Ist es möglich, das Magnetfeld eines Planeten für den Transport zu nutzen?

Die einfache Antwort ist ja. Wir verwenden ein Objekt, das sich ständig durch das Magnetfeld der Erde bewegt: einen Kompass.

Die schwierige Antwort ist, dass wir nicht über die Technologie verfügen, um etwas Schwereres als eine Nadel zu bewegen, die in einem auf dem Wasser schwimmenden Korken steckt ... geschweige denn eine LKW-Ladung Dreck zum Schweben zu bringen! ABER, lassen Sie sich davon nicht aufhalten. Von dem Konzept wurde schon sehr lange geträumt und es ist nur eine Frage der Zeit, bis wir herausfinden, wie wir ein ausreichend starkes gegenwirkendes Magnetfeld herstellen können, das funktioniert.

Ihre Begrenzungen sind Kontrolle. Das Magnetfeld der Erde ist ständig in Bewegung und verschiebt sich, was so ähnlich ist, als würde man ein kleines Luftkissenfahrzeug mit Wind herumblasen. Haben Sie schon einmal ein Hovercraft gesteuert oder beim Steuern zugesehen? Sie drehen sich nicht sehr leicht, und ein magnetisch schwebendes Fahrzeug würde es auch nicht tun. Offensichtlich könnten wir mit genügend Clarkian Magic die magnetische Scherung zum Navigieren nutzen. Wir werden nur einige Zeit brauchen, um dorthin zu gelangen.

Wie stark der Magnet sein müsste. Es müsste nicht so stark sein wie das der Erde. Wenn Sie darüber nachdenken, hätte ein Objekt von der Größe eines VW-Käfers, das einen magnetischen Fluss gleich dem der Erde aussendet, katastrophale Auswirkungen auf die Navigation auf der anderen Seite des Planeten. Es müsste ein Bruchteil dieser Stärke sein.

Stellen Sie sich das so vor, Wiki berichtet , dass die Magnetosphäre der Erde etwa 50.000 nT (NanoTeslas) beträgt, während ein Kühlschrankmagnet etwa 10.000.000 nT hat. Das klingt, als würde mich das zu einem Lügner machen, aber denken Sie daran, dass der Erdradius etwa 3.959 Meilen beträgt und der Radius des Kühlschrankmagneten vielleicht 0,375 Zoll beträgt. Wenn man das Erdmagnetfeld auf die Fläche des Magneten verkleinern würde, wäre es etwa 3,5 x 10 ⁶ stärker als der Kühlschrankmagnet (was erklärt, warum der Kühlschrankmagnet nicht schweben kann).

Machen Sie sich jedoch keine Sorgen um die Details. Es gibt genug Plausibilität für eine gute Geschichte.

Die Magnetschwebebahn hängt nicht nur vom Wert des externen Magnetfelds B an einem bestimmten Punkt ab, sondern auch vom Gradienten des Magnetfelds ∇B, der angibt, wie schnell sich das Feld ändert, wenn Sie sich im Raum bewegen. Diese Seite aus einem Labor der Radboud University gibt die Gleichung an, wann Magnetschwebebahn auftreten kann:

Ob ein Objekt in einem Magnetfeld B schwebt oder nicht, wird durch das Gleichgewicht zwischen der Magnetkraft F = M∇B und der Schwerkraft definiert mg = ρV g wobei ρ die Materialdichte, V das Volumen und g = 9,8 m/ s^2. Das magnetische Moment M = (χ/µ_0)VB, so dass F = (χ/µ_0)BV∇B = (χ/2µ_0)V∇B^2. Daher muss der für die Levitation erforderliche vertikale Feldgradient ∇B^2 größer als 2µ0ρg/χ sein. Molekulare Suszeptibilitäten χ sind typischerweise 10^-5 für diamagnetische und 10^-3 für paramagnetische Materialien, und da ρ meistens einige g/cm^3 beträgt, erfordert ihre magnetische Levitation Feldgradienten von ~1000 und 10 T^2/m, beziehungsweise.

Dieses Labor befasst sich mit der diagmetischen Levitation gewöhnlicher Materialien (sie zeigen die Levitation eines kleinen Frosches auf ihrer Stelle), aber der externe Feldgradient muss nicht so groß sein, wenn Sie einen Supraleiter schweben lassen, der seine magnetische Suszeptibilität χ hat =1, das höchstmögliche für einen Diamagneten (diamagnetische Materialien werden im Gegensatz zu paramagnetischen und ferromagnetischen Materialien vom Feld eines externen Magneten abgestoßen, daher sind Diamagnete diejenigen, die Sie für die Magnetschwebebahn benötigen).

