Μαγνητική αιώρηση

Η σελίδα αυτή αφορά το φυσικό φαινόμενο.
Μαγνητική ανύψωση (Magnetic levitation), maglev, ή μαγνητική αιώρηση (magnetic suspension) είναι μια μέθοδος με την οποία ένα αντικείμενο αιωρείται χωρίς υποστήριξη πέρα από μαγνητικά πεδία. Η μαγνητική δύναμη χρησιμοποιείται για να εξουδετερώσει τις επιπτώσεις της επιτάχυνσης της βαρύτητας και οποιονδήποτε άλλων επιταχύνσεων.
Τα δύο κύρια θέματα που υπάρχουν στην μαγνητική αιώρηση είναι οι δυνάμεις ανύψωσης (lifting forces): που παρέχουν μια ανοδική δύναμη αρκετή να εξουδετερώσει τη βαρύτητα και η σταθερότητα: που εξασφαλίζει ότι το σύστημα δεν θα ολισθήσει ή δεν θα αναποδογυρίσει αυθόρμητα σε μια διαμόρφωση όπου η αιώρηση εξουδετερώνεται.
Η μαγνητική αιώρηση  χρησιμοποιείται για τα τρένα τύπου μαγνητικής αιώρησης (maglev)s, για ανέπαφη τήξη (contactless melting), για μαγνητικά έδρανα (ρουλεμάν) (magnetic bearings) και για σκοπούς εμφάνισης του προϊόντος.

Σταθερότητα

Το θεώρημα του Earnshaw αποδεικνύει ότι με τη χρήση μόνο παραμαγνητικών υλικών είναι αδύνατο ένα στατικό σύστημα να αιωρηθεί σταθερά ενάντια στη βαρύτητα.
Παραδείγματος χάρη, το πιο απλό παράδειγμα αιώρησης με δύο απλά απωθούμενα μαγνητικά δίπολα είναι ιδιαίτερα ασταθές, αφού ο επάνω μαγνήτης μπορεί να ολισθήσει πλάγια, ή να αναποδογυρίσει και αποδεικνύεται ότι καμιά διαμόρφωση μαγνητών δεν μπορεί να παράξει σταθερότητα.
Όμως, σερβομηχανισμοί (servomechanisms), η χρήση διαμαγνητικών υλικών, η υπεραγωγιμότητα, ή συστήματα που εμπεριέχουν ρεύματα Φουκό (eddy currents) επιτρέπουν την επίτευξη σταθερότητας.
Σε κάποιες περιπτώσεις η δύναμη αιώρησης παρέχεται από μαγνητική αιώρηση, αλλά η σταθερότητα παρέχεται από μια μηχανική υποστήριξη που φέρει μικρό φορτίο. Αυτό ορίζεται ως ψευδοαιώρηση (pseudo-levitation).

Στατική σταθερότητα

Στατική σταθερότητα σημαίνει ότι οποιαδήποτε μικρή μετατόπιση πέρα από τη σταθερή ισορροπία προκαλεί μια συνισταμένη δύναμη που το ωθεί πίσω στο σημείο ισορροπίας.
Το θεώρημα του Earnshaw απέδειξε οριστικά ότι δεν είναι δυνατή η σταθερή αιώρηση με τη χρήση μόνο στατικών, μακροσκοπικών πεδίων. Οι δυνάμεις που δρουν σε οποιοδήποτε παραμαγνητικό αντικείμενο σε οποιονδήποτε συνδυασμό των βαρυτικών, ηλεκτροστατικών και μαγνητοστατικών πεδίων θα καταστήσει τη θέση του αντικειμένου, στην καλύτερη περίπτωση, ασταθές σε έναν τουλάχιστον άξονα και μπορεί να βρεθεί σε ασταθή ισορροπία σε όλους τους άξονες. Όμως, υπάρχουν αρκετές πιθανότητες για να καταστεί η αιώρηση εφαρμόσιμη, παραδείγματος χάρη, η χρήση της ηλεκτρονικής σταθεροποίησης ή διαμαγνητικά υλικά (επειδή η σχετική μαγνητική διαπερατότητα είναι μικρότερη από ένα)· μπορεί να αποδειχθεί ότι τα διαμαγνητικά είναι σταθερά τουλάχιστον σε έναν άξονα και μπορεί να είναι σταθερά σε όλους τους άξονες. Οι αγωγοί μπορούν να έχουν μια σχετική διαπερατότητα σε εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία κάτω από ένα, έτσι κάποιες ρυθμίσεις χρησιμοποιούν απλούς ηλεκτρομαγνήτες με εναλλασσόμενο ρεύμα που σταθεροποιούνται από μόνοι τους.

