«Τρένα της Ιαπωνίας»

Transcript

1 1 ο Λύκειο Ηρακλείου Αττικής Εργασία για το μάθημα της Φυσικής «Τρένα της Ιαπωνίας» Όνομα: Μαρία Πρασίνου Τμήμα: Β2 Έτος: Καθηγητής: κ. Τζόκας Χαράλαμπος 1

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Εισαγωγή (Μαγνητικά Τρένα) σελ Τα 10 καλύτερα τρένα του κόσμου σελ Ιαπωνία: Το τρένο υψηλής ταχύτητας κατακτά τον κόσμο σελ Ανάπτυξη και Λειτουργία Μαγνητικών Τρένων σελ Τρένο Μαγνητικής Ανύψωσης: Φυσικές αρχές και Τεχνολογίες σελ Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα σελ Θεώρημα Earnshaw Μέθοδοι Μαγνητικής Ανύψωσης σελ Ιστορία του Μαγνητισμού σελ Μαγνητικό πεδίο σελ Δύναμη Laplace σελ Υπεραγωγιμότητα σελ Υπεραγωγοί: Ένας θαυμαστός κόσμος σελ Φωτογραφίες σελ. 45 2

3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1. Μαγνητικά τρένα Τα τρένα μαγνητικής ανύψωσης (maglev) κινούνται αιωρούμενα με τη βοήθεια μαγνητικών πεδίων. Επειδή δεν ακουμπούν στο έδαφος έχουν ελάχιστη αντίσταση και θόρυβο και φυσικά πολύ υψηλές ταχύτητες. Τα τρένα maglev μπορούν να αναπτύξουν ταχύτητες 500 με 550 χλμ./ώρα, ταχύτητες που αναπτύσσουν και τα αεροπλάνα καταναλώνοντας όμως τη διπλασία ποσότητα ενέργειας. Αχανείς χώρες όπως η Κίνα και η Αυστραλία έχουν ήδη αρχίσει να επενδύουν στα μαγνητικά τρένα, ενώ η Ιαπωνία έχει το πλέον ανεπτυγμένο δίκτυο και το πιο φιλόδοξο πρόγραμμα κάλυψης όλων των σημαντικών πόλεων. Στις ΗΠΑ έχει αποφασιστεί η χρήση των μαγνητικών τρένων στη δυτική ακτή της χώρας και συγκεκριμένα σε μια γραμμή που θα ξεκινάει από το Λος Άντζελες, αλλά το κόστος τριπλασιάστηκε από το αρχικό πλάνο και είναι πιθανό η κατασκευή της γραμμής να καθυστερήσει. Τα τρένα μαγνήτης αιώρησης δεν χρησιμοποιούν ρόδες, αλλά αιωρούνται πάνω από τις ράγες χάρη σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, ώστε να ελαχιστοποιούνται οι τριβές. Η μοναδική εμπορική γραμμή maglev στον κόσμο λειτουργεί σήμερα στη Σαγκάη, καλύπτοντας υια απόσταση 30 χιλιομέτρων ανάμεσα στο αεροδρόμιο της πόλης και το εμπορικό προάστιο Πουντόνγκ. Όπως ανακοίνωσε η Εταιρεία Σιδηροδρόμων Κεντρικής Ιαπωνίας, JR Tokai n σχεδιαζόμενη γραμμή θα συνδέει το Τόκιο με την κεντρική πόλη Ναγκόγια, ενώ αργότερα θα επεκταθεί μέχρι την Οσάκα. Όπως αναφέρει το Γαλλικό Πρακτορείο, οι νέοι συρμοί προβλέπεται να αντικαταστήσουν σταδιακά τις διάσημες ιαπωνικές υπερταχείες Σινκάσεν, οι οποίες κινούνται με ταχύτητα 300 χλμ/ώρα, αλλά έχουν πλέον φτάσει στα όρια τους όσον αφορά τη μεταφορική τους ικανότητα. Πάντως και η τεχνολογία maglev συναντά εμπόδια στην αξιοποίησή της όσον αφορά την αξιοπιστία και το κόστος της -η γραμμή της Σαγκάης κόστισε γύρω στα 63 εκατ. δολάρια ανά χιλιόμετρο. Η JR Tokai πειραματίζεται με τα τρένα μαγνητικής αιώρησης από το 1996, χρησιμοποιώντας μια δοκιμαστική σιδηροτροχιά 18 χλμ στο Γιαμανάσι, περίπου 100 χλμ δυτικά του Τόκιο. Το Δεκέμβριο του 2003, πειραματικό τρένο maglev στο Γιαμανάσι έθεσε το απόλυτο ρεκόρ ταχύτητας για τρένα, επιταχύνοντας μέχρι τα 581 χλμ/ ώρα. Μία ακόμα δοκιμαστική γραμμή λειτουργεί στη Γερμανία, όπου τον περασμένο Σεπτέμβριο μια υπερταχεία maglev συγκρούστηκε με όχημα συντήρησης, κινούμενη με ταχύτητα 170 χλμ/ώρα, με αποτέλεσμα να σκοτωθούν 23 άτομα. 3

4 2. Τα 10 καλύτερα τρένα του κόσμου Δεν πρόκειται για τα τρένα που προσφέρουν την απόλυτη χλιδή. Τα περισσότερα είναι «κοινά» τρένα που εξυπηρετούν χιλιάδες κόσμο καθημερινά. Οι δέκα παρακάτω σιδηροδρομικές γραμμές έχουν αξιολογηθεί σύμφωνα με τις υπηρεσίες που προσφέρουν, την άνεση, τις διαδρομές, την τεχνολογία αλλά και την τιμή του εισιτηρίου περισσότερο από τις «περιττές» παροχές άλλων γραμμών. Γαλλία: Το «Τρένο Υψηλής Ταχύτητας» (ακρωνύμιο του TGV) που ταξιδεύει στη Γαλλία θεωρείται ένα από τα ασφαλέστερα και γρηγορότερα τρένα του κόσμου. Με ταχύτητα που φτάνει τα 160 μέτρα το δευτερόλεπτο εξυπηρετεί καθημερινά τις περιοχές γύρω από το Παρίσι αλλά και την ενδοχώρα της Γαλλίας. Η μεγαλύτερη διαδρομή που πραγματοποιεί είναι Λορέν- Σαμπάν- Αρντέν. Ιαπωνία: Η γρήγορη σιδηροδρομική γραμμή της Ιαπωνίας μπορεί να μην «φτάνει» τα αρχικά υποσχόμενα 161 μέτρα το δευτερόλεπτο, αλλά κανείς δεν έχει αργήσει να φτάσει στον προορισμό του με ταχύτητα 83m/s. Συνδέει τις περιοχές Τόκιο, Σιν και Οσάκα και είναι άρτιο από τεχνολογικής και μηχανολογικής πλευράς. Αγγλία: Τα Eurostar θεωρούνται από τα πιο εξυπηρετικά τρένα της Ευρώπης καθώς συνδέουν πολλές χώρες και περιοχές. Κατά μέσο όρο τα τρένα αυτά φτάνουν μέχρι και τα 83m/s σε ταχύτητα και η «κορυφαία» διαδρομή του είναι εκείνη που ενώνει το Λονδίνο με την πρωτεύουσα της Γαλλίας. Γερμανία: Οι επιβάτες της Deutsche Bahn έχουν την επιλογή να ταξιδέψουν την ημέρα με την γραμμή InterCityExpress (ICE) και τις βραδινές ώρες με το νυχτερινό τρένο (NachtZug) στα υπερμοντέρνα τρένα της εταιρίας. Οι πιο εξυπηρετικές διαδρομές είναι το Βερολίνο- Φρανκφούρτη (ICE) και Χάγη- Πράγα (NachtZug). Ιταλία: Μπορεί οι περισσότεροι Ιταλοί να προτιμούν το αυτοκίνητο και το αεροπλάνο για τα εσωτερικά τους ταξίδια, αλλά τα τελευταία χρόνια τα τρένα TAV κερδίζουν έδαφος στην προσπάθεια τους να γίνουν αντάξια των άλλων ευρωπαϊκών σιδηροδρομικών γραμμών. Η καλύτερη γραμμή θεωρείται αυτή που συνδέει τη Ρώμη με την Φλωρεντία. 4

5 Ρωσία: Εκείνοι που έχουν πολύ χρόνο στη διάθεση τους μπορούν να καθίσουν και να απολαύσουν το μεγάλο ταξίδι που καλύπτει σχεδόν 10 χιλιάδες χιλιόμετρα ή αν θέλουν να δουν αξιοθέατα να επιλέξουν τη γραμμή που κάνει στάσεις σε πολλές ρωσικές πόλεις. Η καλύτερη διαδρομή των ρωσικών γραμμών είναι Αγία Πετρούπολη- Μόσχα. Νότια Κορέα: Η αρχική γραμμή που συνέδεε τη Σεούλ με το Πουσάν τελείωσε μόλις το 2004 και δεν ενθουσίασε τους επιβάτες. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι το KTX δεν συνεχίζει να αναπτύσσεται με γρήγορους ρυθμούς, επεκτείνοντας το δίκτυο του, προσπαθώντας να καλύψει κι άλλες διαδρομές. Μέχρι στιγμής η πιο εξυπηρετική διαδρομή είναι η Σεούλ-Πουσάν. Ισπανία: Το ΑVE υποδεικνύει το Alta Velocidad Espanla, που σημαίνει Υψηλή Ταχύτητα της Ισπανίας, και είναι πολλά παραπάνω από υψηλή ταχύτητα. Η σιδηροδρομική γραμμή της Ισπανίας είναι τόσο σωστή που κάνει έκπτωση στο εισιτήριο στην περίπτωση που το τρένο αργήσει παραπάνω από πέντε λεπτά. Καλύτερη διαδρομή θεωρείται εκείνη που συνδέει τη Μαδρίτη με τη Σεβίλλη. Αυστραλία: Είναι ο καλύτερος τρόπος και ο πιο άνετος για να γνωρίσει κανείς την Αυστραλία. Μπορεί να θαυμάσει από κοντά δεκάδες περιοχές επιλέγοντας να ταξιδέψει με την μεγαλύτερη (και καλύτερη) διαδρομή που συνδέει το Σίδνεϊ με το Περθ. Φινλανδία: Γενικότερα, οι σιδηροδρομικές γραμμές της Φινλανδίας είναι γνωστές για την άριστη εξυπηρέτηση, την καθαριότητα και τις καλές τιμές. Φυσικά, η VR δεν αποτελεί εξαίρεση αφού θεωρείται η καλύτερη επιλογή αν θέλεις να φύγεις από το Ελσίνκι για να ταξιδέψεις στην εξοχή. 5