Aber selbst mit einem Supraleiter ist das Magnetfeld der Erde so groß und ändert sich daher über normale Entfernungen im menschlichen Maßstab so wenig, dass es für die Magnetschwebebahn nicht funktionieren würde. Sie würden einen riesigen Magneten von ähnlicher Größe wie die Erde selbst benötigen, um davon zu schweben das Feld der Erde. Dies erklärt ein Physiker auf dieser Seite :

Die Kraft auf ein Objekt bezieht sich auf die Änderung der Energie eines Systems (ohne die kinetische oder thermische Energie des Objekts), wenn das Objekt bewegt wird. Wir schreiben

F = (Energieänderung)/(Positionsänderung)

Für statische Felder. Die Positionsänderung hat eine Richtung, und die Kraft auch (Sie brauchen eine Vektoralgebra mit einem Skalarprodukt, um dies genau auszudrücken).

Zwei kleine Magnete, die mit gleichen Polen nahe beieinander platziert sind, spüren aufgrund der im Magnetfeld gespeicherten Energie eine abstoßende Kraft. Die Energiedichte im Raum ist proportional zum Quadrat des Magnetfelds, und wenn die nahegelegenen Pole gleich sind, addieren sich ihre Felder an mehr Stellen, als sie subtrahieren, und daher ist die Gesamtenergie für diesen Fall höher als wenn gegenüberliegende Pole näher sind , wo das Feld an mehr Stellen kleiner ist.

Es gibt zwei Dinge über das Magnetfeld der Erde, die diesen Effekt viel kleiner machen. Zum einen ist das Feld an der Oberfläche sehr schwach (ungefähr ein Gauss oder weniger). Der wichtigere Grund ist, dass, weil sich das Feld über einen so großen Raum erstreckt und wir an der Oberfläche weit vom Zentrum des Erddipols entfernt sind, die Magnetfeldstärke der Erde sehr gleichmäßig ist, wenn man sie über einen Bereich des Weltraums betrachtet das eine angemessene Größe hat (wie die Größe des Magneten, den Sie verwenden möchten).

Wenn Sie diese beiden Teile zusammenfügen, stellen Sie fest, dass die Kraft auf einen Magneten aufgrund des Erdfelds sehr gering ist – wenn Sie den Magneten von einem Ort zum anderen bewegen, fügt sich sein Feld auf fast die gleiche Weise zum Erdfeld hinzu, weil das Feld der Erde unterscheidet sich kaum von einem Ort zum anderen, und die gesamte magnetische Energie ändert sich um einen sehr sehr kleinen Betrag. Tatsächlich ist die gesamte magnetische Kraft auf einen Magneten in einem gleichförmigen Magnetfeld genau null, und die Kräfte, die wir normalerweise mit abstoßenden oder anziehenden Magneten in Verbindung bringen, sind proportional zur Änderungsrate der Feldstärke mit der Position.

Dies ist jedoch noch nicht das Ende der Geschichte, denn die magnetische Energie des Systems hängt davon ab, in welche Richtung der Magnet relativ zum Erdfeld zeigt. Wenn es entlang des Feldes zeigt, addieren sich die Felder für eine höhere Energie. Wenn er in die andere Richtung zeigt, subtrahieren die Felder für eine niedrigere Energie, und der Magnet zieht es vor, sich in diese Richtung zu drehen. Magnete in gleichförmigen Feldern spüren Drehmomente, die sie dazu bringen, sich umzudrehen, wenn sie nicht in die richtige Richtung zeigen, aber es gibt keine Nettokraft, die den Magneten zum Schweben bringen möchte.

Abgesehen davon, wenn Sie einen wirklich sehr großen Magneten hätten, dessen Feld sich über eine so große Region erstreckt, dass sich das Erdfeld über dieser Region merklich ändert (Sie benötigen möglicherweise einen anderen erdgroßen Stabmagneten), dann ja, eine merkliche Kraft kann produziert werden.