Μέθοδοι

Για πετυχημένη αιώρηση και έλεγχο και των έξι αξόνων (βαθμοί ελευθερίας; 3 μεταφορικοί και 3 περιστροφικοί) ένας συνδυασμός από μόνιμους μαγνήτες και ηλεκτρομαγνήτες ή διαμαγνήτες ή υπεραγωγούς καθώς και ελκτικά και απωστικά πεδία μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Από το θεώρημα του Earnshaw τουλάχιστον ένας σταθερός άξονας πρέπει να είναι παρών ώστε το σύστημα να αιωρηθεί επιτυχώς, αλλά οι άλλοι άξονες μπορούν να σταθεροποιηθούν με τη χρήση σιδηρομαγνητισμού.
Οι κύριες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στα τρένα τύπου μαγνητικής αιώρησης είναι ηλεκτρομαγνητική αιώρηση σταθεροποιημένη με σερβομηχανισμό (servo-stabilized electromagnetic suspension ή EMS), ηλεκτροδυναμική αιώρηση (electrodynamic suspension ή EDS).

Μηχανικός περιορισμός (ψευδοαιώρηση)

Με έναν μικρό μηχανικό περιορισμό για σταθερότητα, η επίτευξη ψευδοαιώρησης είναι μια σχετικά απλή διαδικασία.
Αν δύο μαγνήτες είναι μηχανικά περιορισμένοι σε έναν μοναδικό άξονα, παραδείγματος χάρη, και τοποθετημένοι ώστε να αλληλοαπωθούνται πολύ ισχυρά, αυτό θα δράσει ώστε να αιωρήσει έναν από τους μαγνήτες πάνω από τον άλλον.
Μια άλλη γεωμετρία είναι όταν οι μαγνήτες έλκονται, αλλά περιορίζονται από το να εφάπτονται με ένα στοιχείο σε εφελκυσμό, όπως ένα  καλώδιο ή μια χορδή.
Ένα άλλο παράδειγμα είναι η φυγόκεντρος τύπου (Zippe-type centrifuge) όπου ένας κύλινδρος αιωρείται κάτω από έναν μαγνήτη έλξης και σταθεροποιείται από ένα βελονωτό έδρανο (ρουλεμάν) από κάτω.

