Wissenschaftler lösen das Rätsel der Magnetschwebebahn über die klassische Physik hinaus

Im Jahr 2021 entdeckte der türkische Wissenschaftler Hamdi Ucar eine neue Form der Magnetschwebebahn, bei der ein schnell rotierender Magnet einen nahegelegenen Magneten zum Schweben bringt. Dieses Phänomen, das der klassischen Physik widersprach, wurde von Professor Rasmus Björk und seinem Team repliziert und untersucht. Sie fanden heraus, dass der aufsteigende Magnet mit dem rotierenden Magneten übereinstimmt und so ein Gleichgewicht ähnlich einem rotierenden Kreisel erzeugt. Bildnachweis: SciTechDaily.com

Wissenschaftler der Technischen Universität Dänemark (DTU) haben die grundlegende Physik des neu entdeckten Magnetschwebephänomens bestätigt.

Im Jahr 2021 veröffentlichte ein Wissenschaftler aus der Türkei einen Artikel über ein Experiment, bei dem ein Magnet an einem Motor befestigt wurde, wodurch dieser sich schnell drehte. Als dieser Aufbau in die Nähe eines zweiten Magneten gebracht wurde, begann der zweite Magnet zu rotieren und schwebte plötzlich in einer festen Position einige Zentimeter entfernt.

Während Magnetschwebebahn nichts Neues ist – das vielleicht berühmteste Beispiel sind Magnetschwebebahnen, die für Auftrieb und Antrieb auf eine starke Magnetkraft angewiesen sind –, hat das Experiment die Physiker verwirrt, weil das Phänomen in der klassischen Physik oder zumindest in keiner klassischen Physik beschrieben wurde . Bekannter Mechanismus der Magnetschwebebahn.

Die magnetische Levitation wird mithilfe eines Dremel-Werkzeugs demonstriert, das einen Magneten mit einer Frequenz von 266 Hz dreht. Die Größe des rotierenden Magneten beträgt 7 x 7 x 7 mm3 und die des schwebenden Magneten 6 x 6 x 6 mm3. Dieses Video demonstriert die in der Arbeit beschriebene Physik. Bildnachweis: DTU.

Allerdings ist es jetzt so. Rasmus Björk, Professor an der DTU Energy, war von Okkars Experiment fasziniert und machte sich daran, es mit Masterstudent Joachim M. Hermansen nachzubilden und dabei herauszufinden, was genau passierte. Die Replikation war einfach und konnte mit handelsüblichen Komponenten durchgeführt werden, aber die Physik war seltsam, sagt Rasmus Björk:

„Magnete sollten nicht schweben, wenn sie nahe beieinander liegen. Normalerweise ziehen sie sich gegenseitig an oder stoßen sie ab. Aber wenn man einen der Magneten dreht, stellt sich heraus, dass man diese Levitation erreichen kann. Und das ist das Seltsame daran: Die Kraft, die auf die Magnete wirkt.“ sollte sich nicht ändern, nur weil „Sie einen von ihnen drehen, es scheint also eine Kopplung zwischen Bewegung und magnetischer Kraft zu geben.“

Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Rezension zur Angewandten Physik.

Mehrere Experimente zur Bestätigung der Physik

An den Experimenten waren mehrere Magnete unterschiedlicher Größe beteiligt, das Prinzip blieb jedoch dasselbe: Indem sie einen Magneten sehr schnell drehten, beobachteten die Forscher, wie ein anderer Magnet in der Nähe, ein sogenannter „schwebender Magnet“, mit der gleichen Geschwindigkeit zu rotieren begann, während er schnell an einem festhielt Position, wo es blieb. Wirbelnd.

Sie fanden heraus, dass der schwebende Magnet, wenn er in Position gehalten wird, ähnlich wie der rotierende Magnet nahe an der Drehachse und zum Pol ausgerichtet ist. So zeigt beispielsweise der Schatten des Nordpols des schwebenden Magneten bei seiner Drehung auf den Nordpol des feststehenden Magneten.

Dies unterscheidet sich von dem, was man aufgrund der Gesetze des statischen Magnetismus erwarten würde, die erklären, wie ein statisches Magnetsystem funktioniert. Doch wie sich herausstellt, sind es gerade die statischen magnetischen Wechselwirkungen zwischen den rotierenden Magneten, die für die Gleichgewichtslage der Schwimmer verantwortlich sind, wie Co-Autor und Doktorand Frederick L. herausfand. Dorhus nutzte eine Simulation dieses Phänomens. Sie beobachteten einen signifikanten Einfluss der Magnetgröße auf die Schwebedynamik: Kleinere Magnete benötigen aufgrund ihrer größeren Trägheit höhere Rotationsgeschwindigkeiten für den Auftrieb und je höher sie fliegen.

„Es stellt sich heraus, dass der schwebende Magnet sich mit dem rotierenden Magneten ausrichten möchte, sich dafür aber nicht schnell genug drehen kann. Solange diese Kopplung aufrechterhalten wird, wird er schweben oder schweben“, sagt Rasmus Björk.

„Man kann es mit einem Kreisel vergleichen. Er steht nur dann auf, wenn er sich dreht, wird aber durch seine Rotation in seiner Position fixiert. Erst wenn die Rotation Energie verliert, wirkt die Schwerkraft – oder in unserem Fall das Drücken und Ziehen eines.“ Magnet – groß genug werden, um das Gleichgewicht zu überwinden.“

Referenz: „Alternating Magnetic Levitation“ von Joachim Marko Hermansen, Frederik Laust-Dorhus, Kathrin Frandsen, Marco Piligia, Christian R.H. Bahl und Rasmus Björk, 13. Oktober 2023, Es wurde eine körperliche Untersuchung durchgeführt.
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.044036