Das eigentliche Schweben kann nur mit Materialien geschehen, deren magnetisches Moment tatsächlich in die falsche Richtung zeigt und die Energie in einem Magnetfeld erhöht. Diese werden Diamagnete genannt. Diamagnetismus ist ein rein quantenmechanischer Effekt ohne klassische Erklärung. Die mit Abstand intensivsten Diamagnete sind Supraleiter. Sie haben vielleicht gesehen, wie Supraleiter über Magneten schweben oder umgekehrt. Das Magnetfeld der Erde ändert sich von Ort zu Ort nicht schnell genug, um selbst einen Supraleiter zum Schweben zu bringen.

(Die fettgedruckten Sätze oben zeigen, warum die Tatsache, dass das Erdfeld eine Kompassnadel zum Rotieren bringt, worauf die Antwort von JBH hinwies, nicht ausreicht, um zu zeigen, dass es ebenso gut dazu führen kann, dass ein Magnet schwebt oder eine Nettokraft auf ihn ausübt, die dies verursacht Massenmittelpunkt, um in eine Richtung für die Reise zu beschleunigen)

Die kurze Antwort ist nein, das ist eine praktische Unmöglichkeit, aber nicht nur wegen des Erdmagnetfeldes an sich; es liegt an der Schwerkraft der Erde. Lassen Sie mich diese Frage in einige Schlüsselbereiche unterteilen, um die Angelegenheit im Detail zu erörtern;

Schwerkraft erzeugt Reibung
Der Grund, warum Räder in Bezug auf den Vortrieb so effizient sind, liegt darin, dass sie von der Schwerkraft unterstützt werden. Das Gewicht eines Autos (zum Beispiel) drückt die Reifen auf die Straße, was zu Spannungen führt, die zu Reibung führen. Der Grund, warum wir einen Gummireifen und Fett um die Achse herum verwenden, ist, dass wir die Reibung zwischen der Achse und ihrem Gehäuse minimieren und die gesamte Winkelkraft auf das Rad übertragen möchten. Der Gummi auf dem Reifen erzeugt so viel Reibung, dass die Winkelkraft nur dann wirken kann, wenn das Rad rollt, anstatt sich zu drehen. Dies wandelt die Winkelkraft in Vorwärtskraft um und drückt das Fahrzeug nach vorne.

Dies bedeutet, dass das Auto die Energie, die es erzeugt, sehr effizient nutzt, um sich von seiner aktuellen Position dorthin zu bewegen, wo Sie es haben möchten, und die Schwerkraft hilft dabei eher als der Feind. Das ist auch der Grund, warum Autos ihre Räder durchdrehen lassen, wenn sie in rutschigem Schlamm stecken bleiben oder wenn die auf die Räder ausgeübte Energie die vom Reifen ausgeübte Reibung überwältigt. Dies spiegelt im Wesentlichen die ganze Debatte über das Leistungsgewicht bei Autos wider und erklärt auch, warum viele professionelle Rennwagen so breite Reifen haben (um die Reibung zu maximieren).

Aber (ich höre Sie sagen) das kommt nur der seitlichen Bewegung zugute, oder? Es ist nicht wahr, sich über die Erdoberfläche zu erheben, oder?

Falsch. Das ist die ganze Debatte um Weltraumaufzüge. Im Moment benutzen wir Raketen, um Dinge aus der Anziehungskraft der Erde zu befreien. Das Problem dabei ist, dass die Anziehungskraft konstant ist, was bedeutet, dass Sie dank der sogenannten Raketengleichung riesige Mengen an Treibstoff benötigen, um Ihre Nutzlast in den Weltraum zu bringen, weil Sie nicht nur Ihre Nutzlast, sondern auch den Treibstoff anheben müssen hebe es auch auf. Auf der anderen Seite können Sie, indem Sie ein sehr hohes, superstarkes Seil fest greifen, die Reibung nutzen, um gut aus der Schwerkraft herauszuklettern. Wenn Sie an Ihrer Aufzugskabine ein Gegengewicht verwenden, können Sie dies sogar mit minimalem Energieaufwand für den Aufstieg tun. Wie auch immer, wenn wir die richtigen Fortschritte in der Materialwissenschaft hätten, könnten Weltraumaufzüge Reibung nutzen, um Dinge aus der Schwerkraft zu weit geringeren Kosten zu befördern, als sie zum „Schweben“ zu bringen.