6 3. Ιαπωνία: Το τρένο υψηλής ταχύτητας κατακτά τον κόσμο Οι εξελίξεις των τελευταίων χρόνων στον τομέα των σιδηροδρόμων σε όλο τον κόσμο είναι ραγδαίες τόσο στον κατασκευαστικό τομέα των υποδομών όσο και στο τροχαίο υλικό. Μπαίνουμε κυριολεκτικά στην εποχή των ιπτάμενων τρένων Τρένα σωστές βολίδες, που θα τρέχουν με χλμ. την ώρα, εκμηδενίζοντας τις αποστάσεις. Μια σύντομη περιήγηση στον κόσμο, μας δίνει την δυνατότητα να γνωρίσουμε τα επιτεύγματα της νέας τεχνολογίας στον τομέα των σιδηροδρομικών μεταφορών σε διάφορες περιοχές του κόσμου οι οποίες είναι πραγματικά εντυπωσιακές. Ξεκινάμε από την χώρα του Ανατέλλοντος ηλίου την Ιαπωνία. Η Ιαπωνία είναι μέχρι στιγμής η μόνη χώρα στον κόσμο που διαθέτει τρένα μαγνητικής αιώρησης. Τα maglev, όπως είναι γνωστά τα οχήματα αυτά, αιωρούνται σε μικρή απόσταση πάνω από τις ράγες χάρη σε ισχυρά μαγνητικά πεδία - η απουσία τριβών επιτρέπει στο τρένο να αναπτύσσει μεγάλες ταχύτητες και μάλιστα αθόρυβα. Πάντως, το σιδηροδρομικό δίκτυο στο οποίο θα κινούνται τα ιαπωνικά maglev έχουν σχεδιαστεί για ταχύτητες μικρότερες από 500χλμ/ώρα. Η Ιαπωνία ανακοίνωσε σχέδια για την κατασκευή σιδηροδρομικής γραμμής μαγνητικής αιώρησης (maglev), η οποία θα ξεκινήσει τη λειτουργία της την στο τέλος της επόμενη δεκαετίας, προσφέροντας ταχύτητες άνω των 500 χιλιομέτρων ανά ώρα. Τα τρένα μαγνητικής αιώρησης δεν χρησιμοποιούν ρόδες, αλλά αιωρούνται πάνω από τις ράγες χάρη σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, ώστε να ελαχιστοποιούνται οι τριβές. Η μοναδική εμπορική γραμμή maglevστον κόσμο λειτουργεί σήμερα στη Σαγκάη, καλύπτοντας μια απόσταση 30 χιλιομέτρων ανάμεσα στο αεροδρόμιο της πόλης και το εμπορικό προάστιο Πουντόνγκ. Όπως ανακοίνωσε η Εταιρεία Σιδηροδρόμων Κεντρικής Ιαπωνίας, JR Tokai, η σχεδιαζόμενη γραμμή θα συνδέει το Τόκιο με την κεντρική πόλη Ναγκόγια, ενώ αργότερα θα επεκταθεί μέχρι την Οσάκα. Όπως αναφέρει το Γαλλικό Πρακτορείο, οι νέοι συρμοί προβλέπεται να αντικαταστήσουν σταδιακά τις διάσημες ιαπωνικές υπερταχείες Σινκάσεν, οι οποίες κινούνται με ταχύτητα 300 χλμ/ώρα, αλλά έχουν πλέον φτάσει στα όριά τους όσον αφορά τη μεταφορική τους ικανότητα. 6

7 Πάντως και η τεχνολογία maglevσυναντά εμπόδια στην αξιοποίησή της όσον αφορά την αξιοπιστία και το κόστος της -η γραμμή της Σαγκάης κόστισε γύρω στα 63 εκατ. δολάρια ανά χιλιόμετρο. Η JR Tokai πειραματίζεται με τα τρένα μαγνητικής αιώρησης από το 1996, χρησιμοποιώντας μια δοκιμαστική σιδηροτροχιά 18 χλμ στο Γιαμανάσι, περίπου 100 χλμ δυτικά του Τόκιο. Το Δεκέμβριο του 2003, πειραματικό τρένο maglevστο Γιαμανάσι έθεσε το απόλυτο ρεκόρ ταχύτητας για τρένα, επιταχύνοντας μέχρι τα 581 χλμ/ώρα. Μία ακόμα δοκιμαστική γραμμή λειτουργεί στη Γερμανία, όπου τον περασμένο Σεπτέμβριο μια υπερταχεία maglevσυγκρούστηκε με όχημα συντήρησης, κινούμενη με ταχύτητα 170 χλμ/ώρα, με αποτέλεσμα να σκοτωθούν 23 άτομα. Πάντως, τα συμβατικά τρένα δεν υπολείπονται σημαντικά σε επιδόσεις. Τον Απρίλιο 2007, γαλλική υπερταχεία TGV έθεσε νέο ρεκόρ ταχύτητας για τρένα με ρόδες, κινούμενη ανάμεσα στο Παρίσι και το Στρασβούργο με ταχύτητα 574,8 χλμ/ώρα. Έτσι δεν είναι τυχαίο πως όλοι πιστεύουν ότι τα Maglev θα επικρατήσουν. Στα μειονεκτήματά τους συγκαταλέγεται το υψηλό κόστος κατασκευής τους, που υπερβαίνει το κόστος κατασκευής ενός αυτοκινητόδρομου υψηλής ταχύτητας για την αντίστοιχη απόσταση. Αυτό δεν εμποδίζει αχανείς χώρες όπως η Κίνα ή η Αυστραλία να υιοθετήσουν τα νέα τρένα ή τη σχεδιαζόμενη γραμμή του Λος Άντζελες, να γίνει πράξη, κι ας κοστίζει 8,5 δισ. δολάρια αντί για 2,4 δισ. που θα κόστιζε ένας δρόμος. Τέλος, ένα άλλο μειονέκτημα, που ουσιαστικά απαγορεύει σε χώρες όπως η Ελλάδα να δουν ποτέ ένα τέτοιο τρένο, είναι ότι το Maglev δεν μπορεί να προστεθεί στις ήδη υπάρχουσες σιδηροτροχιές, αλλά πρέπει να κατασκευαστούν δικές του εξ αρχής. 7

8 4. Ανάπτυξη και Λειτουργία Μαγνητικών Τρένων To τρένο μαγνητικής αιώρησης είναι τρένο υπερσύγχρονης τεχνολογίας, που κινείται με πολύ υψηλή ταχύτητα (400 ως 500 χλμ. την ώρα) αιωρούμενο, δηλαδή υψωμένο λίγο πάνω από τις ράγες του, με τη βοήθεια μαγνητικών πεδίων. Οι έρευνες για την ανάπτυξη του μαγνητικού τρένου άρχισαν στα τέλη της δεκαετίας του 1960 και συνεχίστηκαν κατά τις επόμενες δεκαετίες στην Ευρώπη, την Ιαπωνία και τις ΗΠΑ. Στα μέσα της δεκαετίας του 1990 έχουν επικρατήσει δύο κύριες παραλλαγές του που βασίζονται στην ίδια αρχή λειτουργίας, τη δημιουργία ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου που ανυψώνει και προωθεί το τρένο, και διαφέρουν στο σχεδιασμό και στις διατάξεις που δημιουργούν το πεδίο. Η κίνηση του τρένου επιτυγχάνεται με τη βοήθεια γραμμικού επαγωγικού κινητήρα, ενός τύπου ηλεκτροκινητήρα σε εξελισσόμενο στάδιο που παράγει ένα οδεύον μαγνητικό πεδίο. Η πρώτη παραλλαγή (ηλεκτρομαγνητική αιώρηση) αναπτύχθηκε στη Γερμανία από τις αρχές της δεκαετίας του Το γερμανικό μαγνητικό τρένο Transrapid είναι διαμορφωμένο κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να περιβάλλει τη σιδηροτροχιά και φέρει στο κάτω μέρος του μόνιμους μαγνήτες. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που δημιουργείται ανυψώνει το τρένο 1 εκατοστό περίπου πάνω από τη σιδηροτροχιά, που είναι συνήθως κατασκευασμένη από σίδηρο και μπετόν, σε σχήμα Τ και φτάνει σε ύψος περίπου 5 μέτρων. Από τις αρχές της δεκαετίας του 1980 το Transrapid δοκιμάζεται σε μια πειραματική διαδρομή μήκους 31,5 χλμ. στο Λατέν (Έμσλαντ) της Γερμανίας και το 1989 έφτασε την ταχύτητα των 435 χλμ./ώρα. Η δεύτερη παραλλαγή (ηλεκτροδυναμική αιώρηση) αναπτύχθηκε στην Ιαπωνία. Το ιαπωνικό μαγνητικό τρένο Maglev (magnetic levitation) φέρει υπεραγώγιμους μαγνήτες από κράματα νιοβίουτιτανίου και νιοβίου-κασσιτέρου που ψύχονται με υγρό ήλιο. Κατά μήκος της σιδηροτροχιάς, που έχει συνήθως σχήμα U, στη βάση και στα πλάγια υπάρχουν πηνία που δημιουργούν μαγνητικό πεδίο που απωθεί τους υπεραγώγιμους μαγνήτες και ανυψώνει το τρένο 10 έως 15 εκατοστά. Για ταχύτητες έως και 100 χλμ. το τρένο χρησιμοποιεί συμβατικούς ελαστικούς τροχούς, ενώ για μεγαλύτερες ταχύτητες ανυψώνεται. 8

