Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:43 • sest 21:13 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 13:37 • Sest 06:11 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 02:59 • Síðdegis: 15:47 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 09:39 • Síðdegis: 21:50 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: í daglegu lífi

Hvernig nýtast segulkraftar til að létta á lestum, minnka viðnám og auka hraðann? Hver er eðlisfræðin að baki?

Viðar Guðmundsson

Við höfum öll leikið okkur að seglum og komist að því að sumir málmar dragast að segli og sumir þeirra seglast. Þeir málmar sem seglast, það er að segja verka sem segull eftir að upphaflegi segullinn er tekinn í burtu, eru kallaðir járnseglandi (e. ferromagnetic). Málmar sem ekki halda segluninni en dragast þó að segli eru kallaðir meðseglandi (paramagnetic). Til viðbótar er allt efni í raun mótseglandi (diamagnetic), en sá fráhrindikraftur er venjulega veikari en kraftarnir vegna meðseglunar eða járnseglunar ef þeir eru fyrir hendi á annað borð. Til eru enn flóknari flokkar segulvirkra efna sem ekki verða nefndir hér.

Sígild eðlisfræði getur ekki útskýrt seglunareiginleika efna. Til þess þarf að beita skammtafræði tuttugustu aldar, sérstaklega fyrir járn- og mótseglun.

Mótseglun efna er mismunandi. Ofurleiðari er fullkominn mótsegull. Sé honum komið fyrir í segulsviði myndast hringrafstraumar sem skapa eigið segulsvið á móti ytra segulsviðinu. Inni í ofurleiðaranum er því ekkert heildarsegulsvið. Við þetta myndast fráhrindikraftar milli ofurleiðarans og segulsins. Því er hægt að láta smáan ofurleiðara svífa kyrrstæðan í lausu lofti fyrir ofan nægjanlega sterkan segul.

Allt efni er mótseglandi en miklu verr en ofurleiðari að jafnaði. Þetta hefur verð sannreynt með því að láta frosk svífa í segulsviði, sjá þessa vefsíðu frá stofu til rannsókna á sterku segulsviði við Háskólann í Nijmegen í Hollandi. Til þess þurfti mjög sterkt segulsvið sem búið er til með rafsegli.

Venjulegur rafsegull getur verið spóla úr leiðandi rafmagnsvír. Styrkur segulsviðsins í henni fer eftir styrk straumsins sem sendur er um vafninga hennar. Til að búa til mjög sterka segla er notaður ofurleiðandi vír því að hann ber mikinn straum án viðnáms. Enn sterkari segla má smíða með því að koma venjulegum rafsegli fyrir utan ofurleiðandi spólu. Slíkir seglar þurfa mjög öfluga vatnskælingu vegna mikillar varmamyndunar í vafningunum á venjulega seglinum.

Við sjáum nú að lest má lyfta á mismunandi hátt, samanber ýmsa valkosti sem fjallað er um á þessu vefsetri um nýmæli í flutningatækni frá Háskólanum í Washingtonríki. Nota má ofurleiðandi segla, venjulega rafsegla, og eða brautarteina með segulspólum, ofurleiðandi eða venjulegum, samanber þessa vefsíðu um segulyftingu (magnetic levitation) hjá Rannsóknastofnun í járnbrautatækni í Tokyo. Í öllum tilvikum er lestinni haldið örfáum sentímetrum frá brautinni. Manni gæti því dottið í hug að lestin þyrfti yfirleitt aðeins að vinna gegn loftmótstöðu, og síðan gegn þyngdarkraftinum þegar hún fer upp í móti. Þetta er þó ekki alveg svo einfalt því að breytingin í segulsviðinu þegar lestin sjálf fer um tiltekinn brautarkafla veldur tímaháðum spanrafstraumum sem leiða til segulviðnáms og nokkurrar mótstöðu gegn hreyfingunni.

Brautir segullesta eru óhemju dýrar og þær eiga í harðri samkeppni við æ betri hefðbundnar hraðlestir á hjólum. Hefðbundnu lestirnar munu án vafa hafa meiri burðargetu en segullestir, en væntanlega mun segullest geta náð meiri hraða. Litlar tilraunalestir sem nýta segullyftingu hafa náð rúmlega 500 km hraða á klukkustund.



Mynd af segli milli fingurgóma: University of Nijmegen: High Field Magnet Laboratory

Mynd af froskinum svífandi: University of Nijmegen: High Field Magnet Laboratory

Mynd af lest: MAGLEV

Höfundur

Viðar Guðmundsson

Viðar Guðmundsson

prófessor í eðlisfræði við HÍ

Útgáfudagur

5.12.2001

Spyrjandi

Ívar Hafliðason

Efnisorð

Tilvísun

Viðar Guðmundsson. „Hvernig nýtast segulkraftar til að létta á lestum, minnka viðnám og auka hraðann? Hver er eðlisfræðin að baki?“ Vísindavefurinn, 5. desember 2001. Sótt 18. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=1991.