Orientierung & seitliche Bewegung
Wie bereits im Kompassbeispiel besprochen, sind Magnetfelder gut für die Ausrichtung. Das heißt, wenn Sie bereits etwas frei schwebendes haben, richtet das Erdmagnetfeld den Magneten automatisch auf dieses Magnetfeld aus. Das bedeutet, dass Sie zum Lenken die Ausrichtung Ihrer magnetischen Polarität buchstäblich dynamisch an die Richtung anpassen müssen, in die Sie fahren möchten. Dies könnte auch durch Reibung erfolgen, indem ein De-facto-Lenkrad verwendet wird, um einen starken Magneten unter Ihrem Fahrzeug zu drehen, sodass feste Triebwerke Sie weiterbewegen können.

Das bringt uns natürlich zu Sonnenpunkt Nummer 2 – seitliche Bewegung. Sie brauchen immer noch eine Möglichkeit, Ihr Fahrzeug ohne Bodenkontakt in eine bestimmte Richtung zu bewegen. Bei einem Flugzeug oder Luftkissenfahrzeug wird dies normalerweise mit einem Triebwerk im Fächerstil durchgeführt. Sogar die meisten modernen Düsentriebwerke sind wirklich Turbofan-Triebwerke, die große Schubkraft erzeugen können, indem sie Luft sehr schnell nach hinten drücken.

Das ist auch der Grund, warum man ein Hoverboard nicht über Wasser benutzen kann, wie wir alle in Back to the Future II gelernt haben. Das ist natürlich nicht ganz richtig; Wenn Sie ein Ruder hätten, könnten Sie sich sehr schnell fortbewegen, da das Ruder die Reibung zwischen sich und dem Wasser maximiert, und ohne Reibung auf dem Hoverboard und dem Wasser bewegen Sie sich theoretisch vorwärts. Ich sage theoretisch, weil Sie bei starkem Gegenwind möglicherweise einen verlorenen Kampf mit der Vorwärtsbewegung führen. Aber ich schweife ab.

Magnetische Intensität über Entfernung Magnetschwebebahnen
(zum Beispiel) können einen Zug über der Magnetschiene schweben lassen, weil die Magnete stark sind und sie auch nahe beieinander liegen. Das Magnetfeld der Erde ist zwar stark, aber wir sind tatsächlich ziemlich weit vom „Magneten“ entfernt, der der innere Kern der Erde ist. Die Intensität des Magnetfelds in der Entfernung ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung, was bedeutet, dass die Intensität stark abnimmt, je weiter Sie sich davon entfernen. Das bedeutet, denselben Zug zum Abschwimmen zu bringenFür die Strecke benötigen Sie Magnete, die so stark sind, dass sie der Schwerkraft gegen den inneren Kern der Erde und nicht gegen die Erdoberfläche entgegenwirken können. Wenn Sie ein solches Magnetfeld entwerfen, könnten Sie es verwenden, um Tauben zu schmelzen oder Kühe auszubluten, indem Sie das Hämoglobin direkt aus ihnen herausreißen, wenn sie nahe genug kommen.

Unterm Strich sind Sie besser mit zwei Magneten, die in unmittelbarer Nähe interagieren, um die Effizienz Ihrer Levitation zu maximieren.

Sicher scheitern
Wir müssen hier davon ausgehen, dass Sie Elektromagnete verwenden, um all dies zu tun. Da die Schwerkraft immer aktiv ist, müssen dies auch die Elektromagnete sein. Wenn dies nicht der Fall ist, versagt Ihr Fahrzeug schwer, indem es zurück auf den Boden kollabiert. Ihre Elektromagnete müssen ständig Energie aufwenden, um der Schwerkraft entgegenzuwirken.

Ein Auto dagegen hält einfach an. Dies liegt daran, dass es seine gesamte Energie darauf verwendet, sich vorwärts zu bewegen, anstatt der Schwerkraft entgegenzuwirken. Dies nicht tun zu müssen, sondern die Schwerkraft tatsächlich zur Maximierung der Reibung zu nutzen, macht ein Fahrzeug auf Rädern allein aus diesem Grund zu einem weitaus effizienteren Nutzer von kinetischer Energie als ein Fahrzeug mit Magnetschwebebahn, aber es bedeutet auch , dass es in dieser Hinsicht bei weitem die sicherste Lösung ist was während eines Engineering- oder Stromausfalls passiert.

