TTK-s Nyúz XXVI/13, 2003. május 14.

Levitáció

Vajon lehetséges-e a levitáció, a tárgyak, vagy akár emberek gravitációt legyőző lebegése? Több ez, mint pusztán indiai mutatványosok vagy David Copperfield szemfényvesztő trükkje?

Az ember már gyerekkorában feltérképezi a gravitáció működését, és többnyire arra jut, hogy az mindig vonzó hatású, a kövek a föld felé esnek, az Eötvös-inga a tömegek felé lendül. Később a fizikusok megerősítik ebben a hitében. Hát akkor győzzük le a gravitációt valamilyen más távolható erővel! Kézenfekvő megoldásnak tűnik, hogy mágnesekkel próbálkozzunk. Az ember már gyerekkorában jól eljátszik az iskolában vagy otthon talált mágnesekkel, és látja, hogy egyik végükkel taszítják egymást, másikkal vonzzák. Mi sem tűnik egyszerűbbnek tehát, mint jó sok, megfelelően elhelyezett mágnessel levegőbe taszítani egy másikat. Egy szabadsági fok mellett működik is a dolog: ha mondjuk egy vékony kémcsőbe belepottyantunk két kerek, éppen beleférő mágnest úgy, hogy azonos pólussal nézzenek egymás felé, akkor a két mágnes nem ér össze, legalábbis ha a fellépő taszítás elég erős, hogy legyőzze a mágnes súlyát. A látvány azonban nem elég impresszív, ezért tovább kísérletezünk a cső nélkül, három dimenzióban, de azt tapasztaljuk, hiába próbálkozunk bármilyen ravasz elrendezéssel, sosem tudjuk egyensúlyba hozni a lebegő mágnest, az mindig félremozdul és leesik, vagy még inkább megpördül, és az ellentétes pólusával a többihez tapad. Nagyon frusztráló, azt hiszem, előbb-utóbb mindenki feladja. Pláne ha megtudja, hogy Samuel Earnshaw már a XIX. században bebizonyította: rögzített állandó mágnesek semmilyen konfigurációjával nem érhető el, hogy terükben stabil egyensúlyi helyzetben lebegjen egy másik mágnes. Kész, nincs tovább.

Illetve mégis, mert bár a tétel az tétel, de érvényességi körét megkerülhetjük. A leggyakrabban alkalmazott trükk a visszacsatolás: egy számítógép vagy valamilyen ravasz elektronika figyeli, merre kezd mozdulni a levitáló tárgy, és az arra ható elektromágnesek erősségét mindig úgy változtatja, hogy megakadályozza a lepottyanást. De az elektromágnesek helyére képzelhetünk mozgatható állandó mágneseket is. Mivel nem fix mágnesekről van szó, ezért ezekre az esetekre Earnshaw tétele nem vonatkozik, tehát nem vagyunk varázslók. És valóban, például a kínai olimpiára épülő, Siemens által gyártott mágneses vonatot is így tartják lebegésben (méghozzá elég precízen, 10 ± 2 milliméterrel a pálya felett). De lehet kapni egyszerű játékokat is, amik ezen az elven alapulnak, például lebegő földgömböket.

Egy másik eset, ahol nem érvényes Earnshaw tétele, ha a lebegtetni kívánt mágnes forog. Él ugyanis Amerika egy eldugott szegletében egy Roy Harrigan nevű feltaláló, akinek hiába magyarázták, hogy lehetetlennel próbálkozik. Évekig tartó kísérletezés után az általa készített mágneses pörgettyűt sikerült megfelelő sebességgel megpörgetni, és láss csodát: az lebegni kezdett a statikus mágnesek terében. Harrigan azonban a meg nem értett, szerencsétlen, bogaras feltalálók közé tartozott. Bár hosszú évek után 1983-ban bejegyezték szabadalmát, rossz tapasztalatai miatt senkiben sem bízott, aki üzletet ajánlott neki. Reklám hiányában észrevétlen maradt a szabadalom. Ha néhány kutató vagy mérnök találkozott is vele, könnyen lehet, hogy működésképtelennek tartották - nem ez lett volna az első értelmetlen szerkezetre bejegyzett szabadalom.

