Можно ли использовать магнитное поле планеты для транспорта?

Простой ответ — да. Мы используем один объект, который все время движется под действием магнитного поля Земли: компас.

Жесткий ответ заключается в том, что у нас нет технологии, позволяющей перемещать что-либо тяжелее булавки, воткнутой в пробку, плавающую по воде... не говоря уже о том, чтобы поднимать в воздух грузовик с грязью! НО, пусть это вас не останавливает. Об этой концепции мечтали очень давно, и это только вопрос времени, когда мы выясним, как создать достаточно сильное противодействующее магнитное поле, которое будет работать.

Ваши ограничения — это контроль. Магнитное поле Земли постоянно находится в движении и смещении, что очень похоже на дуновение ветром небольшого летательного аппарата. Вы когда-нибудь управляли судном на воздушной подушке или наблюдали, как им управляют? Они не очень легко поворачиваются, как и аппарат на магнитной подушке. Очевидно, что с достаточным количеством магии Кларка мы могли бы использовать магнитное смещение для навигации. Просто нам потребуется некоторое время, чтобы добраться туда.

Что касается того, насколько сильным должен быть магнит. Он не должен быть таким сильным, как Земля. Если подумать, объект размером с VW Bug, излучающий магнитный поток, равный магнитному потоку Земли, окажет катастрофическое воздействие на навигацию на другой стороне планеты. Это должна быть часть этой силы.

Подумайте об этом так: Вики сообщает , что магнитосфера Земли составляет около 50 000 нТл (наноТесла), а магнит холодильника — около 10 000 000 нТл. Звучит так, будто я лжец, но помните, что радиус Земли составляет около 3959 миль, а радиус магнита холодильника, возможно, составляет 0,375 дюйма. Если уменьшить магнитное поле Земли до площади магнита, оно будет примерно в 3,5x10 ⁶ сильнее, чем магнит холодильника (что объясняет, почему магнит холодильника не может левитировать).

Однако не беспокойтесь о деталях. Там достаточно правдоподобия, чтобы сделать хорошую историю.

Магнитная левитация зависит не только от величины внешнего магнитного поля B в данной точке, но и от градиента магнитного поля ∇B, который говорит вам, как быстро поле меняется при перемещении в пространстве. На этой странице из лаборатории Университета Радбауд приводится уравнение, показывающее, когда может произойти магнитная левитация:

Будет ли объект левитировать в магнитном поле B или нет, определяется балансом между магнитной силой F = M∇B и гравитацией mg = ρV g, где ρ — плотность материала, V — объем и g = 9,8 м/ с^2. Магнитный момент M = (χ/µ_0)VB, так что F = (χ/µ_0)BV∇B = (χ/2µ_0)V∇B^2. Следовательно, вертикальный градиент поля ∇B^2, необходимый для левитации, должен быть больше 2µ0ρg/χ. Молекулярная восприимчивость χ обычно составляет 10 ^ -5 для диамагнетиков и 10 ^ -3 для парамагнетиков, и, поскольку ρ чаще всего составляет несколько г / см ^ 3, их магнитная левитация требует градиентов поля ~ 1000 и 10 Тл ^ 2 / м, соответственно.

Эта лаборатория занимается диагметической левитацией обычных материалов (они показывают левитацию маленькой лягушки на своем сайте), но градиент внешнего поля не должен быть таким большим, если вы левитируете сверхпроводник, у которого есть магнитная восприимчивость χ = 1, максимально возможное для диамагнетика (диамагнетики отталкиваются полем внешнего магнита, в отличие от парамагнетиков и ферромагнетиков, поэтому для магнитной левитации вам нужны диамагнетики).

Но даже при наличии сверхпроводника магнитное поле Земли настолько велико и, следовательно, так мало изменяется на обычных расстояниях человеческого масштаба, что для магнитной левитации это не сработает: вам понадобится огромный магнит такого же размера, как сама Земля, чтобы подняться с поле Земли. Это объясняет физик на этой странице :

Сила, действующая на объект, связана с изменением энергии системы (не считая кинетической или тепловой энергии объекта) при движении объекта. Мы пишем

F = (изменение энергии)/(изменение положения)

Для статических полей. У изменения положения есть направление, как и у силы (вам понадобится некоторая векторная алгебра со скалярным произведением, чтобы выразить это точно).