9 Από τις αρχές της δεκαετίας του 1970 το Maglev δοκιμάζεται σε μια τροχιά 7 χλμ. στο Μιγιαζάκι της Ιαπωνίας και έχει φτάσει την ταχύτητα των 517 χλμ./ώρα. To Transrapid απαιτεί συνεχή ρύθμιση της σιδηροτροχιάς με υπολογιστές, καθώς κινείται πάνω από τη σιδηροτροχιά, σε μικρή απόσταση από αυτή και υπάρχει πάντα ο κίνδυνος να τη χτυπήσει. Αντίθετα το Maglev, χάρη στους υπεραγώγιμους μαγνήτες που παρέχουν ισχυρότερα μαγνητικά πεδία, εξασφαλίζει μεγάλη απόσταση από την τροχιά, έτσι ώστε να αποκλείεται ο κίνδυνος σύγκρουσης με την τροχιά, ακόμη και στην περίπτωση μετακίνησης της λόγω σεισμού. Επιπλέον, είναι σταθερότερο και δεν απαιτεί συνεχείς ρυθμίσεις, λόγω όμως των υπεραγώγιμων μαγνητών παρουσιάζει υψηλό κόστος κατασκευής και λειτουργίας, καθώς και πολύ υψηλή μαγνητική ροή στο εσωτερικό του που υπερβαίνει τα επιτρεπτά όρια και μπορεί να επηρεάσει ηλεκτρονικές συσκευές. Γενικά τα τρένα μαγνητικής αιώρησης πλεονεκτούν έναντι των συμβατικών, καθώς αναπτύσσουν υψηλότερες ταχύτητες, μειώνοντας τους χρόνους των διαδρομών, επιταχύνουν και φρενάρουν γρηγορότερα, έχουν πολύ μεγαλύτερη δυνατότητα κίνησης σε ανωφέρειες και λειτουργούν χωρίς προβλήματα σε δύσκολες καιρικές συνθήκες (βροχή, χιόνι, πάγος). Ακόμη, είναι άνετα και προκαλούν λιγότερο θόρυβο, ο οποίος ωστόσο αυξάνεται όσο η ταχύτητα πλησιάζει τα 400 χλμ./ώρα. Επιπλέον παρουσιάζουν αρκετά μικρότερη κατανάλωση ενέργειας σε σχέση με τα συμβατικά τρένα υψηλών ταχυτήτων και τα αεροπλάνα, ενώ καθώς χρησιμοποιούν ηλεκτρικό ρεύμα, δεν προκαλούν ρύπανση της ατμόσφαιρας στην περιοχή όπου λειτουργούν. Τα μαγνητικά τρένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε χαμηλές ταχύτητες (μικρότερες από 100 χλμ./ώρα) για μικρές αποστάσεις σε αστικές περιοχές, σύνδεση πόλεων με αεροδρόμια, λιμάνια κ.λπ. Τέτοια περίπτωση αποτελεί το μαγνητικό τρένο του Μπέρμινχαμ της Αγγλίας, που από το 1984 συνδέει το σταθμό με το αεροδρόμιο της πόλης. Ωστόσο, στα μέσα της δεκαετίας του 1990 το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στα μαγνητικά τρένα υψηλής ταχύτητας για κάλυψη μεγάλων αποστάσεων. Το 1994 αποφασίστηκε η κατασκευή τροχιάς 284 χλμ. για την εισαγωγή μαγνητικού τρένου για τη σύνδεση του Αμβούργου με το Βερολίνο. 9

10 Υπό κατασκευή βρίσκεται ακόμη μια διαδρομή μήκους 43 χιλιομέτρων δυτικά του Τόκιο, για τη διεξαγωγή δοκιμών του πιο εξελιγμένου τύπου του Maglev, μετά τις οποίες σχεδιάζεται η χρησιμοποίηση του για τη σύνδεση Τόκιο και Οσάκα. Μεγάλο ενδιαφέρον έχει εκδηλωθεί επίσης και στις ΗΠΑ για τη χρησιμοποίηση του Maglev στις συγκοινωνίες. Το 1994 αποφασίστηκε η προώθηση σχεδίου ανάπτυξης υπόγειων μαγνητικών τρένων στην Ελβετία, μια κατεξοχήν ορεινή χώρα, με το σκεπτικό ότι με τους υπόγειους συρμούς δεν θα επιβαρυνθεί το περιβάλλον από επίγειες κατασκευές και ρύπους. Τα αρχικά σχέδια προβλέπουν την κατασκευή διπλών σηράγγων διαμέτρου 5 μέτρων και μήκους εκατοντάδων χιλιομέτρων, που θα συνδέουν τη Γενεύη (νοτιοδυτικά) με το Σαιντ Γκάλεν (βορειοανατολικά) και τη Βασιλεία (βορειοδυτικά) με τη Μπελινζόν (νοτιοανατολικά). Η ανάπτυξη των μαγνητικών τρένων θεωρείται ότι θα συμβάλει στην αποσυμφόρηση της κυκλοφορίας στους αυτοκινητόδρομους, καθώς και στη μείωση της εσωτερικής εναέριας κυκλοφορίας. Ανασχετικό παράγοντα, όμως, για την ευρεία διάδοση των μαγνητικών τρένων αποτελεί η μεγάλη δαπάνη που απαιτείται για τη δημιουργία εντελώς νέου σιδηροδρομικού δικτύου. Για την υπέρβαση του υψηλού κόστους του νέου δικτύου, προωθείται στις ΗΠΑ η πειραματική ανάπτυξη ενός νέου τύπου τρένου, που είναι γνωστό ως Seraphim (Segmented Rail Phased induction Motor) και αποτελεί συνδυασμό μαγνητικής προώθησης και τροχών, διαφέρει δηλαδή από το καθεαυτού μαγνητικό τρένο στο ότι δεν ανυψώνεται, είναι όμως δυνατό να κινείται στις ήδη υπάρχουσες συμβατικές σιδηροτροχιές. Οι τροχοί στην περίπτωση των τρένων τύπου Seraphim δεν χρησιμεύουν για την κίνηση του οχήματος, απλά το κατευθύνουν, έτσι ώστε η διαθέσιμη ισχύς από τα μαγνητικά πεδία να καταναλώνεται στην προώθηση. 10

11 5. Τρένο Μαγνητικής Ανύψωσης Φυσικές Αρχές και Τεχνολογίες Τρένο της μαγνητικής ανύψωσης Τρένο της μαγνητικής ανύψωσης, είναι ένα τρένο που χρησιμοποιεί μαγνητικές δυνάμεις για να του εξασφαλίσει ανύψωση και να το προωθήσει. Αντίθετα από τα κλασικά τρένα, δεν είναι σε επαφή με ράβδους, το οποίο επιτρέπει την ελάττωση τριβών, και να φθάσει σε élevées ταχύτητες λίγο, το σημερινό ρεκόρ που χρονολογεί του 2003 που είναι 581 km/h, soit 7 km/h παραπάνω από το τελευταίο ρεκόρ (574,8 km/h) TGV του 2007[1]. Αρχές και τεχνολογίες Υπάρχει δύο κύριοι τύποι των τρένων της μαγνητικής μετεώρισης: 1. Ο ηλεκτροδυναμικός τύπος της ανύψωσης (ή EDS), που χρησιμοποιεί μαγνήτες υπεραγωγοί. Supraconductrices μπομπίνες τοποθετούνται μέσα στο τρένο και ηλεκτρομαγνήτες τοποθετούνται κατά μήκος το δρόμο. Ενώ το τρένο κινείται, ένα ρεύμα προκαλείται μέσα στο δρόμο. δύναμη Laplace συνισταμένη γίνοντας léviter το τρένο. Η μετατόπιση του τρένου παράγει πολύ σημαντική ηλεκτρομαγνητική traînée, που μια élevée énergétique κατανάλωση. Το που καταλήγει πρόγραμμα είναι το ιαπωνικό Maglev. 2. Ο τύπος ηλεκτρομαγνητική ανύψωση (ή EMS), που χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνήτες κλασικούς. Ηλεκτρομαγνητική traînée είναι εδώ πολύ αδύνατη, και μάλιστα nulle. Transrapid η Γερμανία είναι ο κύριος αντιπρόσωπος. Η «porteur» ράβδος περιέχει μαγνήτες ή των ηλεκτρομαγνητών. Η αλληλεπίδραση ανάμεσα στους μαγνήτες του χείλους του τρένου και μαγνητών των που έρχονται κατά μήκος το δρόμο δημιουργεί μια προκληθείσα μαγνητική δύναμη που αντισταθμίζει τη βαρύτητα και δημιουργεί τη μετεώριση. Αυτοί μαγνήτες απωθούν το τρένο ανοδικός και εξασφαλίζουν την ύπαρξη μιας ικανοποιητικής φύλαξης ανάμεσα στη «ράβδο» και το τρένο που ελευθερώνει το όχημα όλης απώλειας οφειλόμενης στην τριβή. Εμφανίζεται παρόλα αυτά μαγνητική traînée. Εξάλλου, στις élevées ταχύτητες, είναι η αεροδυναμική αντίσταση που αντιπροσωπεύει κατά πολύ την κύρια αντίσταση στην προώθηση. Η προώθηση εξασφαλίζεται από έναν ευθύγραμμο κινητήρα που ονομάζεται «σύγχρονος». 11