Levitron

Mégis rábukkant valaki 1993-ban, egy Bill Hones nevű vállalkozó, aki maga is évek óta próbált mágneseket levitálni. Hones megkereste Harrigant, azonban nem sikerült üzletet kötniük. Azért elkérte a prototípust, amelyre néhány apró módosítás után saját szabadalmi bejegyzést kapott. Azóta saját találmányaként forgalmazza a mágneses pörgettyűt, a "levitront". Ha megvesszük a játékot, a mindössze néhány centis pörgettyű és a talapzat mellett a csomagban egy csomó apró kis súlyt is találunk. Ezzel tudjuk módosítani a levitron tömegét, amire akkor van szükség, ha például megváltozik a hőmérséklet pár fokkal. Ha jól állítjuk be, akkor is csak egy nagyon kis, pár köbcentis térfogat lesz a talapzat fölött, ahol (némi gyakorlás után) kezünkkel megfelelően megpörgetve lebegésbe tudjuk hozni. Ha ügyesek vagyunk, néhány percig marad a levegőben, de végül, ahogy a légellenállás hatására percenként ezer alá csökken a fordulatszám, eltűnik az egyensúlyi helyzet, és lepottyan. Mióta kapható, foglalkozott vele néhány fizikus, úgyhogy már ismert a levitron nem is olyan egyszerű elmélete. Lényege, hogy - akár a kémcső esetében - a talapzat és a levitron azonos pólussal néz egymás felé, a forgás pedig - akárcsak egy hagyományos pörgettyűnél - megakadályozza, hogy a levitron fejre álljon, és ellentétes pólusát magához rántsa a lenti mágnes. De kiderült, hogy a stabilitáshoz a picit megdőlt tengely precessziója is szükséges. Gyorsabb forgáshoz lassabb precesszió tartozik, ezért 2000 feletti fordulatszámon ugyancsak röpképtelen az eszköz. Egyszóval olyan érzékeny, hogy csak játéknak jó - igaz, annak nem rossz, elég különös, hihetetlen érzés ugyanis látni a lebegő tárgyat, és végighúzni a kezünket alatta, az agy szinte el sem akarja hinni. Érdekesség viszont, hogy manapság a fizikusok használnak hasonló elven működő részecskecsapdákat, amik pörgettyűk helyett mágneses momentummal rendelkező részecskéket tartanak fogva.

Egy harmadik eset, amire nem érvényes az Earnshaw-tétel, ha diamágneses anyagokat használunk. Jó, de mik azok? A hétköznapi életben legfeljebb kétfelé szoktuk osztani az anyagokat mágneses szempontból: mágneses vagy nem az. Pedig összetételük és szerkezetük miatt rengeteg féle módon tudnak viselkedni. A három legegyszerűbb típus a dia-, a para- és a ferromágneses anyagoké. Számos olyan anyag van, amelyekben az őket felépítő atomok eredendően kicsiny mágnestűként viselkednek. Ha azonban az atomok teljesen rendezetlenül, véletlenszerű irányban helyezkednek el, akkor ezek hatása semlegesíti egymást, és kívülről nem észlelünk semmit. Viszont ha külső mágneses térbe helyezzük az anyagot, akkor az - akár a rúdmágnesek, vagy ahogy az iránytűk a Föld mágneses vonalai mentén - az atomokat úgy igyekszik forgatni, hogy vele párhuzamos legyen a terük, és ahogy így beállnak párhuzamosan, erősíteni fogják a külső teret. A folyamat persze függ a hőmérséklettől: minél melegebb van, az atomok annál jobban izegnek-mozognak, nem fognak teljesen engedelmeskedni a külső hatásnak. Az így viselkedő anyagok a paramágnesek. Ilyen például a króm, a platina vagy az oxigén. Hogyha (bizonyos hőmérséklet alatt) külső tér nélkül is rendeződnek, vagy legalábbis amikor kikapcsoljuk, akkor is úgy maradnak az atomok, ferromágnesről beszélünk. A vason kívül ilyen például a nikkel és a kobalt is. Különféle ötvözetekből a megszokottnál sokkalta erősebb állandó mágnesek is készülnek, párszáz vagy -ezer forintért bárki szerezhet néhányat, hogy aztán néhány ártatlan tréfát kövessen el velük, mint például étteremben az asztal alatt húzogatva az evőeszközök megtáncoltatása (figyeljük meg a pincérek arcát :)).