Σερβομηχανισμοί

Η έλξη από ένα μαγνήτη σταθερής δύναμης μειώνεται με την αύξηση της απόστασης και αυξάνεται σε κοντινές αποστάσεις. Αυτό είναι ασταθές. Για ένα σταθερό σύστημα, χρειάζεται το αντίθετο, οι διακυμάνσεις από μια σταθερή θέση πρέπει να το γυρίζουν στην επιθυμητή θέση.
Η σταθερή μαγνητική αιώρηση μπορεί να επιτευχθεί μετρώντας τη θέση και την ταχύτητα του αιωρούμενου αντικειμένου και χρησιμοποιώντας έναν βρόχο ανάδρασης (feedback loop) που ρυθμίζει συνεχώς έναν ή περισσότερους ηλεκτρομαγνήτες για να διορθώνει την κίνηση του αντικειμένου, σχηματίζοντας συνεπώς έναν σερβομηχανισμό.
Πολλά συστήματα χρησιμοποιούν την μαγνητική έλξη για ώθηση προς τα πάνω αντίθετα προς τη βαρύτητα, επειδή αυτή δίνει κάποια έμφυτη πλευρική σταθερότητα, αλλά κάποια άλλα συστήματα χρησιμοποιούν έναν συνδυασμό μαγνητικής έλξης και άπωσης για την προς τα πάνω ώθηση.
Και τα δύο συστήματα αντιπροσωπεύουν παραδείγματα ηλεκτρομαγνητικής αιώρησης (EMS). Παραδείγματος χάρη, κάποιες επιδείξεις αιώρησης χρησιμοποιούν αυτήν την αρχή και το αντικείμενο αποκόπτει μια δέσμη φωτός για να μετρηθεί η θέση του αντικειμένου. Ο ηλεκτρομαγνήτης είναι πάνω από το αιωρούμενο αντικείμενο· ο ηλεκτρομαγνήτης απενεργοποιείται όποτε το αντικείμενο πλησιάζει υπερβολικά και επανεργοποιείται όταν απομακρύνεται. Ένα τέτοιο σύστημα δεν είναι πολύ δυνατό· υπάρχουν πολύ πιο αποτελεσματικά συστήματα ελέγχου, αλλά αυτό δείχνει τη βασική ιδέα.
Τα τρένα μαγνητικής αιώρησης (magnetic levitation train ή EMS) βασίζονται σε αυτό το είδος αιώρησης· το τρένο περιβάλλει την σιδηροτροχιά και ωθείται προς τα πάνω από κάτω. Ο σερβομηχανισμός ελέγχει την ασφαλή διατήρηση σε μια σταθερή απόσταση από τη σιδηροτροχιά.

Επαγωγικά ρεύματα

Αυτά τα σχήματα δουλεύουν λόγω της απώθησης που οφείλεται στο κανόνα του Λεντς. Όταν ένας αγωγός εμφανίζεται με χρονικά μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά ρεύματα σε μαγνητικό πεδίο, ο αγωγός μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να δημιουργήσει μαγνητικό πεδίο που προκαλεί απωστικά αποτελέσματα.
Αυτά τα είδη συστημάτων εμφανίζουν συνήθως μια εγγενή σταθερότητα, αν και απαιτείται, κάποιες φορές, επιπρόσθετη απόσβεση.

Σχετική κίνηση μεταξύ αγωγών και μαγνητών

Αν κάποιος μετακινήσει μια βάση που κατασκευάστηκε από έναν πολύ καλό ηλεκτρικό αγωγό όπως ο χαλκός, το αλουμίνιο ή ο άργυρος κοντά σε έναν μαγνήτη, επάγεται ένα δινορεύμα στον αγωγό που αντιτίθεται στις μεταβολές του πεδίου και δημιουργεί ένα αντίθετο πεδίο που απωθεί τον μαγνήτη (κανόνας του Λεντς). Με έναν πολύ υψηλό ρυθμό κίνησης, ένας αιωρούμενος μαγνήτης θα αιωρήσει το μέταλλο, ή αντίστροφα ένα αιωρούμενο μέταλλο θα αιωρήσει τον μαγνήτη. Το καλώδιο Λίτζ (Litz wire) παρασκευάζεται από καλώδιο πιο λεπτό από το επιδερμικό βάθος (skin depth) έτσι ώστε οι συχνότητες που εμφανίζονται από το μέταλλο να είναι πιο αποτελεσματικές από τους στερεούς αγωγούς.
Μια ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα περίπτωση τεχνολογικά εμφανίζεται όταν κάποιος χρησιμοποιεί μια διάταξη Halbach (Χάλμπακ) αντί για έναν μοναδικό πόλο μόνιμου μαγνήτη, επειδή αυτή η διάταξη σχεδόν διπλασιάζει την ένταση του πεδίου, που με τη σειρά του σχεδόν διπλασιάζει την ένταση των δινορευμάτων. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ο υπερτριπλασιασμός της δύναμης ανύψωσης. Η χρήση δύο αντίθετων διατάξεων Halbach αυξάνει την ένταση του πεδίου ακόμα παραπάνω.
Οι διατάξεις Χάλμπακ είναι κατάλληλοι επίσης στη μαγνητική αιώρηση και σταθεροποίηση των αξόνων των γυροσκοπίων, των ηλεκτρικών κινητήρων και των γεννητριών.

