Ці студенти такі винахідливі! Майже в усіх двигунах котушка обертається навколо горизонтальної осі. Але один студент зробив двигун, у якому котушка оберталася навколо вертикальної осі. Найкращий результат за всі роки був аж 5200 обертів за хвилину — і це, не забувайте, від однієї малесенької батарейки на 1,5 вольта! Я пам’ятаю студента-переможця. Він був першокурсником. Коли після лекції ми стояли біля дошки в аудиторії, він сказав: «О професоре Левін, це легко. Я можу зібрати вам двигун на 4000 обертів хвилин за десять». І він одразу перейшов до справи, просто на моїх очах.
Але вам не обов’язково робити щось подібне. Існує навіть простіший двигун, який можна зібрати за кілька хвилин зі ще меншої кількості деталей: лужної батарейки, невеликого шматка мідного дроту, саморіза (або цвяха) й маленького дискового магніту. Його називають уніполярним. Тут ви можете знайти покрокову інструкцію, як його виготовити, й побачите такий двигун у дії (напишіть мені, якщо ваш розганятиметься більше ніж на 5000 обертів за хвилину): evilmadscientist.com/article.php/HomopolarMotor.
Не менш цікавий за конкурс двигунів, хоч і дуже від нього відрізняється, ще один дослід, який я демонструю на своїх лекціях. Для нього потрібна електрична котушка діаметром 30 сантиметрів і пластина-провідник. Як ви знаєте, електричний струм, проходячи крізь котушку, створить магнітне поле. Змінний струм у котушці згенерує змінне магнітне поле. (Пригадуєте, що батарейка — джерело постійного струму). Оскільки в моїй аудиторії, як і всюди у Сполучених Штатах, частота змінного електричного струму становить 60 герців, струм у котушці змінює напрямок 120 разів за секунду. Якщо розташувати її над металевою пластиною, змінне магнітне поле (далі я називатиму його зовнішнім магнітним полем) пронизуватиме пластину. Згідно із законом Фарадея, під дією цього поля в металевій пластині виникнуть потоки електричного струму — так звані вихрові струми. Вони, своєю чергою, створять власні змінні магнітні поля. Таким чином, виникне два магнітних поля: зовнішнє магнітне поле й поле від вихрових струмів.
Приблизно половину часу в циклі, що триває 1⁄60 секунди, ці два поля матимуть протилежний напрямок, і котушка відштовхуватиметься пластиною. В іншу половину часу магнітні поля матимуть однаковий напрямок, і котушка притягуватиметься до пластини. Я не вдаватимусь у подробиці, через безліч нюансів і складну технічну термінологію, але на котушку діє рівнодійна сила відштовхування, якої може бути достатньо, щоб вона піднялася в повітря. Це можна побачити на відео 19-ї лекції з курсу «8.02. Електрика й магнетизм»: cutt.ly/FwrxbMY. Експеримент починається приблизно на 44-й хвилині.
Якось я подумав, що було б непогано за допомогою цієї сили підняти в повітря людину, і вирішив, що на лекції здійму вгору жінку, як це роблять спритні фокусники-ілюзіоністи: змайструю велетенську котушку, жіночка ляже зверху і злетить. Тож ми з Маркосом Ханкіном і Білом Сенфордом, моїми друзями із групи фізичних експериментів, довго працювали над тим, щоб отримати в котушці достатньо сильний струм, але в підсумку щоразу вибивало автомати. Тому ми зателефонували в технічний відділ МТІ і сказали, що нам потрібно, — струм на кілька тисяч амперів. Там розсміялися й відповіли: «Щоб забезпечити вам такий струм, нам доведеться перебудувати МТІ!». Дуже прикро, тому що мені вже написало багато жіночок, які хотіли б злетіти. Довелося надсилати їм листи із вибаченнями. Але нас це не зупинило, у чому ви можете переконатися, подивившись лекцію з приблизно 47-ї хвилини. Я дотримав обіцянку: просто жінка виявилася значно легшою, ніж я спершу планував.
Електромагнетизм поспішає на підмогу
Жінка, яка літає в повітрі, — це дуже непоганий (і веселий) демонстраційний експеримент, але магнітну левітацію можна застосувати в безліч іще дивовижніших і значно корисніших способів. Вона лежить в основі новітніх технологій, завдяки яким з’явилися деякі з найкрутіших, найшвидкісніших і найекологічніших транспортних засобів у світі.
