Ova jednostavna tehnika, poznata od
tridesetih godina 20. veka, nailazi na praktiènu primenu tek
danas. Na tragu novih propulzionih sistema kojima æe Sunèev
sistem biti sveden na prostor Evrope. Nauka ¾estoko ugro¾ava
magiju
Poznata osobina magneta da se njihovi raznoimeni polovi
privlaèe, a istoimeni odbijaju, odavno je navela nauènike da
pomisle na moguænost da se predmeti odr¾avaju u lebdeæem
stanju pomoæu magneta.
Ali, kod obiènih magneta to ne ide; svako
ko se kao dete igrao sa njima poku¹avajuæi da ih postavi da
“lebde” jedan iznad drugog, video je da oni veoma brzo gube
ravnote¾u. Ova njihova osobina je formulisana kao Ern¹oova
teorema jo¹ 1842. godine i ona predstavlja posledicu
fundamentalnih zakona kojima se opisuju elektricitet i
magnetizam.
Posledica Maksvelovih zakona
Pona¹anje magneta se mo¾e opisati pomoæu magnetskog
potencijala, koji je analogan potencijalnoj energiji. Svi
znamo da se u fizièkom svetu sva tela pona¹aju tako ¹to
nastoje da dospeju u taèku gde im je potencijalna energija
najmanja. Na primer, klatno mo¾e da se za trenutak uravnote¾i
u gornjem polo¾aju, ali je krajnje nestabilno i umiruje se tek
u donjem polo¾aju, u kome mu je potencijalna energija
najmanja.
Slièno je i sa magnetima. Magnet koji bi stabilno lebdeo
morao bi da bude sme¹ten u taèci sa najni¾im u potencijalom.
Ali, po¹to prema Maksvelovim jednaèinama magnetski potencijal
u odreðenoj taèci prostora mora da bude statistièka sredina
svih potencijala koje imaju okolni polo¾aji, ne postoji taèka
u prostoru u kojoj bi magnet mogao da dostigne minimum
energije. Po¹to je potencijal u bilo kojoj taèci statistièka
sredina, neke obli¾nje taèke æe uvek imati ni¾u energiju!
Promenljiva polja
Magnetska levitacija je stabilna kada je potencijalna
energija sistema na lokalnom minimumu, kao kad se kliker
umiri na dnu èinije (levo). Ali, Ern¹oova teorema,
zasnovana na Maksvelovim zakonima, ka¾e da nije moguæe
da se stvori trajno magnetsko polje koje ima minimalni
potencijal u bilo kojoj taèci prostora. Najvi¹e ¹to je
moguæe jeste da se postigne potencijal u obliku sedla
(slika desno). Zato je odavno bilo jasno da statièko
magnetno polje ne mo¾e da omoguæi stabilno lebdenje.
Ipak, fenomen dijamagnetizma omoguæuje da na jednostavan
naèin menjamo odr¾avajuæe magnetno polje, pa da tako
zaobiðemo delovanje Ern¹oovog principa.
In¾injeri su, naravno, poku¹ali da “zaobiðu” Ern¹oovu
teoremu kori¹æenjem promenljivih magnetnih polja, na koja se
ona ne odnosi. Da bi se neki predmet odr¾ao u lebdeæem stanju,
koristi se sistem senzora koji odreðuje polo¾aj lebdeæeg
predmeta i prilagoðava magnetsko polje u kome se on nalazi da
bi ga odr¾alo u lebdeæem polo¾aju. Ovaj metod je decenijama
kori¹æen za eksperimentalne vozove koji bi se kretali na
osnovu magnetske levitacije. Ali, ovi sistemi su veoma
komplikovani i tro¹e mnogo energije, ¹to ne dozvoljava da se
lako praktièno primene.
Nemaèki fizièar Verner Braunbek je demonstrirao pogodniji
naèin jo¹ 1939. godine, koristeèi tzv. dijamagnet. Svi
magnetski materijali se dele u tri grupe: feromagnete,
paramagnete i dijamagnete. Predmeti od feromagnetskog
materijala, kao ¹to je gvo¾ðe, mogu da se trajno namagneti¹u i
tako “prilepe” za neki drugi materijal, npr. vrata fri¾idera.
Paramagneti, na primer mineral biotit, postaju namagnetisani
samo kada su izlo¾eni spolja¹njem magnetnom polju. Trajni
magneti ih privlaèe, pa zato oni ne re¹avaju praktièni problem
lebdenja.
