaatiolla toimivia junia.