12 Τα κύρια προγράμματα στην ανάπτυξη Transrapid είναι ένα πρόγραμμα γερμανικός πραγματοποιημένος από αρκετές επιχειρήσεις των οποίων Siemens και MBB ποιος είχε πραγματοποιήσει το πρώτο πρωτότυπο μέσα 19 70σ. Προς το παρόν ένα πρόγραμμα της σύνδεσης κεντρική gare Munich με τον αερολιμένα Josef Strauss είναι κατά τη διάρκεια των μελετών. Ένα πρόγραμμα της γραμμής Βερολίνο- Hambourg εήταν εγκριμένου 1994 αλλά έχει εγκαταλειφθεί κατά συνέπεια, ελλείψει την οικονομική υποστήριξη του Κράτους. Μια εφαρμογή έχει βρεθεί Κίνα Shanghaï, σε μια σύνδεση εστιάσει πόλη 30 χλμ η που εγκαινιάζεται τον Ιανουάριο Το Μάρτιος το 2006, το έναρξη μιας νέας γραμμής των 175 χιλιομέτρων αναγγέλλεται: πρέπει να παρατείνει την υπαρκτή γραμμή μέχρι την τουριστική πόλη Hangzhou. Παρόλα αυτά, το μέλλον αυτής της γραμμής απειλείται εξαιτίας διαμαρτυριών των εξαρτώμενων στην επίδραση του Transrapid στην υγεία πληθυσμών των γειτονικών της γραμμής. Maglev, (του Άγγλου Magnetic Levτο itation) είναι ένα ιαπωνικό πρόγραμμα, μια πειραματική γραμμή έχει χτιστεί Japon, στο οποίο την ταχύτητα ρεκόρ 581 km/h έχουν επιτευχθεί 2 Δεκεμβρίου Ο στόχος θα ήταν για να χτίσει μια γραμμή που εξασφαλίζει τη σύνδεση Το Τόκυο-Ōsaka (περίπου 400 χλμ) σε μια ώρα. Το φουτουριστικό πρόγραμμα Swissmetro: κάνει την κλήση στις ίδιες μεθόδους αλλά αυτός διπλασιάζει από τη χρησιμοποίηση των σηράγγων κάτω από το μερικό κενό του αέρα. Αυτό έχει το πλεονέκτημα για να μειώσει την τριβή του αέρα που γίνεται πολύ σημαντική πέρα από 500 km/h. 12

13 6. Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα Πλεονεκτήματα Σε σχέση με τους παραδοσιακούς δρόμους του σιδήρου, τα τρένα της μαγνητικής ανύψωσης έχουν θεωρήσει να παρουσιάστε πολλά πλεονεκτήματα: Élevées ταχύτητες, Καλύτερες επιταχύνσεις, Υπερπήδηση πιο ισχυρών κλίσεων που περιορίζουν τον αριθμό τάφρων των που σκάβουν και έργων της τέχνης των που χτίζουν και των που μειώνουν επομένως το συμπληρώνω συνολικά κόστος της υποδομής, Υπερπήδηση των πιο σημαντικών καμπών, Σχεδόν nul ρίσκο του εκτροχιασμού μέσα σε κατασκευές όπως Transrapid (τουλάχιστον tant que το δρόμο είναι dépourvue των συσκευών ή άλλων περιοχών των ρίσκων, το οποίο είναι εξάλλου μια βαριά ανικανότητα του σημείου της όψης της εκμετάλλευσης), Στην ίση ταχύτητα, παράγουν έναν λιγότερος θόρυβο[απαραίτητο REF] (αλλά στην γενική έκπληξη, μια ολλανδική μελέτη του Ολλανδικού Ινστιτούτου της έρευνας TNO Maglev αποκαλύψτε ότι το μαγνητικό τρένο δεν είναι τόσο σιωπηλό όσο υποσχόμενο), Εφευρέθηκε μέσα στην ελπίδα για να αποκτήσει μια καλύτερη énergétique παραγωγή στις μακριές αποστάσεις, παρά ένα απαγορευτικό κόστος στην κοντή απόσταση. Αυτό είναι παρόλα αυτά μακρινός για να αποδειχθεί, ιδιαίτερα εάν επαναφέρει τη συμπληρώνω συνολικά κατανάλωση της ενέργειας στον αριθμό των που μεταφέρονται επιβατών. Μειονεκτήματα Σε περίπτωση του ηλεκτροδυναμικού συστήματος της ανύψωσης, η τιμή της κατασκευής των δρόμων είναι πολύ σημαντική. Πράγματι, το maglev lévite χάρη σε μαγνήτες σταθερούς στα βαγόνια και conductrices μπομπίνες εγκατεστημένες μέσα στις ράβδους. Αυτοί μαγνήτες γίνονται νιόβιο και τιτάνιο και δροσίζεται στα -269 C (4,15 Κ) από ήλιο υγρό να μπορέσει να τους συντηρήσει υπεραγωγιμότητα. Eίναι δύσκολος συλλαμβάνει απλοί aiguillages. Χωρίς aiguillages, μια γραμμή δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί παρά στο λεωφορείο με το ένα μόνο όχημα από το δρόμο, το οποίο σηκώνει της συσκευής πιο από του λογικού οικονομικού προτύπου. Με aiguillages, απαραιτήτως βαρύς και περίπλοκος, εισάγει ένα μείζον ρίσκο: ελλείψει να μπορέσει να εκτροχιαστεί, το όχημα θα ερχόταν να συντριφθεί άσχημα που τοποθετείται aiguillage. 13

14 7. Θεώρημα Earnshaw Μέθοδοι Μαγνητικής Ανύψωσης Θεώρημα του Earnshaw Το θεώρημα του Earnshaw αναφέρει ότι ένα σύνολο σημειακών φορτίων δεν μπορεί να διατηρηθεί σε στατική ισορροπία παρά μόνο με την ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση των φορτίων. Αυτό αποδείχθηκε από τον Samuel Earnshaw το Συνήθως αναφέρεται σε μαγνητικά πεδία, αλλά αρχικά αναφέρθηκε σε ηλεκτροστατικά πεδία και συγκεκριμένα για δυνάμεις που υπακούουν σε σχέσεις ανάλογες του αντιστρόφου του τετραγώνου ή σε συνδυασμούς δυνάμεων, όπως μαγνητικό, ηλεκτρικό ή βαρυτικό πεδίο. Το θεώρημα αυτό προκύπτει από τον νόμο του Gauss. Ένα σωματίδιο για να είναι σε ευσταθή ισορροπία, μικρές διαταραχές στο σωματίδιο αυτό προς οποιαδήποτε διεύθυνση δεν πρέπει να διαταράσσουν την ισορροπία, το σωματίδιο θα πρέπει να επιστρέφει στην αρχική του θέση. Οι δυναμικές γραμμές του πεδίου θα πρέπει να έχουν διεύθυνση προς το εσωτερικό του σώματος. Επειδή όλες οι περιβάλλουσες δυναμικές γραμμές δείχνουν προς το σημείο ισορροπίας, η απόκλιση του πεδίου στο σημείο αυτό θα πρέπει να είναι διάφορη του μηδενός και συγκεκριμένα αρνητική. Όμως, σύμφωνα με τον νόμο του Gauss αυτό είναι αδύνατο. Διότι, η δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο, F (x) όπου x η απόσταση, και προκύπτει από συνδυασμό αντιστρόφως ανάλογων του τετραγώνου δυνάμεων που υπακούουν στην εξίσωση του Laplace, έχουν πάντα μηδενική απόκλιση ( V F 0) στον κενό χώρο. Τελικώς, δεν υπάρχει κανένα σημείο στον κενό χώρο όπου οι δυναμικές γραμμές να οδηγούν στο κέντρο του από όλες τις διευθύνσεις, οπότε δεν υπάρχει και ευσταθής ισορροπία των σωματιδίων. Δεν υπάρχουν μέγιστα ή ελάχιστα παρά μόνο ανώμαλα σημεία. Αναφέρεται ακόμα πως ούτε σιδηρομαγνήτες δεν μπορούν να έχουν στατική ισορροπία, ενώ μπορούν να ανυψωθούν ενάντια στην βαρύτητα όταν οι μαγνητικές δυνάμεις γίνουν πιο ισχυρές των βαρυτικών δυνάμεων. Φυσικά υπάρχουν και κάποιες εξαιρέσεις του θεωρήματος που επιτρέπουν την μαγνητική ανύψωση. 14

15 Η εφαρμογή του θεωρήματος στα μαγνητικά δίπολα αποτελεί απόδειξη της ισχύος του. Η ενέργεια U ενός μαγνητικού δίπολου Μ σε μαγνητικό πεδίο Β δίνεται από την σχέση, U = -Μ Β = - (Μ Χ Β Χ + Μ y B y + M z B z ) Η μαγνητική ανύψωση του δίπολου θα είναι ευσταθείς μόνο στα σημεία όπου η ενέργεια θα γίνεται ελάχιστη, οπότε η λαπλασιανή της ενέργειας θα πρέπει να είναι θετική U U U U x y z V 2 2 Επειδή δεν υπάρχει κάποιο ρεύμα ή μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο η απόκλιση και η στροφή του μαγνητικού πεδίο άρα και των επιμέρους λαπλασιανών θα είναι μηδέν. V 2 B x = 0, V 2 B y = 0, V 2 B z =0 Η απόδειξη έχει ως εξής, για ένα μαγνητικό δίπολο με σταθερή διεύθυνση όπου M x,m y,m z σταθερά, η λαπλασιανή θα είναι πάντα μηδέν και δεν θα υπάρχει κανένα σημείο στον χώρο για ευσταθή μαγνητική ανύψωση. Δηλαδή, U = -Μ Β = - (Μ χ,β x + M y B y + Μ z Β z ) οπότε, V 2 U = 0 Αν όμως τα μαγνητικά δίπολα ευθυγραμμιστούν παράλληλα ή αντιπαράλληλα με το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο τότε η μαγνήτιση του δίπολου είναι ανάλογη της μαγνητικής επαγωγής και ισχύει, U M B kb B k (B² x +B² y +B² z ) όπου k αρνητικό για διαμαγνητικά υλικά και θετικό για παραμαγνητικά. Τελικά, αυτό δείχνει ότι τα παραμαγνητικά υλικά μπορούν να έχουν μέγιστα και όχι ελάχιστα και τα διαμαγνητικά υλικά μπορούν να έχουν ελάχιστα ενέργειας και όχι μέγιστα. V² (B² x +B² y +B² z ) 0 Δηλαδή, τα διαμαγνητικά υλικά είναι ευσταθή προς όλες τις κατευθύνσεις, αυτό δεν αποκλείει το ενδεχόμενο να υπάρχουν κάποια ανώμαλα σημεία στον χώρο. 15

