Elektromagnetische zweefkracht

Wat is elektromagnetische levitatie? Waarvoor dient het?

Heb je al eens gehoord van de Maglev-treinen in Japan of de Transrapid in Europa? Ken je de magnetisch zwevende treinen? Dit zijn treinen die dankzij een magnetisch veld boven de rails ‘zweven’. Om er meer over te weten te komen, vindt u in dit artikel alles wat u moet weten over elektromagnetische levitatie en de rol ervan in de wereld om ons heen. Bekijk ook onze collectie magnetische globes die gebruikmaken van dezelfde energie.

Elektromagnetische levitatie begrijpen

In de natuurkunde en de wetenschap bestaan er twee fundamentele concepten met betrekking tot het principe van levitatie: het elektromagnetische concept, dat wordt gegenereerd door geregelde elektromagneten, en het elektrodynamische concept, dat berust op de krachten van geïnduceerde stromen. Elektromagnetische levitatie wordt gedefinieerd als een mechanisme waarmee een voorwerp dankzij een magnetisch veld kan zweven. De elektromagnetische krachten die op dit voorwerp inwerken, zorgen ervoor dat het zijn eigen gewicht kan weerstaan en kan zweven zonder te vallen.

Concreet gezegd bevindt een object zich in een toestand van elektromagnetische levitatie wanneer het boven een magnetische ondergrond zweeft zonder contact te maken met die ondergrond. Een verticale kracht die van onder naar boven is gericht, zorgt ervoor dat het gewicht van dit object/lichaam in evenwicht wordt gehouden. De Transrapid-treinen in Duitsland of in Shanghai zijn concrete voorbeelden van elektromagnetische levitatie. De Japanse Maglev-treinen maken daarentegen gebruik van elektrodynamische levitatie.

Hoe werkt elektromagnetische levitatie?

Elektromagnetische levitatie is mogelijk dankzij magnetische krachten. Om dit te begrijpen, moet je eerst weten hoe magneten werken. Het is heel eenvoudig! Laten we uitgaan van het principe dat een magneet ferromagnetische materialen kan aantrekken of afstoten, afhankelijk van de positie van de polen. Noord- en noordpolen trekken elkaar aan en noord- en zuidpolen stoten elkaar af.

Het magnetische mechanisme treedt op wanneer de magneten afwisselend worden geactiveerd (zich aantrekken en afstoten). De zwaartekracht die op het zwevende object inwerkt, wordt door deze krachten gecompenseerd. Hierdoor kan een constante afstand tussen het object en de grond worden gehandhaafd, waardoor wrijving wordt voorkomen. Dit wrijvingsloze mechanisme maakt het overigens mogelijk om sneller vooruit te komen. Om het elektromagnetische zweef- of opwaartsdrijfsysteem te activeren, worden elektromagneten en supergeleiders gebruikt.

Elektromagneten

Een elektromagneet is een magneet die wordt gevoed door elektrische stroom. Hiermee kan elektrische energie worden omgezet in magnetische energie. Hiervoor bestaat de magneet uit een kern van magnetisch ijzer, omgeven door een spoel van geleidende draad. Het magnetische veld ontstaat wanneer er elektrische stroom door de elektromagneet loopt. Door dit principe beschikt de elektromagneet over een sterke mechanische aantrekkingskracht. Daarom wordt hij gebruikt bij elektromagnetische zweefkracht.

Supergeleiders

Supergeleiders zijn materialen die elektrische stroom perfect kunnen geleiden zonder weerstand of energieverlies. Dit is het fenomeen van supergeleiding. Dit wordt mogelijk gemaakt door het materiaal af te koelen, waardoor alle elektrische weerstand verdwijnt.

Het fenomeen van de supergeleiding, dat in 1911 door de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes werd ontdekt, blijft tot op de dag van vandaag een uitzonderlijke ontdekking. Temeer omdat supergeleiders bovendien over uitzonderlijke magnetische eigenschappen beschikken. Daardoor kunnen ze zonder problemen onder een magneet zweven.

Waarvoor dient elektromagnetische levitatie?

Zoals u hierboven ongetwijfeld al hebt opgemerkt, maakt elektromagnetische levitatie het mogelijk om een voorwerp boven een gemagnetiseerd oppervlak te laten zweven, zonder dat ze elkaar raken. Maar bovendien zorgt dit mechanisme er ook voor dat het object sneller kan bewegen. Daarom wordt elektromagnetische levitatie vooral toegepast in de spoorwegsector, met name voor de aandrijving en levitatie van treinen zoals de Duitse Transrapid of de Transrapid van Shanghai.

De elektromagnetisch zwevende trein

De elektromagnetisch zwevende trein zweeft uitsluitend door de aantrekkingskracht tussen de polen. Hiervoor is hij ontworpen met elektromagneten aan de onderkant, parallel aan de rails. De rails zijn op hun beurt voorzien van gewalste ijzeren staven die in contact komen met de elektromagneten.

Er ontstaat dan een elektromagnetisch veld zonder dat de elektromagneten en de ijzeren staven elkaar raken. Bovendien zweeft de trein (dat wil zeggen dat hij niet op de rails rust). Hij haalt een maximale snelheid van wel 150 km/u.

De voordelen van treinen met elektromagnetische levitatie

Dat elektromagnetische levitatie tegenwoordig op grote schaal wordt toegepast in treinen, komt met name doordat deze technologie verschillende voordelen biedt:

• Dankzij dit mechanisme kunnen treinen met hoge snelheid rijden.
• Het zorgt er ook voor dat de geluidsoverlast die wordt veroorzaakt door treinen die over de rails rijden, wordt verminderd (aangezien de zwevende trein de rails niet raakt).
• Het is een schoon en minder vervuilend systeem: de trein met elektromagnetische levitatie stoot geen rook uit en verbruikt slechts weinig energie. Dankzij de supergeleiders is er weinig stroomverlies en -verspilling.
• De luchtweerstand en de snelheid van de treinen veroorzaken geen schade aan het ecosysteem.

De implementatie van dit concept blijft echter nog steeds erg duur. Daarom zijn er wereldwijd maar heel weinig elektromagnetisch zwevende treinen.