Два маленьких магнита, помещенные вместе с одинаковыми полюсами близко друг к другу, испытывают силу отталкивания из-за энергии, запасенной в магнитном поле. Плотность энергии в пространстве пропорциональна квадрату магнитного поля, и когда близлежащие полюса одинаковы, их поля складываются в большем количестве мест, чем вычитаются, и поэтому полная энергия в этом случае выше, чем когда противоположные полюса расположены ближе. , где поле меньше в большем количестве мест.

В магнитном поле Земли есть две вещи, которые значительно уменьшают этот эффект. Во-первых, поле очень слабое на поверхности (около гаусса или меньше). Более важная причина заключается в том, что, поскольку поле распространяется на такое большое пространство и поскольку мы на поверхности находимся далеко от центра земного диполя, напряженность магнитного поля Земли очень однородна, если вы посмотрите на нее над областью космоса. это разумный размер (например, размер магнита, который вы предлагаете использовать).

Если вы сложите эти две части вместе, вы обнаружите, что сила, действующая на магнит из-за поля Земли, очень мала — если вы переместите магнит из одного места в другое, его поле добавит к полю Земли почти таким же образом, потому что поле Земли очень мало отличается от одного места к другому, а общая магнитная энергия меняется очень-очень незначительно. Фактически, общая магнитная сила, действующая на магнит в однородном магнитном поле, точно равна нулю, а силы, которые мы обычно связываем с отталкиванием или притяжением магнитов, пропорциональны скорости изменения напряженности поля в зависимости от положения.

Однако это не конец истории, потому что магнитная энергия системы зависит от того, куда направлен магнит относительно поля Земли. Если он указывает вдоль поля, поля складываются для более высокой энергии. Если он указывает в другую сторону, поля вычитаются из-за более низкой энергии, и поэтому магнит предпочитает поворачиваться к точке таким образом. Магниты в однородных полях испытывают крутящие моменты, которые заставляют их поворачиваться, если они не направлены в правильном направлении, но нет результирующей силы, заставляющей магнит левитировать.

При этом, если бы у вас был действительно очень большой магнит, поле которого распространяется на такую ​​большую область, что поле Земли заметно меняется в этой области (вам может понадобиться еще один стержневой магнит размером с Землю), тогда да, заметная сила может производиться.

Что касается фактической левитации, то это может произойти только с материалами, чей магнитный момент направлен не в ту сторону, увеличивая энергию в магнитном поле. Их называют диамагнетиками. Диамагнетизм — это чисто квантово-механический эффект, не имеющий классического объяснения. Безусловно, самые интенсивные диамагнетики являются сверхпроводниками. Возможно, вы видели сверхпроводники, левитирующие над магнитами, или наоборот. Магнитное поле Земли не меняется достаточно быстро от места к месту, чтобы левитировать даже сверхпроводник.

(предложения, выделенные жирным шрифтом выше, показывают, почему того факта, что поле Земли заставляет стрелку компаса вращаться, на что указывает ответ JBH, недостаточно, чтобы показать, что оно может с равным успехом вызывать левитацию магнита или оказывать на него какую-либо результирующую силу, вызывающую его центр масс для ускорения в каком-либо направлении для движения)

Короткий ответ: нет, это практически невозможно, но не только из-за магнитного поля Земли как такового; это из-за гравитации Земли. Позвольте мне разбить этот вопрос на несколько ключевых областей, чтобы обсудить его подробно;

Гравитация создает трение
Причина, по которой колеса настолько эффективны с точки зрения движения, заключается в том, что они получают помощь от гравитации. Вес автомобиля (например) прижимает шины к дороге, что приводит к натяжению, которое приводит к трению. Причина, по которой мы используем резиновую шину и смазку вокруг оси, заключается в том, что мы хотим минимизировать трение между осью и ее корпусом и передать всю угловую силу на колесо. Резина на шине создает такое сильное трение, что единственный способ приложения угловой силы — это вращение колеса, а не его вращение. Это преобразует угловую силу в поступательную силу, толкая автомобиль вперед.