16 Για σιδηρομαγνητικό υλικό (μόνιμο μαγνήτη) έχουμε, B M k B U M B k B B 2 (B x B B k 2 (B x B 2 y 2 B z) 2 B z) 2 y 1/2 k(b 2 x B 2 y B 2 z ) 1/2 Σταθερή μαγνητική ανύψωση με μόνιμο μαγνήτη έχει παρατηρηθεί μόνο με την βοήθεια περιστροφής. 3. Εξαιρέσεις του Θεωρήματος Υπάρχουν μερικά φαινόμενα που παραβιάζουν το θεώρημα του Earnshaw, κάποια από αυτά είναι τα εξής: Κβαντικά Φαινόμενα Ένα σώμα που επικάθεται σε μια επιφάνεια ανυψώνεται σε μια μικροσκοπική απόσταση πάνω από αυτό. Αυτό οφείλεται στις ηλεκτρομαγνητικές ενδομοριακές δυνάμεις και δεν ταυτίζεται με την έννοια της μαγνητικής ανύψωσης. Λόγω των μικρών αποστάσεων τα κβαντικά φαινόμενα είναι σημαντικά, όμως το θεώρημα του Earnshaw αναφέρεται στην κλασσική φυσική. Ανατροφοδότηση Αν ανιχνεύσουμε την θέση ενός αντικειμένου στο διάστημα ή στον χώρο μπορούμε να το τροφοδοτήσουμε με ένα σύστημα ελέγχου που μπορεί να διαφοροποιεί την δύναμη των ηλεκτρομαγνητών που ενεργούν πάνω στο αντικείμενο, και το διατηρούν ανυψωμένο. Αυτό γίνεται προγραμματίζοντας το σύστημα να αυξάνει την δύναμη όταν το αντικείμενο απομακρύνεται και να την μειώνει όταν αυτό πλησιάζει. Η ίδια λειτουργία επιτυγχάνεται και με κινητούς σταθερούς μαγνήτες. Η ηλεκτρομαγνητική ανύψωση είναι ένα από τα συστήματα που χρησιμοποιούν τα μαγνητικά τρένα, όπως αυτό του αεροδρομίου του Birmingham της Αγγλίας. Υπάρχουν και στην αγορά τέτοιες συσκευές που ανυψώνουν αντικείμενα με αυτή τη μέθοδο. 16

17 Διαμηγνητισμός Είναι δυνατόν να ανυψώσουμε οποιοδήποτε διαμαγνητικό υλικό καθώς και υπεραγωγούς. Και αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται στα μαγνητικά τρένα. Είναι κάτι αρκετά απλό η ανύψωση των νέων υπεραγώγιμων υλικών υψηλής θερμοκρασίας. Ένας υπεραγωγός είναι ένας τέλειος διαμαγνήτης που σημαίνει ότι απωθεί το μαγνητικό πεδίο. Τα διαμαγνητικά υλικά μπορούν και αυτά να ανυψωθούν αλλά χρειάζονται πιο ισχυρά μαγνητικά πεδία. Σταγόνες νερού, ακόμα και βάτραχος έχει ανυψωθεί χάρη στις διαμαγνητικές του ιδιότητες. Το θεώρημα του Earnshaw δεν ισχύει σε αυτή την περίπτωση καθώς οι διαμαγνήτες συμπεριφέρονται αντίθετα από τα μαγνητικά υλικά. Έχουν την ιδιότητα να ευθυγραμμίζονται αντιπαράλληλα στις μαγνητικές γραμμές, σε αντίθεση με τους μαγνήτες που ευθυγραμμίζονται παράλληλα σε αυτές. Στους διαμαγνήτες τα ηλεκτρόνια προσαρμόζουν τις τροχιές τους έτσι ώστε να αντισταθμίζουν την ροή του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, με αποτέλεσμα να δημιουργούν μαγνητικό πεδίου που να έχει αντίθετη διεύθυνση. Αυτό σημαίνει ότι η μαγνητική ροπή του διαμαγνήτη είναι αντίρροπη με την ροπή του εξωτερικού πεδίου. Οι υπεραγωγοί είναι διαμαγνήτες με μια μικρή αλλαγή στις τροχιές των ηλεκτρονίων. Ο βάτραχος, για παράδειγμα, θεωρείται διαμαγνήτης όμως τα ηλεκτρόνια σε κάθε μόριο του σώματος του έχουν διαφορετική τροχιά. Ταλαντούμενα Πεδία Ένα ταλαντούμενο μαγνητικό πεδίο θα δημιουργήσει εναλλασσόμενο ρεύμα στον αγωγό και αυτό θα παράγει μια ανυψωτική δύναμη. Κάτι αντίστοιχο μπορεί να επιτευχθεί και με έναν περιστρεφόμενο δίσκο κατάλληλου σχήματος. Το ταλαντούμενο πεδίο μετατρέπει ένα αγώγιμο σώμα σε διαμαγνητικό. Λόγω της υπάρχουσας αντίστασης, η αλλαγή στο διάνυσμα τροχιών των ηλεκτρονίων μετά από κάποιο χρονικό διάστημα εξαφανίζεται, όμως με την ταλάντωση δημιουργείται ένα ρεύμα στην επιφάνεια και διατηρεί την υπεραγώγιμη συμπεριφορά των σωμάτων. Περιστροφή 'Ένα αντικείμενο που περιστρέφεται μπορεί να αιωρηθεί και με την βοήθεια σταθερών μαγνήτη. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το Levitron, ένα παιχνίδι που λειτουργεί βασισμένο στην παραπάνω πρόταση. 17

18 Η περιστρεφόμενη κορυφή μπορεί να ανυψωθεί πάνω από μια βάση με την σωστή διάταξη των μαγνητών και να διατηρηθεί ανυψωμένο καθ' όλη την διάρκεια όπου η ταχύτητα περιστροφής του και το ύψος του από την βάση διατηρούνται σε κάποια όρια. Χρησιμοποιούνται μόνο μόνιμοι μαγνήτες, και κεραμικά υλικά για να αποτρέψουν την δημιουργία ρευμάτων που θα απελευθερώσουν την περιστροφική ενέργεια. Και αυτή η εφαρμογή μπορεί να θεωρηθεί ότι βασίζεται σε διαμαγνητικά φαινόμενα, καθώς με την περιστροφή σταθεροποιείται η διεύθυνση της μαγνητικής ροπής στον χώρο και τοποθετώντας τον μαγνήτη( αντίθετα από τον σταθερό μαγνήτη) με σταθερή μαγνήτιση αντιπαράλληλα στο μαγνητικό πεδίο, αυτό αιωρείται. 4. Μέθοδοι Μαγνητικής Ανύψωσης Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι με τις οποίες μπορεί να επιτευχθεί η μαγνητική ανύψωση. Οι πιο βασικές είναι αυτές που χρησιμοποιούνται και στα μαγνητικά τρένα και είναι η ηλεκτρομαγνητική ανύψωση και η ηλεκτροδυναμική ανύψωση. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε μερικές βασικές κατηγορίες μαγνητικής ανύψωσης. Μηχανικές Δυνάμεις Αν δύο μαγνήτες τοποθετηθούν κατά μήκος ενός άξονα έτσι ώστε να απωθούνται έντονα μεταξύ τους, αυτό θα οδηγήσει στην ανύψωση του ενός πάνω από τον άλλο. Η περίπτωση αυτή ονομάζεται ψευδό-ανύψωση. Άμεση Διαμαγνητική Ανύψωση Μια ουσία που είναι διαμαγνητική απωθεί ένα μαγνητικό πεδίο. Το θεώρημα του Earnshaw δεν ισχύει για διαμαγνητικά υλικά. Τέτοια υλικά συμπεριφέρονται ακριβώς αντίθετα από τα μαγνητικά υλικά λόγω της σχετικής μαγνητικής διαπερατότητας τους που είναι μικρότερη της μονάδας. Όλα τα υλικά έχουν αυτή την ιδιότητα άλλα ο παραμαγνητικός ή ο σιδηρομαγνητικός τους χαρακτήρας υπερισχύει. Η διαμαγνητική δύναμη είναι συνήθως αρκετά μικρή. Μπορεί να επιτευχθεί σε ελαφριά υλικά, ακόμα και σε μικρά ζώα όπως ο βάτραχος, όμως με παρουσία ισχυρού μαγνητικού πεδίου. Το ελάχιστο κριτήριο για διαμαγνητική db g ανύψωση είναι B μ ο ρ όπου, dz x 18

19 x p η μαγνητική επιδεκτικότητα η πυκνότητα του υλικού g η σταθερά βαρύτητας (9,81 m/s 2 ) μ o Β η μαγνητική διαπερατότητα του κενού το μαγνητικό πεδίο η παράγωγος του μαγνητικού πεδίου στον κατακόρυφο άξονα Για παράδειγμα υπό ιδανικές συνθήκες το νερό ανυψώνεται όταν db db ενώ dz ο γραφίτης όταν B 375T²/m. dz db B 1400T²/m dz Υπεραγωγοί Οι υπεραγωγοί είναι τέλειοι διαμαγνήτες, δηλαδή μr=0., και αποβάλλουν εντελώς τα μαγνητικά πεδία λόγω του φαινομένου Meissner. Η μαγνητική ανύψωση του μαγνήτη οφείλεται στην σταθερότητα της ροής στο εσωτερικό του υπεραγωγού. Η αρχή αυτή χρησιμοποιείται στην ηλεκτροδυναμική ανύψωση των μαγνητικών τρένων. Στα τρένα, τα οποία ζυγίζουν αρκετά, χρησιμοποιούνται υπεραγωγοί στον ηλεκτρομαγνήτη καθώς παράγουν ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο για το ίδιο βάρος. 19