Dijamagneti se, meðutim, pona¹aju drugaèije: oni odbijaju
trajne magnete i tako omoguæavaju da dijamagnet postavljen nad
trajnim magnetom lebdi (obrnuto nije moguæe)!
Magnetsko polje elektrona
Ova osobina dijamagneta mo¾e se objasniti jednostavnim
modelom koji predstavlja elektrone kako kru¾e oko jezgra.
Po¹to predstavljaju naelektrisanje u kretanju, elektroni
stvaraju odreðeno magnetsko polje (slièno kao kada elektrièna
struja prolazi kroz kru¾ni provodnik). Polja koja stvaraju
elektroni su sluèajno usmerena i u ukupnom zbiru se meðusobno
poni¹tavaju, tako da ne stvaraju spolja¹nje magnetsko polje.
Ali, kada se izlo¾e spolja¹njem magnetskom polju, elektroni
ubrzavaju ili usporavaju, da bi se suprotstavili promeni
magnetskog polja unutar svojih orbita (to je delovanje
Lencovog zakona na atomskom nivou). Ukupni efekat je
indukovano magnetno polje koje se suprotstavlja spolja¹njem
polju, ¹to dovodi do odbojne sile na makronivou.
Da dijamagneti mogu da lebde nad trajnim magnetom,
demonstrirao je Braunbek jo¹ 1939. Ali, praktièna primena
njegovog pronalaska postala je moguæa tek kada su 90-tih
godina 20. veka u ¹iroku upotrebu u¹li moæni magneti od
neodimijuma, otkriveni 80-tih godina. Oni dijamagnetsku
levitaciju danas èine veoma lakom.
Tehnièki problem uravnote¾enja lebdeæeg magneta re¹ava se
pomoæu sna¾nih magnetnih polja; vrtlo¾ne elektriène struje
koje se javljaju kada se trajni magnet naðe blizu elektriènog
provodnika zapravo se neutrali¹u tako ¹to se vi¹ak energije
emituje u obliku toplote.
Me¾utim, vrtlo¾ne struje izazivaju jedan drugi fenomen:
omoguæavaju da lebdeæi dijamagnet brzo rotira! Ovo je pokazao
Robert Voldron 1966, kada je odr¾ao grafitni prsten u lebdeæem
stanju, i pri tom uèinio da on satima rotira brzinom od 100
obrtaju i minutu!
Teorijski gledano, ako bi se prsten prekrio toplotnom
izolacijom, ¹to bi spreèavalo da se vrtlo¾ne struje pretvaraju
u toplotu, on bi praktièno, ali u vakumu, mogao da rotira
mesecima, pa èak i godinama!
Lebdeæi mini-roboti
Laka praktièna primena dijamagnetske levitacija otvara
nesluæene praktiène perspektive. Pored primene za ¹inska
vozila, koja zapravo lebde na “magnetnom jastuku”, in¾enjer
Ronald Pelrin sa Masaèusets tehnolo¹kog instituta do¹ao je na
ideju da na tom principu konstrui¹e minijaturne robote, velike
samo nekoliko santimetara, koji bi veloma brzo mogli da
izraðuju mikrokomponente potrebne za razne savremene ureðaje i
po veoma niskoj ceni! Na tako male robote se dosad nije ni
pomi¹ljalo, jer, da bi mogli da autonomno funkcioni¹u, moraju
da nose prilièno veliki energetski izvor, da se daljinski
kontroli¹u, da poseduju sistem navigacije itd, a pored toga,
ma koliko da su glatke povr¹ine po kojima klize, trenje
postoji i dovodi do velikog gubitka energije.
Ali, ako bi lebdeli u magnetskom polju, bilo bi relativno
lako da se njima upravlja pomoæu spolja¹njih promena
magnetskog polja, ¹to ovu ideju po prvi put èini praktièno
ostvarivom.
Time se otvaraju nesluæene moguænosti razvoja novih
propulzionih sistema, daleko efikasnijih, sa veæom snagom, a
manjim utro¹kom energije. ®eleznièari su veæ namirisali dobar
posao - Japan i Francuska koriste sliène sisteme, a jedan od
prioritetnih planova NASA je projekat izgradnje nove letelice
za Mars zasnovane na razvoju primene lasera, magnetnog i
gravitacionog polja. S obzirom na trenutne probleme u
eksploataciji klasiènih goriva za raketne sisteme, nauènici
veruju da æe put do zvezda biti znatno skraæen veæ u narednih
pet godina.
Pripremio: Goran Bojiæ