Ταλαντούμενα ηλεκτρομαγνητικά πεδία

Ένας αγωγός μπορεί να ανυψωθεί πάνω από έναν ηλεκτρομαγνήτη (ή αντίστροφα) αν ρέει από μέσα του ένα εναλλασσόμενο ρεύμα. Αυτό προκαλεί σε οποιονδήποτε κανονικό αγωγό να συμπεριφέρεται ως διαμαγνήτης, λόγω των δημιουργούμενων δινορρευμάτων στον αγωγό. Επειδή τα δινορρεύματα δημιουργούν τα δικά τους πεδία που αντιτίθενται στο μαγνητικό πεδίο, το αγώγιμο αντικείμενο απωθείται από τον ηλεκτρομαγνήτη και οι περισσότερες δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου δεν διεισδύουν πια στο αγώγιμο αντικείμενο.
Αυτό το φαινόμενο απαιτεί μη σιδηρομαγνητικά, αλλά πολύ αγώγιμα υλικά όπως αλουμίνιο ή χαλκό, επειδή τα σιδηρομαγνητικά υλικά έλκονται επίσης ισχυρά στον ηλεκτρομαγνήτη (αν και σε υψηλές συχνότητες το πεδίο μπορεί ακόμα να απωθείται) και τείνουν να έχουν μια πιο υψηλή ειδική αντίσταση δίνοντας χαμηλότερα δινορρεύματα. Και πάλι, τα καλώδια Λιτζ δίνουν τα καλύτερα αποτελέσματα.
Το φαινόμενο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφημιστικά κόλπα όπως η αιώρηση ενός τηλεφωνικού καταλόγου κρύβοντας έναν δίσκο αλουμινίου μέσα του.
Σε υψηλές συχνότητες (μερικές δεκάδες κιλοχέρτζ (kH) ) και ισχύ μερικών κιλοβάτ (kW) μικρές ποσότητες από μέταλλα μπορούν να ανυψωθούν και να λιώσουν χρησιμοποιώντας τήξη με αιώρηση (levitation melting) χωρίς τον κίνδυνο της μόλυνσης του μετάλλου από το χωνευτήρι.
Μια πηγή ταλαντούμενου μαγνητικού πεδίου που χρησιμοποιείται είναι ο γραμμικός επαγωγικός κινητήρας (linear induction motor). Αυτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αιώρηση και προώθηση.

Διαμαγνητικά σταθεροποιημένη αιώρηση

Το θεώρημα του Έρνσο (Earnshaw's theorem) δεν εφαρμόζεται σε διαμαγνήτες. Οι διαμαγνήτες συμπεριφέρονται αντίθετα από τους κανονικούς μαγνήτες επειδή η σχετική τους μαγνητική διαπερατότητα μᵣ είναι μικρότερη από 1 (δηλαδή αρνητική μαγνητική επιδεκτικότητα). Η διαμαγνητική αιώρηση μπορεί να είναι εγγενώς σταθερή.
Ένας μόνιμος μαγνήτης μπορεί να αιωρείται σταθερά με διάφορους συνδυασμούς ισχυρών μόνιμων μαγνητών και ισχυρών διαμαγνητών. Όταν χρησιμοποιούνται υπεραγώγιμοι μαγνήτες, η αιώρηση ενός μόνιμου μαγνήτη μπορεί ακόμα και να σταθεροποιηθεί με τον μικρό διαμαγνητισμό του νερού στα ανθρώπινα δάκτυλα.