20 Διαμαγνητικό Σταθεροποιημένη Ανύψωση Ένας μόνιμος μαγνήτης μπορεί να ανυψωθεί με σταθερότητα από διάφορες διαμορφώσεις ισχυρών μόνιμων μαγνητών και ισχυρών διαμαγνητών. Όταν χρησιμοποιείται υπεραγώγιμος μαγνήτης η σταθεροποιημένη ανύψωση ενός μόνιμου μαγνήτη επιτυγχάνεται ακόμα και με την μικρή διαμαγνητική ιδιότητα του νερού που περιέχουν τα δάχτυλα ενός ανθρώπου. Περιστροφική Σταθεροποίηση Ένας μαγνήτης μπορεί να σταθεροποιηθεί περιστρεφόμενος μέσα σε ένα πεδίο που δημιουργείται από ένα δακτύλιο άλλων μαγνητών. Για να είναι δυνατή η σταθεροποίηση του μαγνήτη πρέπει ο ρυθμός μετάπτωσης να ελαττωθεί κάτω από ένα κρίσιμο όριο, η περιοχή σταθερότητας είναι αρκετά στενή και ως προς τον χώρο αλλά και ως προς τον ρυθμό μετάπτωσης. Ένα γνωστό αντικείμενο που υπακούει στην περιστροφική σταθεροποίηση είναι το παιχνίδι Levitron. 20

21 Servo Σταθεροποίηση Δυναμικά σταθεροποιημένη μαγνητική ανύψωση επιτυγχάνεται μετρώντας την θέση και την τροχιά του μαγνήτη που ανυψώνεται και συνεχώς προσαρμόζοντας το τοπικό μαγνητικό πεδίο για να ρυθμίζει την κίνηση του. Αυτή η αρχή χρησιμοποιεί συνήθως μια δέσμη φωτός η οποία μετρά την θέση και την ταχύτητα του αντικειμένου. Στα απλά συστήματα ο ηλεκτρομαγνήτης είναι πάνω από το αντικείμενο που αιωρείται και κλείνει όταν το αντικείμενο πλησιάζει αρκετά κοντά ενώ ανοίγει ξανά όταν το αντικείμενο απομακρύνεται αρκετά. Αυτό το σύστημα δεν είναι αρκετά ισχυρό, υπάρχουν όμως πιο πολύπλοκα και αποτελεσματικά συστήματα. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται στην ηλεκτρομαγνητική ανύψωση των μαγνητικών τρένων. Το τρένο ανυψώνεται από τις ράγες και με τους servo διακόπτες διατηρείται σε μια σταθερή απόσταση από τον διάδρομο. Περιστρεφόμενοι Αγωγοί κάτω από Μαγνήτες Αν περιστρέψουμε μια βάση φτιαγμένη από ηλεκτρικό αγωγό κάτω από ένα μαγνήτη, θα δημιουργηθεί ένα ρεύμα που θα απωθήσει τον μαγνήτη. Σ' έναν αρκετά υψηλό ρυθμό περιστροφής ο μαγνήτης θα ανυψωθεί. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται στις σειρές Halbach αντί για την χρήση μόνιμου μαγνήτη ενός πόλου. 21

22 Υψηλής Συχνότητας Ταλαντούμενα Ηλεκτρομαγνητικά Πεδία Ένας αγωγός μπορεί να ανυψωθεί πάνω από έναν ηλεκτρομαγνήτη με την βοήθεια υψηλής συχνότητας εναλλασσόμενο ρεύμα να τον διαρρέει. Με αυτόν τον τρόπο ο αγωγός συμπεριφέρεται ως διαμαγνήτης, λόγω των ρευμάτων Eddie που δημιουργούνται στον αγωγό. Καθώς τα ρεύματα Eddie δημιουργούν δικά τους πεδία που αντιτίθενται στο μαγνητικό πεδίο, το αγώγιμο υλικό απωθείται από τον ηλεκτρομαγνήτη. Για να πραγματοποιηθεί η ανύψωση χρειάζονται αρκετά υψηλές συχνότητες και μη-σιδηρομαγνητικά υλικά, καθώς αυτά έλκονται ισχυρά από τον ηλεκτρομαγνήτη. Το φαινόμενο αυτό χρησιμοποιείται σε ταινίες για να αιωρηθεί ένα αντικείμενο μέσα στο οποίο αποκρύπτεται μια πλάκα αλουμινίου. Σειρές Halbach και Inductrack Κινούμενες σειρές Halbach πάνω από έναν αγώγιμο βρόχο παράγουν ένα ρεύμα στον βρόχο, το οποίο με τη σειρά του δημιουργεί ένα αντιτιθέμενο μαγνητικό πεδίο. Σε μια κρίσιμη ταχύτητα το αντιτιθέμενο μαγνητικό πεδίο είναι αρκετά ισχυρό ώστε να προκαλέσει ανύψωση πάνω από μια σειρά τέτοιων βρόχων. Μπορούμε να τοποθετήσουμε τις σειρές Halbach σε μια σταθερή διάταξη όπως για παράδειγμα μέσα σε ένα βαγόνι τρένου. Τα μαγνητικά τρένα Inductrack είναι πιο ασφαλή από τα μαγνητικά τρένα που λειτουργούν με ηλεκτρομαγνητικά ή ηλεκτροδυναμικά συστήματα. Στις σειρές αυτές χρησιμοποιούνται μόνιμοι μαγνήτες και οι αγώγιμοι βρόχοι που θα οδηγήσουν στην ανύψωση δεν διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα. Όμως είναι απαραίτητο το τραίνο να κινείται με μερικά χιλιόμετρα την ώρα για να διατηρηθεί η ανύψωση. Το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγει την ανύψωση είναι αυτό που δημιουργείται στους βρόχους και οφείλεται στην κίνηση του τραίνου (μαγνητική έλξη). Η αποδοτικότητα του είναι αρκετά καλή και χωρίς ενεργή ηλεκτρονική ή κρυογενετική για τους υπεραγωγούς. 22

23 8. Ιστορία του μαγνητισμού Η ιστορική εξέλιξη των μοντέλων για το μαγνητισμό και τον ηλεκτρομαγνητισμό Από την αρχαιότητα μέχρι τον 16 ο μ.χ. αιώνα, τα ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα αντιμετωπίζονταν με ενιαίο τρόπο και σε ορισμένες περιπτώσεις ο μαγνητισμός συσχετιζόταν με τη βαρύτητα. Επικρατέστερο σχήμα της μεγάλης αυτής χρονικής περιόδου αποτελεί ένα βιταλιστικό-ανιμιστικό μοντέλο για τη φύση, με βάση το οποίο αποδίδεται συναίσθηση στην έμψυχη ή άψυχη ύλη. Τα κυρίαρχα μοντέλα για το μαγνητισμό ήταν δύο: Το πρώτο εξηγεί την μαγνητική δύναμη με την ύπαρξη μιας κρυμμένης δύναμης, η οποία είτε ενυπάρχει στο σίδηρο και ενεργοποιείται από την παρουσία του μαγνήτη είτε μεταφέρεται από το μαγνήτη στο σίδηρο (Θαλής, Πλάτων, Αριστοτέλης, Petrus Peregrinus, Αβερρόης). Επειδή το μοντέλο αυτό υποστηριζόταν από τον Αριστοτέλη, και με δεδομένη την επίδραση που αυτός ασκούσε, το παραπάνω μοντέλο ήταν τα κυρίαρχο κατά την Αρχαιότητα και το Μεσαίωνα. Το δεύτερο θεωρεί ότι η μαγνητική δύναμη οφείλεται σε κάποιου είδους "ροή" (στην περίπτωση των ατομικών φιλοσόφων πρόκειται για ροή σωματιδίων), που εκπέμπεται είτε μόνο από το μαγνήτη είτε και από το σίδηρο (Διογένης, Εμπεδοκλής, Δημόκριτος, Επίκουρος, Λουκρήτιος). Υπάρχουν και κάποια άλλα μοντέλα που δεν εντάσσονται στις παραπάνω κατηγορίες όπως, για παράδειγμα, αυτό του Ιωάννη του St Amand, το οποίο παρουσιάζει αξιοσημείωτη ομοιότητα με τους "σωλήνες δύναμης" του Faraday. Κατά τον 17 ο αιώνα, κυριαρχεί το φιλοσοφικό ρεύμα της "φυσιοκρατίας της Αναγέννησης", στο οποίο η φύση σφύζει από ζωή και σε πολλές περιπτώσεις φαίνεται να έχει συνείδηση. Γίνεται, για πρώτη φορά, από τον Gilbert διαχωρισμός των ηλεκτρικών και των μαγνητικών φαινομένων. Στις αρχές του αιώνα, διακρίνεται σαφώς ένα ανιμιστικό μοντέλο που θεωρεί ότι ο μαγνητισμός αποτελεί μια εγγενή ιδιότητα των σωμάτων αλλά επίσης συσχετίζεται με τη βαρύτητα (Gilbert, Van Helmont, Kircher, Kepler). Ο Gilbert θεωρεί ότι η γη είναι ένας μεγάλος μαγνήτης και θεωρεί τη βαρύτητα αποτέλεσμα αυτού. Από τις αντιλήψεις αυτές επηρεάστηκαν οι Kepler, Bacon και Boyle. 23