Ви, мабуть, чули про швидкісні поїзди під назвою маглев. Чимало людей у незмірному захваті від них, бо вони поєднують магію невидимих магнітних сил із привабливим футуристичним дизайном, та ще й рухаються надзвичайно швидко. Можливо, ви не знали, що слово «маглев» — це скорочення від «магнітна левітація». Але ви знаєте, що близько розташовані полюси магнітів або взаємно притягуються, або відштовхуються. Якщо придумати, як керувати цими силами притягання чи відштовхування, можна підняти потяг над дорожнім полотном, а потім тягнути або штовхати його на шаленій швидкості. Саме цей чудовий здогад покладено в основу маглева. В одному з його різновидів, поїзді на електромагнітній підвісці (ця технологія відома як EMS), електромагніти піднімають його за рахунок сили магнітного притягання. Від поїзда вниз тягнеться С-подібна опора, верхня частина якої прикріплена до поїзда, а на нижній частині, нижче дорожнього полотна, на поверхні розташовані магніти, які піднімають поїзд до рейок, виготовлених із феромагнітного матеріалу.
Щоб поїзд не «чіплявся» за рейки, а також щоб керувати непостійною за своєю природою силою притягання, потрібна складна система датчиків, яка дозволяє утримувати поїзд на потрібній висоті від рейок — а це менше двох сантиметрів! Рухається потяг завдяки окремій системі електромагнітів, які синхронізовано вмикаються й вимикаються, «тягнучи» його вперед.
Інший основний тип магнітної підвіски, відомий як електродинамічна підвіска (або EDS), працює за рахунок сили відштовхування; у ньому використовуються так звані надпровідні магніти. Надпровідник — це матеріал, який за дуже низьких температур не має електричного опору. У результаті сильно охолоджена котушка, виготовлена з надпровідника, створює потужне магнітне поле, споживаючи при цьому дуже мало електричної енергії. Ще більше вражає те, що надпровідний магніт може діяти як магнітна пастка. Якщо до нього наблизити інший магніт, взаємодія сили тяжіння і провідника утримуватиме його на певній відстані. У результаті поїзди, у яких використовують надпровідники, працюють значно стабільніше, ніж системи EMS. Якщо ви спробуєте притиснути надпровідник до магніту або розташувати їх подалі, то побачите, що це досить важко зробити. Вони прагнутимуть зберегти відстань між собою. (Тут можна переглянути чудове коротеньке відео, що демонструє взаємодію між магнітом і надпровідником: cutt.ly/StLtXE).
Якщо потяг, до днища якого прикріплено магніти, занадто наблизиться до оснащеної надпровідниками колії, сила відштовхування зросте й він підніметься. Якщо поїзд надто віддаляється, сила тяжіння повертає його назад до колії. У результаті вагони зависають у положенні рівноваги. Рух поїзда вперед, який відбувається переважно за рахунок сили відштовхування, простіший, ніж у системах EMS.
Ці технології мають переваги й недоліки, але обидві майже усувають проблему із тертям звичайних залізничних коліс об колію, — основна складова зношування — водночас обидві системи забезпечують значно плавніший, безшумніший і найголовніше швидший рух. (Утім усе ще залишається проблема опору повітря, який стрімко зростає разом зі швидкістю потяга. Саме тому вони мають таку аеродинамічну обтічну форму). Шанхайський маглев, який працює на електромагнітній підвісці та почав курсувати у 2004 році, приблизно за вісім хвилин долає 30 кілометрів від міста до аеропорту на середній швидкості (станом на 2008 рік) 223‒251 кілометр за годину, хоча його максимальна швидкість — 431 кілометр за годину, більше, ніж будь-якого іншого швидкісного потяга у світі. Тут ви можете переглянути коротеньке відео про Шанхайський маглев, створене його виробниками: cutt.ly/TtLt0X. А рекорд швидкості для поїзда на магнітній подушці було зафіксовано на випробній трасі в Японії, де поїзд JR-Maglev розігнався до 580 кілометрів за годину. На японський поїзд можна подивитися тут: cutt.ly/MtLt4f.
На YouTube викладено безліч смішних та інформативних відео, присвячених магнітній левітації. На одному з них хлопчик підвішує в повітрі олівець, що крутиться, за допомогою шести магнітів і шматочків пластиліну, і цей експеримент легко повторити вдома: cutt.ly/MtLyiJ. Також перегляньте відео, в якому відтворено конструкцію з надпровідниками: по круговій колії носиться вагон іграшкового потяга, а в кінці навіть є коротка анімована частина з поясненнями: cutt.ly/atLygL.