Διαμαγνητική αιώρηση

Ο διαμαγνητισμός είναι η ιδιότητα ενός σώματος που του προκαλεί τη δημιουργία μαγνητικού πεδίου αντίθετα προς το εξωτερικά εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο, προκαλώντας συνεπώς την απώθηση του σώματος από τα μαγνητικά πεδία. Τα διαμαγνητικά υλικά προκαλούν την καμπύλωση προς τα έξω από το υλικό των γραμμών της μαγνητικής ροής. Ειδικά, ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο αλλάζει την τροχιακή ταχύτητα των ηλεκτρονίων γύρω από τους πυρήνες τους, που αλλάζει τη μαγνητική διπολική ροπή. Σύμφωνα με τον νόμο του Λέντζ , αυτό αντιτίθεται προς το εξωτερικό πεδίο. Οι διαμαγνήτες είναι υλικά με μαγνητική διαπερατότητα μικρότερη από μ₀ (μια σχετική διαπερατότητα μικρότερη από 1). Συνεπώς, ο διαμαγνητισμός είναι μια μορφή μαγνητισμού που εμφανίζεται από μια ουσία μόνο παρουσία εξωτερικά εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. Είναι γενικά ένα αρκετά ασθενές φαινόμενο στα περισσότερα υλικά, αν και οι υπεραγωγοί εμφανίζουν ένα ισχυρό φαινόμενο.

Υπεραγωγοί

Οι υπεραγωγοί μπορούν να θεωρηθούν τέλειοι διαμαγνήτες και απωθούν πλήρως τα μαγνητικά πεδία λόγω του  φαινομένου Μάισνερ όταν σχηματίζεται αρχικά η υπεραγωγιμότητα· συνεπώς η υπεραγώγιμη αιώρηση μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ιδιαίτερο στιγμιότυπο της διαμαγνητικής αιώρησης. Σε έναν υπεραγωγό τύπου ΙΙ, η αιώρηση του μαγνήτη σταθεροποιείται παραπέρα λόγω της αγκύρωσης ροής (flux pinning) μέσα στον υπεραγωγό· αυτό τείνει να σταματήσει τη μετακίνηση του υπεραγωγού ως προς το μαγνητικό πεδίο, ακόμα κι αν το αιωρούμενο σύστημα αντιστραφεί.
Αυτές οι αρχές αξιοποιούνται από την ηλεκτροδυναμική αιώρηση (Electrodynamic Suspension ή EDS), τα υπεραγώγιμα μαγνητικά  έδρανα (ρουλεμάν) (Magnetic bearing), τους σφονδύλους (flywheels), κλπ.
Απαιτείται ένα πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο για να αιωρηθεί ένα τρένο. Τα τρένα JR–Maglev έχουν υπεραγώγιμα μαγνητικά πηνία, αλλά η αιώρησή τους δεν οφείλεται στο φαινόμενο Μάισνερ.

Περιστροφική σταθεροποίηση

Ένας μαγνήτης ή μια κατάλληλα συναρμολογημένη διάταξη μαγνητών με δακτυλιοειδές πεδίο μπορεί να αιωρηθεί σταθερά ενάντια προς τη βαρύτητα όταν σταθεροποιηθεί  γυροσκοπικά με αγκύρωσή του σε ένα δεύτερο δακτυλιοειδές πεδίο που δημιουργήθηκε από μια βάση δακτυλίων μαγνητών. Όμως, αυτό δουλεύει μόνο όσο ο ρυθμός μετάπτωσης (precession) είναι μεταξύ και των δύο άνω και κάτω κρίσιμων ορίων—η περιοχή σταθερότητας είναι αρκετά στενή και από πλευράς χώρου και από πλευράς ρυθμού μετάπτωσης. Η πρώτη ανακάλυψη αυτού του φαινομένου ήταν από τον Roy M. Harrigan, ενός εφευρέτη από το Βέρμοντ που κατοχύρωσε μια συσκευή αιώρησης το 983 με βάση αυτό το φαινόμενο. Πολλές συσκευές που χρησιμοποιούν περιστροφική σταθεροποίηση (όπως το δημοφιλές παιχνίδι αιώρησης Levitron) έχουν αναπτυχθεί με βάση αυτήν την ευρεσιτεχνία. Μη εμπορικές συσκευές έχουν δημιουργηθεί για ερευνητικά εργαστήρια πανεπιστημίων, που χρησιμοποιούν γενικά μαγνήτες υπερβολικά ισχυρούς για ασφαλή δημόσια αλληλεπίδραση.