24 Το φιλοσοφικό ρεύμα που κυριάρχησε προς το τέλος του αιώνα είναι η "μηχανοκρατία". Σύμφωνα με το ρεύμα αυτό,'ό κόσμος είναι μηχανή που απαρτίζεται από αδρανή σώματα και κινείται από φυσική αναγκαιότητα, ανεξάρτητα από το αν υπάρχουν νοήμονα όντα". Βασικός εκπρόσωπος του είναι ο Καρτέσιος, ο οποίος δίνει μια ευρηματική εξήγηση για το μαγνητισμό σύμφωνη με τη θεωρία του των στροβίλων και αποσυνδέει το μαγνητισμό από τη βαρύτητα. Κατά τον 18 ο αιώνα επικρατεί το μοντέλο του ενός ή των δύο ειδών μαγνητικού ρευστού. Βασικός εκπρόσωπος του μοντέλου για το ένα είδος μαγνητικού ρευστού είναι ο Aepinus, που θεώρησε ότι οι μαγνητικοί πόλοι είναι περιοχές στις οποίες υπάρχει πλεόνασμα ή έλλειμμα μαγνητικού ρευστού. Εξήγησε τη μονιμότητα των μαγνητών θεωρώντας ότι το μαγνητικό ρευστό είναι σταθερά συνδεδεμένο στους πόρους του. Υπέθεσε ότι τα σωματίδια του μαγνητικού ρευστού απωθούν το ένα το άλλο ενώ έλκουν τα σωματίδια του σιδήρου. Εκπρόσωποι του μοντέλου των δύο ειδών μαγνητικών ρευστών είναι οι Brugmans και Wilcke (που έδωσαν σε αυτά τις ονομασίες βόρειο και νότιο), ο Coulomb (που θεώρησε ότι, αντίθετα από τα ηλεκτρικά, τα μαγνητικά ρευστά δεν μπορούν να διαχωριστούν αφού δεν μπορούν να απομονωθούν οι δύο μαγνητικοί πόλοι) και ο Poisson. Ήδη από τον 18 ο αιώνα υπήρχαν υπόνοιες για τη σύνδεση ηλεκτρισμού και μαγνητισμού και γίνονταν διάφορα πειράματα προς αυτή την κατεύθυνση. Είναι όμως στις αρχές του 19ου αιώνα, που το πείραμα του Oersted επαλήθευσε αυτή τη σύνδεση, αφού πιστοποίησε τα μαγνητικά αποτελέσματα του ηλεκτρικού ρεύματος και άνοιξε το δρόμο για την εμφάνιση του ηλεκτρομαγνητισμού. Το κύριο μοντέλο για τη μελέτη του μαγνητισμού στη Γαλλία και τη Γερμανία του 19 ου αιώνα είναι το Νευτωνικό μοντέλο της δράσης από απόσταση. Κύριοι εκπρόσωποι του είναι οι Ampere και Weber. Ο Ampere θεωρεί ότι οι μαγνήτες δημιουργούνται από λεπτά κυκλικά μοριακά ρεύματα. Με το να είναι η αλληλεπίδραση μεταξύ ρευμάτων και μαγνητών, ο μαγνητισμός είναι απλά μία αλληλεπίδραση μεταξύ ρευμάτων. Οι επιστήμονες της ηπειρωτικής Ευρώπης ακολούθησαν τα ίχνη του Coulomb και του Ampere για να εκφράσουν τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις με διαφορική τυπολογία. "Παρουσίασαν τα αποτελέσματα της έλξης, της απώθησης και της επαγωγής ως εξ αποστάσεως αλληλεπίδραση διαφόρων σωματιδίων, ορμώμενοι από το Νευτωνικό νόμο της βαρύτητας και την επέκταση της σχέσης του αντιστρόφου τετραγώνου στις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις". 24

25 Διαφορετική πορεία ακολούθησαν οι επιστήμονες στην Αγγλία. Ο Faraday που ήταν ο πρώτος που απέδειξε την αμφίδρομη σχέση μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού, αφού μετά από σειρά πειραμάτων δημιούργησε ηλεκτρικό ρεύμα από κινούμενους μαγνήτες, επινόησε την έννοια των δυναμικών γραμμών, τις οποίες θεωρούσε πραγματικά υπαρκτές στη φυσική κατάσταση του χώρου και όρισε την έννοια της δύναμης ως βασική οντότητα στο χώρο. Αποτελεί κατά έναν τρόπο τον πρόδρομο της θεωρίας πεδίου. Ο Maxwell, ξεκινώντας από την προσπάθεια να μαθηματικοποιήσει τις δυναμικές γραμμές του Faraday, καταλήγει να θεμελιώσει τη θεωρία πεδίου. Με τις περίφημες εξισώσεις του Ηλεκτρομαγνητικού Πεδίου, ενοποιεί οριστικά το μαγνητισμό, τον ηλεκτρισμό και το φως. 9. ΤΟ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Όταν ένας αγωγός διαρρέετε από ηλεκτρικό ρεύμα, δημιουργεί γύρω του μαγνητικό πεδίο. Έτσι, απαραίτητη προϋπόθεση για την ανάπτυξη του μαγνητικού πεδίου είναι η κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων. Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι αυτό που παράγει το μαγνητικό πεδίο. Αντίστοιχα, το μαγνητικό πεδίο των μόνιμων μαγνητών οφείλεται στις κινήσεις των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα του ατόμου και τον άξονα τους. Αυτές οι κινήσεις των ηλεκτρονίων ισοδυναμούν με στοιχειώδη ηλεκτρικά ρεύματα, τα οποία αναπτύσσουν στοιχειώδη μαγνητικά πεδία. Έτσι, κάθε άτομο οποιοδήποτε υλικού παράγει κάποιο μαγνητικό πεδίο και είναι ένας στοιχειώδης μαγνήτης με βόρειο και νότιο πόλο. Στα σιδηρομαγνητικά υλικά, από τα οποία κατασκευάζονται οι μαγνήτες, τα μαγνητικά πεδία των ατόμων του υλικού είναι προσανατολισμένα μέσα σε πολύ μικρές περιοχές του υλικού. Αυτές οι περιοχές ονομάζονται περιοχές Weiss και κάθε μια αποτελεί ένα μικροσκοπικό μαγνήτη. 25

26 Όταν οι περιοχές Weiss του σιδηρομαγνητικού υλικού είναι προσανατολισμένες στην ίδια διεύθυνση, το υλικό έχει τα χαρακτηριστικά ενός μαγνήτη. Αν οι περιοχές Weiss είναι τυχαία προσανατολισμένες, τότε το υλικό δεν παρουσιάζει μακροσκοπικά μαγνητικό πεδίο και εμφανίζεται αμαγνήτιστο. Ένας ρευματοφόρος αγωγός ή ένας μαγνήτης δημιουργεί μαγνητικό πεδίο, δηλαδή ένα χώρο γύρω του στον οποίο ασκούνται μαγνητικές δυνάμεις. Η μορφή του μαγνητικού πεδίο παριστά νεται με τις μαγνητικές ή δυναμικές γραμμές. Στο Σχ. i. 1 εικονίζεται η μορφή του μαγνητικού πεδίου που παράγεται από ένα μαγνήτη σε σχήμα ράβδου. Οι μαγνητικές γραμμές είναι κλειστές καμπύλες. Οι μαγνητικές γραμμές έχουν φορά από το βόρειο προς το νότιο πόλο του μαγνήτη. Οι μαγνητικές γραμμές συνεχίζονται και στο εσωτερικό του μαγνήτη, με φορά από το νότιο προς το βόρειο πόλο, σχηματίζοντας κλειστές διαδρομές. Οι δυναμικές γραμμές, εκτός από τη φορά και τη διεύθυνση του μαγνητικού πεδίο, χρησιμοποιούνται ακόμη στην παράσταση του μέτρου του (ένταση). Όσο πυκνότερες είναι οι μαγνητικές γραμμές, τόσο ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο. Το μαγνητικό πεδίο, όπως εικονίζεται στο Σχ. 1.1, είναι ισχυρότερο κοντά στους πόλους. Στο Σχ. 1.2 παρουσιάζεται η μορφή του μαγνητικού πεδίου που αναπτύσσεται από ένα ευθύγραμμο ρευματοφόρο αγωγό. Οι μαγνητικές γραμμές του πεδίου είναι ομόκεντροι κύκλοι με κέντρο τον αγωγό. Ακόμη, οι μαγνητικές γραμμές είναι κάθετες ως προς αγωγό. Η φορά των μαγνητικών γραμμών εξαρτάται από τη φορά του ρεύματος στον αγωγό. Αν στο Σχ. 1.2 η φορά του ρεύματος αντιστραφεί, τότε θα αντιστραφεί και η φορά των δυναμικών γραμμών. 26

27 Το μαγνητικό πεδίο ενός πηνίου με μεγάλο μήκος, σε σχέση με τη διάμετρο του, εικονίζεται στο Σχ Παρατηρούμε ότι, η μορφή του πεδίου είναι όμοια μ' εκείνη του ραβδόμορφου μαγνήτη. Το πεδίο στο εσωτερικό του πηνίου είναι ομοιόμορφο, δηλαδή οι μαγνητικές γραμμές είναι παράλληλες μεταξύ τους και ο αριθμός τους είναι σταθερός. Οι μαγνητικές γραμμές εξέρχονται από το ένα άκρο του πηνίου, το οποίο είναι ο βόρειος πόλος του. Το άκρο του πηνίου όπου εισέρχονται οι μαγνητικές γραμμές είναι ο νότιος πόλος. Το μαγνητικό πεδίο του πηνίου υφίσταται, όσο χρονικό διάστημα διαρκεί η ροή του ρεύματος. 27

28 10. Δύναμη LAPLACE σε ρευματοφόρο αγωγό Όταν ένας αγωγός που διαρρέετε από ρεύμα i βρίσκεται μέσα σ ένα μαγνητικό πεδίο, τότε στον αγωγό ασκείται μια δύναμη F, η οποία ονομάζεται δύναμη Laplace (Σχ. 1.10α). Η δύναμη Laplace εξαρτάται από το μήκος του αγωγού l, την ένταση του ρεύματος που τον διαρρέει / και τη μαγνητική επαγωγή του πεδίου 5, σύμφωνα με τη διανυσματική εξίσωση F = i (lxb) (1.19) Η φορά της δύναμη Laplace ορίζεται από τον κανόνα του δεξιού χεριού. Σύμφωνα μ' αυτόν, ο αντίχειρας του δεξιού χεριού δείχνει τη φορά του ρεύματος, ο δείκτης τη φορά του μαγνητικού πεδίου και ο μέσος τη φορά της δύναμης (Σχ. 1.10β). Το μέτρο της δύναμη Laplace είναι ίσο με F = ilb sin δ (1.20) 28