Это означает, что автомобиль очень эффективно использует энергию, которую он создает, чтобы двигаться из своего текущего положения туда, куда вы хотите, и гравитация на самом деле помогает этому, а не врагу. По этой же причине колеса автомобилей пробуксовывают, когда они увязают в скользкой грязи или когда энергия, прикладываемая к колесам, превосходит трение, создаваемое шиной. По сути, это отражает все споры вокруг отношения мощности к весу в автомобилях, а также объясняет, почему многие профессиональные гоночные автомобили имеют такие широкие шины (чтобы максимизировать трение).

Но (я слышу, как вы говорите) это приносит пользу только боковому движению, верно? Неправда для подъема над земной поверхностью, верно?

Неправильный. Вот и весь спор вокруг космических лифтов. Прямо сейчас мы используем ракеты, чтобы вывести вещи из-под гравитационного притяжения Земли. Проблема в том, что гравитационное притяжение является постоянным, а это означает, что благодаря тому, что называется ракетным уравнением, вам нужно огромное количество топлива, чтобы доставить ваш полезный груз в космос, потому что вам нужно не только поднять свой полезный груз, но и топливо, чтобы поднять его. поднимите и его. С другой стороны, крепко схватившись за какую-либо форму очень высокой и сверхпрочной веревки, вы можете использовать трение, чтобы выбраться из гравитационного колодца. Если вы используете противовес на своей кабине лифта, вы даже можете сделать это с минимальными затратами энергии на подъем. В любом случае, если бы у нас были надлежащие достижения в области материаловедения, космические лифты могли бы использовать трение, чтобы доставлять вещи из гравитационного колодца с гораздо меньшими затратами, чем заставить их «плавать».

Ориентация и боковое движение
Как уже говорилось в примере с компасом, магнитные поля хороши для выравнивания. То есть, если у вас уже есть что-то свободно плавающее, магнитное поле Земли автоматически выровняет магнит по указанному магнитному полю. Это означает, что для управления вам буквально нужно динамически регулировать выравнивание вашей магнитной полярности в направлении, в котором вы хотите двигаться. Это также можно сделать за счет трения, используя рулевое колесо де-факто, чтобы вращать сильный магнит под вашим автомобилем, чтобы неподвижные двигатели могли перемещать вас.

Это, конечно же, подводит нас к солнечной точке номер 2 — боковому движению. Вам по-прежнему нужен какой-то способ, чтобы ваш автомобиль двигался в заданном направлении, не касаясь земли. На самолете или судне на воздушной подушке это обычно делается с помощью веерного двигателя. Даже большинство современных реактивных двигателей на самом деле являются турбовентиляторными двигателями, способными развивать большую тягу за счет очень быстрого отталкивания воздуха назад.

Именно поэтому вы не можете использовать ховерборд над водой, как мы все узнали в «Назад в будущее 2». Конечно, это не совсем так; если бы у вас было весло, вы могли бы двигаться очень быстро, потому что весло максимизирует трение между собой и водой, и при ОТСУТСТВИИ трения ховерборда и воды теоретически вы двигаетесь вперед. Я говорю теоретически, потому что при сильном встречном ветре вы можете проиграть битву с движением вперед. Но, я отвлекся.

Интенсивность магнитного поля на расстоянии
Поезда на магнитной подвеске (например) могут плавать над магнитным рельсом, потому что магниты сильные, и они также расположены близко друг к другу. Магнитное поле Земли, безусловно, сильное, но на самом деле мы достаточно далеко от «магнита», являющегося внутренним ядром Земли. Интенсивность магнитного поля на расстоянии обратно пропорциональна квадрату расстояния, а это означает, что интенсивность значительно уменьшается по мере удаления от него. Это означает, что тот же самый поезд должен уплытьтрек, вам нужны магниты, которые настолько сильны, что могут противодействовать гравитации внутреннего ядра Земли, а не земной поверхности. Если вы создадите такое магнитное поле, вы сможете использовать его, чтобы плавить голубей или обескровливать коров, вырывая гемоглобин прямо из них, если они подходят достаточно близко.

Суть в том, что вам лучше с двумя магнитами, взаимодействующими в непосредственной близости, чтобы максимизировать эффективность вашей левитации.

