Proč to nespadne - magnetická levitace 1.díl

Ve Sluneční soustavě je dost míst, kde může probíhat magnetická levitace zadarmo, bez dodávání energie.

V čtvrtém dílu sci-fi povídky Měsíční tvář se seznamujeme se zařízením na umělou gravitaci, kde probíhá rehabilitace měsíčních kosmonautů odvyklých normálnímu tíhovému zrychlení. Není to žádný zázračný přístroj, jedná se vlastně o pomalu zrychlující centrifugu, ve které pacienti žijí, dokud znovu nepřivyknou normální tíze.

Z mechanických důvodů nemůže být tak obrovské zařízení realizováno jako kolotoč s pevnou osou, spíše jde o vlak na klopené dráze. Aby bylo dosaženo minimálního tření, drží se nad povrchem pomocí magnetické levitace. Ve vakuu a v prostředí měsíční noci, kdy je materiál dráhy přirozeným způsobem podchlazen až za bod supravodivosti, jezdí vlak prakticky zadarmo.

Vlak prohánějící se po měsíčním povrchu je zatím opravdu jen námět do sci-fi povídky. Principy magnetické levitace však ne, využívají se již v současnosti na Zemi. Jak je vůbec možné pomocí magnetu vzdorovat gravitaci a jak k tomu využít supravodivost je námětem následujícího článku.

Kdo by se v dětství nepokusil nechat vznášet se obyčejný magnet. Není třeba velkých znalostí, aby nás napadly hned dva způsoby, jak toho docílit. Zaprvé můžeme do výšky připevnit jeden magnet a druhý umístit pod něj tak, aby se jeho tíhová síla a přitahování k hornímu magnetu vyrušily. Musí přece existovat rovnovážná poloha, kde je výslednice sil nulová. Zkusili jste to? Určitě se to nepovedlo. Ta rovnovážná poloha existuje, ale je asi tak vratká, jako byste se pokoušeli postavit dvě jehly na sebe.

Druhý způsob vypadá nadějněji. Magnety se přece mohou i odpuzovat. Což tak jeden z nich položit na zem a druhý umístit souhlasným pólem nad něj? Takové uspořádání si rovnovážnou polohu vyhmátne samo. Je tu však jiná potíž, horní magnet sklouzne stranou, nebo se okamžitě přetočí nesouhlasným pólem dolů a bleskurychle se přitáhne.

Můžeme zkoušet mnoho modifikací experimentu, nikdy nenalezneme stabilní řešení. Mimoděk jsme objevili tzv. Earnshawovo pravidlo. Pan Earnshaw ho v roce 1842 dokázal pro elektrostatické síly, ale pro magnety platí také. Pravidlo je nekompromisní, pokud je magnetická levitace možná, pak jedině tehdy, když porušíme některou z jeho vstupních podmínek.

O to se můžeme pokusit třeba tak, že by byl jeden z magnetů aktivně řízený. Kdyby podle údajů z nějakých čidel měnil velikost a směr svého magnetického pole. Jistě by se takové zařízení sestavit dalo, ale je to zbytečné. Příroda sama podobný efekt nabízí.

Vzpomínáte ze školy, co se děje s drátěnou smyčkou, když kolem ní pohybujete magnetem? Začne jí procházet elektrický proud. Takhle se dá elektřina vyrábět ve velkém.

Bohužel se tato látka ve škole probírá tak rychle, že se dozvíme další fakta ještě dříve, než nám dojde, že tu něco nehraje. Podle Newtonových zákonů se přece jakékoli těleso, tedy i magnet, musí díky své setrvačnosti navěky pohybovat. Když přitom generuje v okololežících drátech elektrický proud, měla by být elektrická energie zadarmo. Jednoduchým experimentem založeném na prozkoumání složenek od energetických závodů zjistíme, že tomu tak není.

Vysvětlení je jednoduché. Magnet je v přítomnosti elektrického vodiče brzděn. To proto, že v elektrice je všechno symetrické. Nejen, že pohybující se magnet vybudí ve vodiči elektrický proud, ale elektrický proud procházející vodičem zase vybudí magnetické pole. To magnetické pole je vždy orientováno tak, že působí proti směru pohybu magnetu.

Možná by se nám podařilo navrhnout z principu nesprávný, ale zato názorný model, ve kterém by byl magnet spojen převody a táhly se všemi elektrony ve vodiči. Pohyb magnetu by se převodem přenášel na všechny ty nosiče náboje, jejichž pohyb tvoří elektrický proud. Je zřejmé, že elektrické náboje přes ta všechna táhla působí zpátky na magnet a zpomalují ho.

Pro nás je nyní nejdůležitější poznatek, že se magnet v přítomnosti vodičů pohybuje obtížněji, než nemagnetické těleso. Položíme-li na zem drátěnou smyčku a necháme-li do ní padat magnet, bude jeho pád zpomalen.

Chceme ještě více zpomalit? Přidáme ještě jednu soustřednou smyčku. Nebo více smyček. Můžeme jimi vyplnit celou plochu, až nám dojde, že nemusíme ztrácet čas s drátem a použijeme rovnou plech. Magnetické pole v něm už samo vidí nekonečně mnoho tenkých vodivých smyček, kterými protékají proudy. Těmto proudům se říká vířivé proudy.

Dokázaly by vířivé proudy vytvořit takové magnetické pole, které zadrží padající magnet? Co se týče směru, není pochyb. Ukázali jsme si, že magnetické pole vířivých proudů je vždy orientováno proti změně vnějšího magnetického pole. S otázkou velikosti pole je to složitější. Měla by stačit, ale ze zkušenosti víme, že když pustíme magnet na plech, tak vždy dopadne.

Až do teď jsme uvažovali ideální případ. Pokus, ve kterém jsme zanedbávali elektrický odpor vodiče. Ve skutečnosti musí být vířivé proudy neustále přiživovány měnícím se magnetickým polem, jinak rychle klesnou na nulu, odpudivá síla přestane působit a magnet opět začne padat. Padající magnet sice vybudí další proudy, ale ty opět rychle zanikají, a tak jediné, co snad zaznamenáme, je poněkud zpomalený pád magnetu.

Čím bude elektrický odpor materiálu menší, tím déle vířivé proudy vydrží. Ve chvíli, kdy použijeme supravodivý materiál, proudy nezaniknou vůbec a s nimi ani jejich magnetické pole. Supravodič se vlastně stává permanentním magnetem, který je přesně nastaven tak, že udrží druhý magnet ve vzduchu.

Běžně se tento jev vysvětluje pomocí pojmů diamagnetismus a vytlačování magnetických siločar. To jsou vysvětlení správná a možná i názornější, vyžadují však víru v to, že siločáry jsou schopny něco vytlačovat. Opravdový fyzik samozřejmě bez důkazu nevěří, vytlačování magnetických silokřivek je jev odvoditelný, nicméně přesahuje rámec tohoto povídání.

Článek začínal slovy, že jsou ve Sluneční soustavě místa, kde by byla levitace zadarmo. Toto tvrzení souvisí právě se snadnou dosažitelností nízké teploty, která je dodnes pro supravodivost nezbytná. Jak konkrétně supravodivost vzniká, si povíme příště.

Vířivé proudy nejsou jen nepatrný fenomén sotva měřitelný v laboratoři. Kyvadlo s magnetem se kývá téměř bez odporu, dokud pod něj laborant nepodloží hliníkovou destičku. Vířivé proudy zastaví kývání během prvních pár kyvů.