2개의 자석을 같은 극끼리 마주 보며 정렬하면 자석은 서로 반발하고, 한쪽 자석을 다른 자석 아래에 배치하면 한쪽 자석을 떠올릴 수 있습니다. 그러나 단지 자석을 늘어놓는 것만으로는 균형이 불안정하고 부상한 자석을 유지하는 것은 어렵습니다. 그 때문에 자석의 부상을 안정시키는 수단으로써 초전도나 servo mechanism, 전자유도 등의 효과가 존재했는데, 2021년에 발견된 고속 회전하는 로터에 자석을 달아 다른 자석에 접근하면 회전하면서 부상한다는 반응은 지금까지의 자기부상에서는 발견되지 않은 방식이었습니다.
Physics - How Rotation Drives Magnetic Levitation
https://physics.aps.org/articles/v16/177
How Rotation Drives Magnetic Levitation
A detailed experimental analysis explains the forces by which a spinning magnet can cause another magnet to levitate in midair.
physics.aps.org
Phys. Rev. Applied 20, 044036 (2023) - Magnetic levitation by rotation
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.20.044036
리니어 모터카를 비롯한 자기부상식 철도나 자기 베어링, 플라이휠 등의 자기를 이용하여 물체를 부유시키는 시스템은 일반적으로 자기장을 안정시키는 '피드백 메커니즘'을 사용하고 있습니다. 또 레비트론이나 U-CAS와 같은 완구는 자석으로 만들어진 프레임을 자성판 위에서 회전시켜 자이로 효과에 의해 프레임이 부상한다는 구조를 이용하고 있습니다.
함디 유커 씨는 새로운 자기부상에 관한 실험을 했습니다. 우선 고속 회전하는 공구인 '로터' 앞에 자석의 N극과 S극 사이의 축이 모터의 회전축에 수직이 되도록 자석을 장착했습니다.
아래의 링크에서 영상으로 확인 가능합니다.
永久磁石を高速回転させると別の永久磁石を回転浮上させることができる
https://twitter.com/i/status/1714256482697625741
또 토대 위에는 '플로터'라는 또 다른 자석이 놓였습니다.
로터를 켜고 자석을 회전시켜 플로터 위에 로터를 가깝게 접근시킵니다.
그러자 플로터는 회전하면서 로터 팁의 자석에서 몇 센티미터 떨어진 공간에 떠올랐습니다.
로터를 다양한 각도로 움직이지만 플로터는 떨어지지 않고 로터 팁의 자석의 움직임에 따라옵니다.
로터의 전원을 끄면 떠올랐던 플로터는 떨어졌습니다.
유커 씨의 실험 발표 이후 많은 과학자가 '플로터가 안정적으로 회전하는 이유'에 대해 연구했지만 그 메커니즘을 파악할 수 없었습니다.
하지만 덴마크 공과대학의 라스무스 비크 씨 연구팀은 시판 네오디뮴 자석과 접착제, 전동공구를 이용해 가정에서도 실험 가능한 환경을 설계했습니다. 연구팀은 직경 약 19mm의 구형 자석을 로터에 장착하고 회전 속도를 7500~1만 7000rpm으로 변화시켰습니다.
플로터에는 직경 5~30mm의 다양한 구형 자석이 사용되었고 연구팀은 기록장치와 운동추적 소프트웨어를 사용하여 부상한 로터의 운동에 대해 측정을 했습니다.
측정 결과 연구팀은 “플로터가 회전을 시작하면 로터에 부착된 자석과 동기화되어 안정적으로 부유할 수 있었고 플로터는 몇 도의 약간의 기울기는 있었지만 N극과 S극의 회전축이 로터의 자석에 대해 수직을 향했습니다. 극의 축이 거의 수직을 향하는 이 배치는 통상 불안정해질 것이지만 이번 실험에서는 안정적으로 부상했습니다"라고 보고했습니다.
또한 일반적으로 불안정해지는 극의 축이 수직을 향하는 것에 대해 연구팀은 “로터로부터 발생하는 회전 자기장이 플로터에 토크와 회전력을 주고, 그 결과 자이로 작용이 작용하고 극의 축이 수직을 향한다"며 "로터의 회전에 수반하는 자기장의 변화에 의해 플로터에 걸리는 힘이 변화해 혼자 부상한다"고 추측했습니다.
유커 씨는 “로터를 움직이는데 필요한 전기가 매우 작기 때문에 이번 플로터의 부상에 영향을 미쳤을 가능성은 적다”면서 “전기 전도체를 자기장 내에서 움직였을 때 때때로 발생하는 와전류를 고려하여 시뮬레이션을 함으로써 결과를 개선할 수 있을 것”이라고 보았습니다.
기술계 기업인 No-Touch Robotics의 마르셀 슈크 CEO는 “이번 자석이 회전하는 시스템은 기존의 자기부상을 능동제어하는 시스템보다 간단하고 또한 유도전류의 구조를 이용한 시스템보다 에너지 손실이 적다고 생각됩니다. 이번 시스템은 원자의 자기장 트랩이나 자력의 조작에 응용할 수 있을 가능성이 있습니다"라고 평가했습니다.
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