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자기부상열차는 어떤원리로 움직이게 되는건가요?

안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.○ 자기부상열차의 부상 방식자기부상열차를 부상시키는 방식은 자석의 같은 극끼리 서로 잡아당기는 인력을 이용하는 흡인식과, 서로 밀어내는 척력을 이용하는 반발식이 있습니다.<흡입식 자기부상> 흡인식 자기부상열차는 주로 열차에 있는 전자석이 철제의 레일 아래에서 위쪽으로 달라붙는 구조를 가지고 있습니다. 여기서 전자석에 전류가 흐르면 철판에 붙으려는 힘, 즉 레일 쪽으로 흡인력이 발생하여 전자석과 함께 차체가 위쪽 방향으로 올라감으로써 부상되는 것입니다.이때 전자석에 전류가 계속 흐르면 흡인력이 계속 유지되고, 전자석은 결국 레일 아래에 붙게 되는데, 이렇게 되면 열차는 움직일 수 없게 됩니다.따라서 레일에 붙기 전에 전류를 끊으면 전자석의 흡인력이 없어지고 부상이 정지되어, 열차 무게 때문에 아래방향으로 내려가게 됩니다. 또한 전류가 계속 끊어져 있으면 흡인력이 없기 때문에 열차는 레일위에 닿아 올려 져 있는 모양이 되어 역시 움직일 수 없게 됩니다.따라서 열차가 완전히 레일위로 내려앉기 전에 다시 전류를 흘려 흡인력을 발생시키고, 열차가 부상되도록 합니다.이와 같은 전자석의 동작을 반복함으로써 열차가 레일과 일정간격을 유지하면서 부상되어 있도록 합니다.<반발식 자기부상>반발식자기부상열차는 보통열차에 장착한 강한자석과 궤도에 연속적으로 배치한 코일로 구성됩니다.궤도코일의 윗면을 열차의 자석이 이동하게 되면 전자기 유도원리에 의해 코일의 자기극은 이동하는 자석과 같은 극이 되어, 두 극 사이에 반발력이 발생하게 됩니다.열차의 자석이 N극일 때 레일의 전자석(코일)도 같은N극 이어서 서로 밀어내게 되고, 이때 그 앞의 전자석은 S극이므로 열차가 앞으로 가는 동안 전자석의 전류방향을 반대로 하여 N극으로 바꾸게 되면 열차의 부상은 계속 유지되게 됩니다.이와 같이 반발식자기부상열차는 열차와 레일간격이 작아지면 자동적으로 반발력이 증대하여 부상하게 되므로 별도의 자기력 제어는 하지 않기도 합니다.○ 자기부상열차의 이동 차량에는 전기자(1차측)를, 궤도에는 도체판(2차측)을 설치하여 전기자와 도체판의 기전력에 의해 추진력을 발생시키게 됩니다.○ 초전도체 원리- 초전도체는 내부에 자기장이 침투할 수 없을 뿐 아니라 초전도체가 되기 전에 내부에 침투에 있던 자기장도 밖으로 밀어내는 성질인 완전반자성(마이스너 효과)을 지니고 있어서 이런 성질 때문에 초전도체는 자석 위에서 떠오르는 자기부상현상도 가지고 있습니다.* 초전도현상초전도는 금속 또는 합금의 전기저항이 대단히 낮은 온도에서 갑자기 없어지는 현상을 말합니다. 이것은 1911년 네덜란드의 물리학자 온네스(Heike K. Onnes, 1853-1926)가 초저온 상태(약 -296℃)의 수은에서 처음으로 발견하였습니다.일단 초전도가 되면 저항이 없어 전력 손실이 없으므로 대량의 에너지를 효율적으로 쓸 수 있는 특성이 있습니다. 이러한 특성은 에너지, 전자공학, 의료연구, 교통 등 여러 분야에서 응용되고 있습니다.○ 자기부상원리와 초전도체 관계- 초전도체의 가장 일반적이며, 잘 알려진 응용분야는 자기부상 열차입니다. 자기부상열차는 초전도체와 전자석을 이용하여 열차를 지면 위로 부양하여 열차를 움직임으로써 지면으로의 마찰 없이 효율적으로 열차를 운행할 수 있으며, 비단 지면과 열차 바닥의 접촉만이 아닌 측면 혹은 상층부 또한 가능하여 보다 유용한 운행이 가능해 집니다.- 전자석에 전력을 공급하여 전자석에 자기력을 발생하여 부상하는 자기부상은 전자석의 세기에 따라 전자석에 흐르는 전력의 양에 비례하기 때문에 전자석에 아주 많은 전력을 흘려주면 열차를 띄울 만큼 강한 자력을 얻을 수 있습니다.- 이때, 전자석에 저항이 있는 전선을 사용하면 저항 때문에 충분한 강한 전류를 흘릴 수도 없고 열에너지로 바뀌는 전기에너지를 계속 보충해야 하는 불편함이 생기며, 이를 해결하기 위해서는 전자석의 전선(코일)을 초전도체로 만들어 초전도체의 저항이 없는 성질 때문에 한번 전력을 공급해주면 전력이 계속 흐르게 되고 강한 전력을 쉽게 보낼 수 있습니다. 이러한 전자석을 이용하여 마찰력을 사용하지 않고 열차를 달리게 할 수 있습니다.- 다시 말하면, 초전도 상태에서는 전기저항이 0이기 때문에 코일에 많은 전력을 손실없이 흘릴 수 있습니다. 또한 흘린 전력은 전원을 제거해도 감소하지 않고 영구적으로 계속 흐르게 되어 강력한 자석이 됩니다. 이러한 원리를 이용한 초전도 리니어모터는 차량에 탑재한 초전도 자석과 지상의 코일 사이 자력에 의해 차량을 10cm정도 부상시켜 초고속으로 주행합니다.* 초전도 자석은 무엇으로 만드나?전자석의 자기장의 세기는 코일에 흐르는 전력에 비례합니다. 초전도 자석은 바로 전선(코일)을 초전도 물질로 만드는 것입니다. 즉, 자석의 몸체 자체를 초전도 물질로 만드는 것은 아닙니다.코일을 액체핼륨 등으로 냉각시켜 전선을 초전도 상태로 만들면 전력이 흘러도 코일에 열이 발생하지 않기 때문에 큰 전력을 계속하여 흘릴 수 있고 이 때문에 매우 강한 자기장을 얻을 수 있습니다. 전선으로 사용되는 재료는 한정되어 있는데 보통 니오브와 주석의 화합물 등이 있습니다.(니오브: 주기율표 제5족에 속하는 바나듐족 원소의 하나로 원소기호 Nb)○ 자기부상열차가 탈선을 하지 않는 원리자기부상열차가 탈선하지 않는 원리는 크게 2가지로 생각할 수 있습니다.첫째로 전자석에 의한 흡인력(끌어당기는 힘)이 탈선을 방지합니다.자기부상열차는 전자석의 힘으로 부상하며, 부상원리는 전자석과 상부 철제레일 간 작용하는 흡인력입니다.이 흡인력이 작용할 때 차량의 전자석은 철제궤도 면에 중심을 유지한 채 이탈하지 않으려는 힘으로 작용하고, 이러한 작용이 자기부상열차의 탈선을 방지하게 됩니다.또 하나의 이유는, 자기부상열차는 하부에 부상용 전자석 및 추진 장치 등을 설치하기 위한 대차가 설치되어 있습니다.그런데 이 대차는 선로 구조물인 철제레일(궤도)을 바깥쪽에서 감싸는 구조로서 탈선을 미연에 방지할 수 있습니다.

학문 / 물리

23.05.11

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