Wetenschappers lossen het mysterie van magnetische levitatie op buiten de klassieke natuurkunde

Wetenschappers van de Technische Universiteit van Denemarken (DTU) hebben de fundamentele fysica van het nieuw ontdekte fenomeen van magneetlevitatie bevestigd.

In 2021 publiceerde een wetenschapper uit Turkije een artikel waarin een experiment werd beschreven waarbij een magneet aan een motor werd bevestigd, waardoor deze snel ronddraaide. Toen deze opstelling dichtbij een tweede magneet werd gebracht, begon de tweede magneet te draaien en zweefde plotseling enkele centimeters verderop in een vaste positie.

Hoewel magnetische levitatie niets nieuws is – misschien wel het bekendste voorbeeld zijn magneettreinen die afhankelijk zijn van een sterke magnetische kracht voor lift en voortstuwing – heeft het experiment natuurkundigen in verwarring gebracht omdat het fenomeen niet is beschreven in de klassieke natuurkunde, of op zijn minst in welke klassieke natuurkunde dan ook. . Bekend mechanisme van magnetische levitatie.

Magnetische levitatie wordt gedemonstreerd met behulp van een Dremel-gereedschap dat een magneet roteert met een frequentie van 266 Hz. De grootte van de roterende magneet is 7 x 7 x 7 mm3 en de zwevende magneet is 6 x 6 x 6 mm3. Deze video demonstreert de fysica die in het artikel wordt beschreven. Krediet: DTU.

Het is nu echter zo. Rasmus Björk, hoogleraar bij DTU Energy, was gefascineerd door het experiment van Okkar en wilde het samen met masterstudent Joachim M. Hermansen repliceren, terwijl hij erachter kwam wat er precies gebeurde. Replicatie was eenvoudig en kon worden gedaan met kant-en-klare componenten, maar de fysica ervan was vreemd, zegt Rasmus Björk:

“Magneten mogen niet zweven als ze dicht bij elkaar zijn. Meestal trekken ze elkaar aan of stoten ze af. Maar als je een van de magneten ronddraait, blijkt dat je deze levitatie kunt bereiken. En dat is het rare. De kracht op de magneten zou niet moeten veranderen alleen maar omdat “Je een van hen draait, dus er lijkt een verband te bestaan ​​tussen beweging en magnetische kracht.”

De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Toegepaste natuurkunde recensie.

Verschillende experimenten om de fysica te bevestigen

Bij de experimenten waren verschillende magneten van verschillende afmetingen betrokken, maar het principe bleef hetzelfde: door een magneet heel snel te laten draaien, observeerden de onderzoekers hoe een andere magneet in de buurt, een zogenaamde ‘zwevende magneet’, met dezelfde snelheid begon te draaien terwijl hij snel aan een magneet bleef plakken. positie waar het bleef.

Ze ontdekten dat wanneer de zwevende magneet op zijn plaats wordt gehouden, deze dicht bij de rotatieas en naar de pool is gericht, vergelijkbaar met de roterende magneet. Zo blijft bijvoorbeeld de noordpool van de zwevende magneet, terwijl deze roteert, naar de noordpool van de vaste magneet wijzen.

Dit is anders dan wat zou worden verwacht op basis van de wetten van statisch magnetisme, die verklaren hoe een statisch magnetisch systeem werkt. Het blijkt echter dat het juist de statische magnetische interacties tussen de roterende magneten zijn die verantwoordelijk zijn voor het creëren van de evenwichtspositie van de drijvers, zoals ontdekt door co-auteur en promovendus Frederick L. Dorhus gebruikt een simulatie van dit fenomeen. Ze observeerden een significant effect van de magneetgrootte op de zweefdynamiek: kleinere magneten vereisen hogere rotatiesnelheden voor lift vanwege hun grotere traagheid en hoe hoger ze vliegen.

“Het blijkt dat de zwevende magneet in één lijn wil komen met de roterende magneet, maar dat hij niet snel genoeg kan draaien om dat te doen. Zolang deze koppeling in stand wordt gehouden, zal hij blijven zweven of zweven”, zegt Rasmus Bjork.

“Je kunt het vergelijken met een tol. Hij blijft alleen staan ​​als hij draait, maar wordt door zijn rotatie op zijn plaats gehouden. Alleen als de rotatie energie verliest, neemt de zwaartekracht – of in ons geval het duwen en trekken van een magneet – groot genoeg worden om het evenwicht te overwinnen.”

Referentie: “Alternerende magnetische levitatie” door Joachim Marko Hermansen, Frederik Laust-Dorhus, Kathrin Frandsen, Marco Piligia, Christian R.H. Bahl en Rasmus Björk, 13 oktober 2023, Fysieke beoordeling werd toegepast.
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.044036