29 όπου δ είναι η γωνία μεταξύ της διεύθυνσης του αγωγού και του διανύσματος της μαγνητικής επαγωγής. Η δύναμη Laplace είναι μέγιστη όταν ο αγωγός είναι κάθετος στο πεδίο, δ = 90. Αντίστοιχα, η δύναμη Laplace και μηδενική όταν ο αγωγός είναι παράλληλος προς το μαγνητικό πεδίο, δ=0. Συνοψίζοντας τα παραπάνω εξάγεται ο ακόλουθος νόμος του LAPLACE. «Το μέτρο της δύναμης Laplace είναι ανάλογο: α) Με το μήκος (l) του ρευματοφόρου αγωγού που βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο. β) Με την ένταση (Ι) του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό. γ) Με την ένταση του μαγνητικού πεδίου και εξαρτάται από τη γωνία. που σχηματίζει ο αγωγός με τη διεύθυνση των δυναμικών γραμμών. F L = B I lημ φˆ (Ν) F L = Bilημ φˆ (Ν) Σημείο εφαρμογής: το μέσο του τμήματος του αγωγού που βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Διεύθυνση: κάθετη στο επίπεδο που ορίζεται από τον αγωγό και τη διεύθυνση των δυναμικών γραμμών. Φορά: που προσδιορίζεται με τις ακόλουθες τεχνικές. 29

30 11. Ποιο φαινόμενο είναι η υπεραγωγιμότητα; Η Υπεραγωγιμότητα είναι μια κατάσταση ορισμένων υλικών που έχουν ικανότητα να άγουν τον ηλεκτρισμό με μηδενική αντίσταση. Αυτή η ιδιότητα εξαφανίζεται πάνω από μια θερμοκρασία χαρακτηριστική του κάθε υλικού (κρίσιμος θερμοκρασία ή Tc), ή κάτω από ένα μαγνητικό πεδίο ισχυρότερο από μια κρίσιμο τιμή (Hc) ή όταν υπόκειται προς μια πυκνότητα ρεύματος μεγαλύτερη από την χαρακτηριστική του κρίσιμη τιμή (Jc). Η κατάσταση της υπεραγωγιμότητας είναι μια μακροσκοπική κβαντική κατάσταση και υπεύθυνα για την μετάβαση του υλικού από την αγώγιμη στην υπεραγώγιμη κατάσταση είναι όχι τα γνωστά κανονικά ελεύθερα ηλεκτρόνια, αλλά τα ηλεκτρόνια που έχασαν την ιδιότητα να επηρεάζονται από τις δυνάμεις τριβής κι έτσι γίνονται υπεραγώγιμα ηλεκτρόνια. Το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας το ανακάλυψε ο Heike Kamerlingh Onnes το 1911, όταν χρησιμοποίησε το υγρό ήλιο ως ψυκτικό μέσο για να μελετήσει τις ηλεκτρικές ιδιότητες των μετάλλων στις χαμηλές θερμοκρασίες. Προς μεγάλη έκπληξη όλων, όταν ένα δείγμα υδραργύρου ψύχθηκε στους 4,2 περίπου Κέλβιν, η αντίσταση του ξαφνικά μηδενίστηκε. Το κατώφλιο αυτό είναι γνωστό ως κρίσιμη θερμοκρασία, ή Τκ. Η ιστορία της υπεραγωγιμότητας Υλικό Τύπος T c (K) Ψευδάργυρος μέταλλο 0.88 Αργίλιο μέταλλο 1.19 Κασσίτερος μέταλλο 3.72 Υδράργυρος μέταλλο 4.15 YBa 2 Cu 3 O 7 κεραμικό 90 TlBaCaCuO κεραμικό 125 Ο παραπάνω πίνακας δείχνει την κρίσιμη θερμοκρασία (T c ) ορισμένων υλικών, στην οποία η ηλεκτρική αντίσταση είναι μηδέν και μεταβάλλεται ανάλογα με το υλικό. Για πρακτικούς σκοπούς η κρίσιμη θερμοκρασία επιτυγχάνεται ψύχοντας τα υλικά είτε με υγρό ήλιο είτε με υγρό άζωτο. 30

31 Κατά τις πρώτες πέντε δεκαετίες της έρευνας στο πεδίο της υπεραγωγιμότητας, αργά αλλά σταθερά ανακαλύπτονταν άλλα υλικά με ακόμη υψηλότερες κρίσιμες θερμοκρασίες. Όλοι αυτοί οι υπεραγωγοί ήταν είτε καθαρά μεταλλικά στοιχεία είτε διαμεταλλικές ενώσεις (αποτελούμενες από δύο ή περισσότερα μεταλλικά στοιχεία). Ωστόσο, από τη δεκαετία του 1960 έως τα μέσα της δεκαετίας του 1980 η μέγιστη τιμή της Τκ έμοιαζε να έχει καθηλωθεί στους 20 και κάτι Κέλβιν. Όλα αυτά άλλαξαν το 1986 με την ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας υψηλών θερμοκρασιών σε μια πληθώρα μεταλλικών οξειδίων με βάση το χαλκό. Κατά τα πρώτα λίγα χρόνια μετά τη συγκεκριμένη ανακάλυψη, οι τιμές της Τκ εκτοξεύθηκαν στα ύψη, με το οξείδιο υδραργύρου - βαρίου - ασβεστίου - χαλκού να έχει Τκ περίπου 130 Κ. Ήταν μια απίστευτα συναρπαστική εποχή, αλλά σύντομα κατέστη σαφές ότι η κύρια θεωρία για το πώς εμφανίζεται η υπεραγωγιμότητα η γνωστή ως θεωρία BCS δεν εξηγεί την απουσία αντίστασης σε αυτά τα υλικά. Παρά τις σχεδόν εικοσαετείς προσπάθειες, εξακολουθεί να μην υπάρχει ικανοποιητική θεωρία για το πώς ή το γιατί υπεράγουν τα μεταλλικά οξείδια με βάση το χαλκό. Επιπλέον, οι ενώσεις αυτές μας θέτουν ενώπιον ενός μεγάλου πλήθους φυσικών προκλήσεων. Αρχικά παρουσίαζαν δυσκολία στην παρασκευή τους είτε σε εξαιρετικά καθαρή είτε σε μονοκρυσταλλική μορφή, γεγονός που δυσκόλευε τις μετρήσεις των θεμελιωδών ιδιοτήτων τους. Επιπροσθέτως, η σύνθεση συρμάτων αποδεικνύεται δυσχερής: σε αντίθεση με τους διαμεταλλικούς υπεραγωγούς, οι επιμέρους κόκκοι που συναποτελούν ένα κομμάτι κάποιου από αυτά τα οξείδια πρέπει να ευθυγραμμιστούν ο ένας ως προς τον άλλο ώστε το σύρμα να έχει χρήσιμες τεχνολογικές ιδιότητες. Τούτα τα προβλήματα άφησαν τους ερευνητές και τους μηχανικούς με την επιθυμία να βρισκόταν μια ουσία με τις κάπως καλύτερες υλικές ιδιότητες των διαμεταλλικών υπεραγωγών που να έχει κρίσιμη θερμοκρασία σημαντικά ανώτερη των 20 Κ. 31

32 Την αυγή της νέας χιλιετίας, λοιπόν, η υπεραγώγιμη κατάσταση μπορούσε να επιτευχθεί με διάφορους βαθμούς ευκολίας και κόστους. Στα οξείδια, η υπεραγωγιμότητα ήταν εκμεταλλεύσιμη κοντά στους 77 βαθμούς, θερμοκρασία η οποία επιτυγχάνεται εύκολα με εμβάπτιση του υλικού σε λουτρό υγρού αζώτου. Οι παλιότερες διαμεταλλικές ενώσεις όπως εκείνη του νιοβίου με τον κασσίτερο χρησιμοποιούνταν στα εργαστήρια και ως μαγνήτες ιατρικών μηχανημάτων λειτουργώντας σε θερμοκρασίες πιο κοντά στους 4 Κ, θερμοκρασία η οποία είναι δυνατόν να επιτευχθεί με υγρό ήλιο. Η ανακάλυψη το 2001 ότι η απλή διαμεταλλική ένωση διβορίδιο του μαγνησίου υπεράγει στους 40 Κ, θερμοκρασία περίπου διπλάσια από εκείνη των άλλων διαμεταλλικών ενώσεων, ήταν ακριβώς ό,τι «είχε παραγγείλει» ο γιατρός (ή, στην περίπτωση μας, οι μηχανικοί). Η θεωρία BCS Ένα από τα κεντρικά ερωτήματα σχετικά με την υπεραγωγιμότητα είναι «Γιατί εμφανίζεται;» Δηλαδή, ποιος μηχανισμός ή αλληλεπίδραση προκαλεί τη μετάβαση στη νέα αυτή κατάσταση; Το 1957, οι φυσικοί John Bardeen, Leon N. Cooper και J. Robert Schrieffer πρότειναν μια εξήγηση του μηχανισμού που υπόκειται της υπεραγωγιμότητας στα μέταλλα, διατυπώνοντας μια θεωρία που φέρει τα αρχικά των επωνύμων τους BCS. Η θεωρία BCS λοιπόν περιγράφει πώς τα σωμάτια που συγχρονίζονται μέσα σε έναν αγωγό για να τον καταστήσουν υπεραγωγό δεν είναι ηλεκτρόνια αλλά ζεύγη ηλεκτρονίων, τα γνωστά ζεύγη Cooper. Με το ζευγάρωμα των ηλεκτρονίων, αντιμετωπίζονται σαν ένα σωμάτιο με ακέραιο spin 0 ή 1. Άρα παρακάμπτονται οι περιορισμοί της απαγορευτικής αρχής του Pauli. Η δικαιολόγηση του ζευγαρώματος των ηλεκτρονίων, αποδόθηκε στο γεγονός ότι στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες που παρατηρούνται τα φαινόμενα αυτά, οι θερμικές ταλαντώσεις του πλέγματος είναι ασθενείς. Τότε όμως τα ελεύθερα ηλεκτρόνια -σε μερικά μέταλλα-, απωθώντας ηλεκτροστατικά τα ιόντα δημιουργούν παραμορφώσεις στο κρυσταλλικό πλέγμα, οι οποίες τείνουν να τα συζεύξουν ή ζευγαρώσουν παρότι τα ηλεκτρόνια απωθούνται ηλεκτροστατικά λόγω απωστικών δυνάμεων Coulomb. 32