Fazit
Mark Twain sagte einmal: „Donner ist laut. Donner ist beeindruckend. Aber es ist der Blitz, der die ganze eigentliche Arbeit macht.“ Nun, der Magnetschwebebahn-Transport sieht sehr beeindruckend aus, um sicher zu sein, aber es ist die Reibung, die die ganze eigentliche Arbeit in Bezug auf Transportsysteme in einer realen Anwendung leisten wird. Räder mögen sehr „alte Technik“ klingen, aber der Grund, warum wir sie immer noch verwenden, ist, dass sie immer noch die beste und effizienteste Energielösung sind, um Menschen und Dinge zu bewegen. Die größten Probleme, die Sie mit dem von Ihnen beschriebenen Modell haben, sind, dass Sie ständig gegen die Schwerkraft kämpfen, indem Sie auf einen entfernten Magneten reagieren, und Sie immer noch Mechanismen benötigen, um sich seitlich durch die Luft zu bewegen, wenn Sie Ihr Fahrzeug zum Schweben bringen.

Star Wars hat vielleicht sehr hart daran gearbeitet, das Rad unmodern aussehen zu lassen, aber ich bin immer noch der Meinung, dass es ein sehr beeindruckendes Werkzeug ist.

Die Lorentzkraftgleichung zeigt, wie das Magnetfeld der Erde für den Transport genutzt werden kann

Das elektrische Feld (oder die Potentialdifferenz, auch Spannung genannt) kann in der Atmosphäre eines Planeten als 0 betrachtet werden – es sei denn, es gibt ein Gewitter – also nehmen Sie an, dass das erste Mal ausfällt und nur der zweite Term übrig bleibt.

Um die physikalische Bedeutung des zweiten Terms zu verstehen, sehen Sie sich das Bild unten an . In der Physik folgt die Beziehung zwischen der Kraft, die durch die Bewegung von Ladungsträgern in einem Magnetfeld erzeugt wird, der Rechts-Hand-Regel. Die Grafik zeigt die notwendigen Vektoren von$\vec{B}$und$q\vec{v}$um eine Kraft zu erzeugen$\vec{F}$aus der Seite

Das Magnetfeld der Erde verläuft parallel zur Erdoberfläche von Norden nach Süden. Um die richtige Ausrichtung der Komponenten zum Schweben eines Objekts zu verstehen, drehen Sie den Daumen im ersten Bild oder die Handfläche im zweiten um 90 Grad, sodass sie zum oberen Rand der Seite zeigen.

Die Kräuselung der Finger zeigt, dass Sie eine drehende oder rotierende Strömung erzeugen müssen, um eine Auftriebskraft zu erzeugen, die der Schwerkraft entgegenwirkt. Und da dies Vektorgrößen sind, können Kräfte in der horizontalen Ebene durch Neigen und Rollen des Vektors erzeugt werden$\vec{v}$ein bisschen - der größte Teil der Kraft ist Auftrieb, während ein Teil in Fahrtrichtung wirkt (wie bei einem Hubschrauber)

Betrachten Sie für Ihren Fall eine pragmatischere Form der Lorentz-Kraftgleichung.

Dies sagt uns, dass wir I = 200 KAmps pro Längeneinheit benötigen, um den 9,8 entgegenzuwirken$\frac{kg*m}{sec^2}$die Kraft der Erdanziehungskraft.

Man kann sich also ein pfannkuchenartiges Geschöpf vorstellen, das positiv und negativ geladene Flüssigkeiten mit großer Geschwindigkeit im Inneren seines Körpers zirkulieren lässt. Positive und negative Ionen erzeugen Kräfte in entgegengesetzte Richtungen, wenn sie sich in die gleiche Richtung bewegen. Wenn Sie sie also in entgegengesetzte Richtungen bewegen, müssen Sie nur die Hälfte des Stroms bewegen. Der I-Term kann eine kleine Anzahl von Ionen sein, die sich unglaublich schnell bewegen, oder es kann eine unglaubliche Anzahl von Ionen sein, die sich langsam bewegen, oder es kann eine Menge Ionen sein, die sich sehr, sehr schnell bewegen.

Kein nennenswerter Forscher, aber angenommen, die Bewohner des Planeten hätten kein Eisenmetall in ihren Körpern? Dies könnte es ihnen ermöglichen, obszön starke Magnete jeglicher Art zu verwenden, die durch die elektromagnetische Technologie existieren würden, auf die wir uns ohne erhebliche Gefahr nicht die Mühe machen können.

Oder nehmen wir an, ihre Körper sind größtenteils eisenhaltig und leicht, mit einem Aussehen, das an eine Qualle erinnert und in der Lage ist, sich über eine große Fläche zu bedecken, um mit biologisch geladenen Elektromagneten zu fliegen.