Ισχυρή εστίαση

Η θεωρία Έρνσο (Earnshaw's theory) εφαρμόζεται αυστηρά μόνο σε στατικά πεδία. Εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία, ακόμα και καθαρά εναλλασσόμενα ελκτικά πεδία, μπορούν να επάγουν σταθερότητα και να περιορίσουν μια τροχιά μέσω ενός μαγνητικού πεδίου για να δώσουν το φαινόμενο της αιώρησης.
Αυτό χρησιμοποιείται σε επιταχυντές σωματιδίων για να περιορίσουν και να ανυψώσουν φορτισμένα σωματίδια και έχει προταθεί, επίσης, για τρένα μαγνητικής αιώρησης.

Μεταφορές μαγνητικής αιώρησης

Η μαγνητική αιώρηση οχημάτων Maglev ή magnetic levitation, είναι ένα σύστημα μεταφορών που αιωρείται, καθοδηγεί και προωθεί οχήματα, κυρίως τρένα, με τη χρήση μαγνητικής αιώρησης από έναν πολύ μεγάλο αριθμό μαγνητών για αιώρηση και προώθηση. Αυτή η μέθοδος έχει την ικανότητα να είναι πιο γρήγορη, πιο ήσυχη και πιο ομαλή από τα συστήματα μαζικής μεταφοράς με τροχούς. Η τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να ξεπεράσει τα 6.400 km/h (4.000 mi/h), εάν χρησιμοποιηθεί σε μια σήραγγα κενού. Εάν δεν χρησιμοποιηθεί σε κενό η απαιτούμενη δύναμη για την ανύψωση δεν είναι συνήθως ιδιαίτερα μεγάλο ποσοστό και το μεγαλύτερο ποσοστό της απαιτούμενης δύναμης χρησιμοποιείται για να ξεπεράσει την αντίσταση του αέρα, όπως και οποιοδήποτε άλλο τρένο υψηλής ταχύτητας.
Κάποια πρότυπα οχήματα μαγνητικής αιώρησης τύπου υπερβρόχου (Hyperloop) αναπτύχθηκαν το 2015–2016 και αναμένεται να κάνουν τις αρχικές δοκιμές τους σε κενό προς το τέλος του 2016.
Η υψηλότερη καταγραμμένη ταχύτητα τρένου μαγνητικής αιώρησης είναι 603 χιλιόμετρα την ώρα (374,69 mph) και επετεύχθη στην Ιαπωνία στις 21 Απριλίου 2015, 28,2 km/h πιο μεγάλη από την αντίστοιχη ταχύτητα συμβατικού TGV.

Τήξη με αιώρηση (Levitation melting)

Η ηλεκτρομαγνητική αιώρηση (Electromagnetic levitation ή EML), που κατοχυρώθηκε από τον Muck το 1923, είναι μια από τις πιο παλιές τεχνικές αιώρησης που χρησιμοποιούνται για πειράματα χωρίς περιέκτη. Η τεχνική ενεργοποιεί την αιώρηση ενός αντικειμένου χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνήτες. Ένα τυπικό πηνίο EML έχει ανεστραμμένη την περιέλιξη του πάνω και κάτω τμήματος που παίρνουν ενέργεια από μια παροχή ραδιοσυχνότητας.