Безопасная ошибка
Здесь мы должны предположить, что для всего этого вы используете электромагниты. Учитывая, что гравитация всегда включена, электромагниты тоже должны быть включены. Если это не так, ваш автомобиль сильно выйдет из строя, рухнув обратно на землю. Ваши электромагниты должны постоянно расходовать энергию, чтобы противодействовать гравитации.

С другой стороны, автомобиль просто останавливается. Это потому, что он тратит всю свою энергию на движение вперед, а не на противодействие гравитации. Отсутствие необходимости делать это, фактически используя гравитацию для максимизации трения, делает транспортное средство на основе колес гораздо более эффективным пользователем кинетической энергии, чем транспортное средство на магнитной левитации, только по этой причине, но это также означает, что это, безусловно, самое безопасное решение с точки зрения того, что происходит во время инженерного сбоя или сбоя питания.

Заключение
Марк Твен однажды сказал: «Гром громкий. Гром впечатляет. Но всю настоящую работу делает молния». Что ж, транспортировка на магнитной подвеске выглядит очень впечатляюще, но именно трение будет выполнять всю реальную работу с точки зрения транспортных систем в реальном мире. Колеса могут показаться очень «устаревшими технологиями», но причина, по которой мы до сих пор их используем, заключается в том, что они по-прежнему являются лучшим и наиболее эффективным энергетическим решением для перемещения людей и вещей. Самая большая проблема, с которой вы столкнулись в описанной вами модели, заключается в том, что вы постоянно боретесь с гравитацией, реагируя на отдаленный магнит, и вам все еще нужны механизмы, чтобы двигаться по воздуху вбок, если ваш корабль летит.

Звездные войны, возможно, очень усердно работали над тем, чтобы колесо выглядело немодным, но я по-прежнему считаю, что это очень впечатляющий инструмент.

Уравнение силы Лоренца показывает, как магнитное поле Земли можно использовать для транспортировки.

Электрическое поле (или разность потенциалов, также называемая напряжением) можно считать равным нулю в атмосфере планеты — если только не гроза — поэтому предположим, что первое время выпадает, оставляя только второй член.

Чтобы понять физическое значение второго члена, посмотрите на изображение ниже. В физике связь между силой, создаваемой движущимися носителями заряда в магнитном поле, подчиняется правилу правой руки. На графике показаны необходимые векторы$\vec{B}$и$q\vec{v}$производить силу$\vec{F}$вне страницы

Магнитное поле Земли проходит с севера на юг параллельно поверхности. Чтобы понять правильную ориентацию компонентов для левитации объекта, поверните большой палец в первом изображении или ладонь во втором на 90 градусов, чтобы они были обращены к верхней части страницы.

Изгиб пальцев показывает, что вам нужно создать вращающийся или вращающийся поток, чтобы создать подъемную силу, противодействующую гравитационной силе. А так как это векторные величины, то силы в горизонтальной плоскости можно создавать за счет тангажа и качения вектора$\vec{v}$немного — большая часть силы приходится на подъемную силу, а часть — в направлении движения (как у вертолета)

Рассмотрим более прагматичную форму уравнения силы Лоренца для вашего случая.

Это говорит нам о том, что нам нужно I=200 КАмп на единицу длины, чтобы противодействовать 9,8$\frac{kg*m}{sec^2}$сила земного притяжения.

Таким образом, можно представить существо, похожее на блин, которое циркулирует внутри своего тела с большой скоростью положительно и отрицательно заряженными жидкостями. Положительные и отрицательные ионы будут создавать силы в противоположных направлениях, если они будут двигаться в одном направлении. Таким образом, перемещение их в противоположных направлениях означает, что вам нужно перемещать только половину тока. Член I может быть небольшим количеством ионов, движущихся невероятно быстро, или это может быть невероятное количество ионов, движущихся медленно, или это может быть множество ионов, движущихся очень-очень быстро.

Не выдающийся исследователь, но предположим, что у жителей планеты в телах не было черного металла? Это могло позволить им использовать неприлично мощные магниты любого типа, которые существовали бы благодаря электромагнитной технологии, в которую мы не можем вникать без значительной опасности.

Или предположим, что их тела состоят в основном из железа и легковесны, внешне напоминают медуз и способны укрыться на большой площади, чтобы летать с биологически заряженными электромагнитами.