Po Kosmosu na magnetnim silama

[Bred]

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