Viðar Guðmundsson. (2001, 5. desember). Hvernig nýtast segulkraftar til að létta á lestum, minnka viðnám og auka hraðann? Hver er eðlisfræðin að baki? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=1991

Viðar Guðmundsson. „Hvernig nýtast segulkraftar til að létta á lestum, minnka viðnám og auka hraðann? Hver er eðlisfræðin að baki?“ Vísindavefurinn. 5. des. 2001. Vefsíða. 18. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=1991>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvernig nýtast segulkraftar til að létta á lestum, minnka viðnám og auka hraðann? Hver er eðlisfræðin að baki?
Við höfum öll leikið okkur að seglum og komist að því að sumir málmar dragast að segli og sumir þeirra seglast. Þeir málmar sem seglast, það er að segja verka sem segull eftir að upphaflegi segullinn er tekinn í burtu, eru kallaðir járnseglandi (e. ferromagnetic). Málmar sem ekki halda segluninni en dragast þó að segli eru kallaðir meðseglandi (paramagnetic). Til viðbótar er allt efni í raun mótseglandi (diamagnetic), en sá fráhrindikraftur er venjulega veikari en kraftarnir vegna meðseglunar eða járnseglunar ef þeir eru fyrir hendi á annað borð. Til eru enn flóknari flokkar segulvirkra efna sem ekki verða nefndir hér.

Sígild eðlisfræði getur ekki útskýrt seglunareiginleika efna. Til þess þarf að beita skammtafræði tuttugustu aldar, sérstaklega fyrir járn- og mótseglun.

Mótseglun efna er mismunandi. Ofurleiðari er fullkominn mótsegull. Sé honum komið fyrir í segulsviði myndast hringrafstraumar sem skapa eigið segulsvið á móti ytra segulsviðinu. Inni í ofurleiðaranum er því ekkert heildarsegulsvið. Við þetta myndast fráhrindikraftar milli ofurleiðarans og segulsins. Því er hægt að láta smáan ofurleiðara svífa kyrrstæðan í lausu lofti fyrir ofan nægjanlega sterkan segul.

Allt efni er mótseglandi en miklu verr en ofurleiðari að jafnaði. Þetta hefur verð sannreynt með því að láta frosk svífa í segulsviði, sjá þessa vefsíðu frá stofu til rannsókna á sterku segulsviði við Háskólann í Nijmegen í Hollandi. Til þess þurfti mjög sterkt segulsvið sem búið er til með rafsegli.

Venjulegur rafsegull getur verið spóla úr leiðandi rafmagnsvír. Styrkur segulsviðsins í henni fer eftir styrk straumsins sem sendur er um vafninga hennar. Til að búa til mjög sterka segla er notaður ofurleiðandi vír því að hann ber mikinn straum án viðnáms. Enn sterkari segla má smíða með því að koma venjulegum rafsegli fyrir utan ofurleiðandi spólu. Slíkir seglar þurfa mjög öfluga vatnskælingu vegna mikillar varmamyndunar í vafningunum á venjulega seglinum.

Við sjáum nú að lest má lyfta á mismunandi hátt, samanber ýmsa valkosti sem fjallað er um á þessu vefsetri um nýmæli í flutningatækni frá Háskólanum í Washingtonríki. Nota má ofurleiðandi segla, venjulega rafsegla, og eða brautarteina með segulspólum, ofurleiðandi eða venjulegum, samanber þessa vefsíðu um segulyftingu (magnetic levitation) hjá Rannsóknastofnun í járnbrautatækni í Tokyo. Í öllum tilvikum er lestinni haldið örfáum sentímetrum frá brautinni. Manni gæti því dottið í hug að lestin þyrfti yfirleitt aðeins að vinna gegn loftmótstöðu, og síðan gegn þyngdarkraftinum þegar hún fer upp í móti. Þetta er þó ekki alveg svo einfalt því að breytingin í segulsviðinu þegar lestin sjálf fer um tiltekinn brautarkafla veldur tímaháðum spanrafstraumum sem leiða til segulviðnáms og nokkurrar mótstöðu gegn hreyfingunni.

Brautir segullesta eru óhemju dýrar og þær eiga í harðri samkeppni við æ betri hefðbundnar hraðlestir á hjólum. Hefðbundnu lestirnar munu án vafa hafa meiri burðargetu en segullestir, en væntanlega mun segullest geta náð meiri hraða. Litlar tilraunalestir sem nýta segullyftingu hafa náð rúmlega 500 km hraða á klukkustund.



Mynd af segli milli fingurgóma: University of Nijmegen: High Field Magnet Laboratory

Mynd af froskinum svífandi: University of Nijmegen: High Field Magnet Laboratory

Mynd af lest: MAGLEV

...