Nem kell meditálni

Vannak mágnesesen semleges molekulákból vagy atomokból álló anyagok is. Ha ezekhez közelítünk egy mágnest, akkor módosulni fognak az atomok elektronpályái, a megváltozott pályájú elektronok árama pedig mágneses teret kelt, méghozzá éppen ellenkező irányút, kis mértékben lerontva azt. Ezek a diamágneses anyagok, amelyek tehát éppen fordítva működnek, mint a paramágnesek. Valójában ez az effektus minden anyagban hat, csak észrevehetetlenül gyenge. Még a legerősebb diamágnesek - a bizmut vagy a pirolitikus grafit - is sok nagyságrenddel gyengébbek, mint a "hagyományos" mágnesek.

Kivételek a szupravezető anyagok. Ezek - más érdekes tulajdonságaik mellett - "tökéletes" diamágnesek, amelyek teljesen kiszorítják magukból a mágneses teret. Ezt kihasználva szintén elérhető a stabil levitáció. A képen látható szumóbirkózó egy mágneses lapon áll, amely az alatta levő (letakart) szupravezető felett lebeg. Ezt, bár nem látszik a képen, a lepel alatt folyékony nitrogénnel hűtik, ugyanis a különleges tulajdonság csak kb. mínusz 200 fok alatt jelentkezik. Ezért kutatnak régóta olyan ötvözetek után, amelyek szobahőmérsékleten is szupravezetők.

Lebegő béka

A diamágneses levitáció az egyetlen, ahol nincsen veszteség, energiabefektetés nélkül is végtelen ideig fennálhat a lebegő állapot, persze csak ha eltekintünk a hűtésre fordított energiától. No de használhatunk hagyományos diamágneses anyagokat is! Nos, a víz is ilyen, és az élőlények, mint tudjuk, jelentős részben vízből állnak. Az imént, a szupravezetőknél használtnál százszor erősebb, 10 Tesla erősségű, inhomogén mágneses térben már sikerült vízcseppeket, de gyümölcsöket, sőt állatokat (pl. békát) is súlytalan állapotba hozni.

Ha nincs saját laboratóriumunk, egy másik, otthon is könnyen összerakható konfiguráció, a "diamágnesesen stabilizált levitáció". Itt erős állandó mágnes biztosítja az emelőerőt, a lebegtetni kívánt mágneshez közel pedig, alatta és fölötte egy-egy vékony diamágneses lapka van, amelyek taszító hatása (bármely pólusra) stabil egyensúlyt eredményez. A www.scitoys.com címen részletesen leírják, hogyan barkácsolhatunk otthon magunk is ilyen és hasonló kísérleteket. Persze egy igazi fizikus az ujját használja diamágnesnek. :-)

És hogy mire jó mindez? Mágneses lebegtetésű vonatokon kívül is elképzelhető hasznos alkalmazás. Egyik ilyen a mágneses csapágy. Ezekben a hagyományos csapágyakkal szemben nincsenek érintkező felszínek, amik így nem is kopnak el, és élettartamuk szinte korlátlan - ráadásul a súrlódás hiánya miatt az energiaveszteség is minimális. Ezzel az energiatárolás egy szokatlan formája, a lendkerék is egyre piacképessebbé fog válni. A vákuumban lebegő felpörgetett lendkerék napokig, hónapokig tárolhatja az energiát forgási energia formájában, ugyanakkor szükség esetén sokkal gyorsabban kinyerhető belőle, mint különféle kémiai telepekből, akkumulátorokból - mindez nagyobb élettartam és végtelen újratölthetőség mellett, bármiféle környezetszennyezés nélkül! Ráadásul egységnyi tömegre sokkal több energia jut, egyedül az anyag szakítószilárdsága szab határt a sebességnek. Például 20 cm átmérőjű kompozit műanyag lendkerékkel százezer feletti fordulatszámot értek el.

Biztos sok egyéb praktikus alkalmazása képzelhető még el a levitációnak, de ezt már rátok bízom, sok sikert és jó feltalálást!

Koronczay Dávid