자기 부상
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목차
1. 개요
자기 부상은 자기력을 이용하여 물체를 공중에 띄우는 기술로, 고대부터 전설로 존재해왔으며, 20세기 이후 다양한 기술적 발전을 통해 실용화되었다.
자기 부상의 역사는 고대부터 시작되어, 플리니우스의 기록에서 자철석으로 철상을 매달았던 건축 계획이 언급되었고, 종교적 기적이나 자연 현상으로 묘사되기도 했다. 19세기에 언쇼의 정리에 의해 정적인 자기장만으로는 안정적인 부상이 불가능하다는 것이 밝혀졌지만, 20세기에는 전자기 유도, 반자성, 초전도 등의 원리를 활용한 다양한 자기 부상 기술이 개발되었다.
자기 부상은 자기장과 자석의 면적에 따라 작용하는 자기력을 이용하여 물체를 부상시키는 원리를 가지며, 서보 기구, 유도 전류, 반자성, 회전 안정화, 강자성 집중 등의 다양한 방법을 통해 구현될 수 있다. 이러한 방법들은 자기 부상 열차, 자기 베어링, 부상 용융, 마이크로 로봇 등 다양한 분야에 응용되고 있다.
특히, 자기 부상 열차는 고속, 저소음, 부드러운 운행을 가능하게 하여 주목받고 있으며, 자기 베어링은 고속 회전체에 사용되어 정밀 제어와 긴 수명을 제공한다. 또한, 마이크로 로봇 분야에서도 자기 부상 기술이 연구되어, 정의된 공간 내에서 여러 개의 마이크로 크기 에이전트를 제어하는 데 활용되고 있다.
한국에서는 1990년대부터 자기 부상 기술 연구가 시작되어, 2016년 인천국제공항에 도시형 자기 부상 열차가 상용화되었으며, 도시 교통 문제 해결과 친환경 교통 시스템 구축에 기여하고 있다.
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- 자기 부상 - 초전도 현상
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상자성은 외부 자기장이 없을 때는 자성을 띠지 않지만, 외부 자기장이 가해지면 자기장 방향으로 약하게 자화되는 성질을 말하며, 짝을 짓지 않은 전자의 스핀으로 인해 영구 자기 모멘트를 가지는 상자성체가 이러한 특징을 보인다. - 자기 - 자석
자석은 내부 자구들의 정렬로 자기장을 생성하는 물체로, N극과 S극을 가지며 영구자석과 전자석으로 나뉘어 나침반, 스피커 등 다양한 분야에 활용된다.
| 자기 부상 | |
|---|---|
| 자기 부상 | |
| 설명 | 물체가 자기력에 의해 떠 있는 상태 |
| 자기 부상 종류 | |
| 활용 | |
| 관련 기술 | |
| 추가 정보 | |
| 참고 자료 | |
| 관련 항목 | 자기 부상 열차 |
| 다른 이름 | |
| 영어 | Magnetic levitation maglev magnetic suspension |
| 유사 부상 | pseudo-levitation |
2. 역사
자기 부상에 대한 아이디어는 고대부터 존재했으며, 여러 문화권의 신화나 전설 속에서 찾아볼 수 있다.[36][37] 그러나 과학적인 관점에서 자기 부상을 이해하고 구현하려는 노력은 비교적 최근의 일이다.
1839년 새뮤얼 언쇼는 언쇼의 정리를 통해 정적인 자기장이나 정전기장만으로는 물체를 안정적으로 공중에 띄우는 것이 불가능함을 수학적으로 증명했다.[4] 이는 단순히 자석의 밀어내는 힘만으로는 안정적인 자기 부상을 구현할 수 없다는 것을 의미했으며, 자기 부상 기술 개발에 있어 중요한 이론적 배경이 되었다.
언쇼의 정리가 발표된 이후, 안정적인 자기 부상을 구현하기 위한 다양한 방법들이 모색되었다. 20세기에 들어서면서 전자기 유도, 반자성, 초전도 등 새로운 물리 현상의 발견과 기술의 발전은 자기 부상 연구에 돌파구를 마련해주었다. 1912년 에밀 바슐레는 전자기력을 이용한 부상 장치 특허를 얻었고, 1934년 헤르만 켐퍼는 바퀴 없는 모노레일 개념을 제시하며 현대 자기부상열차의 기초를 다졌다. 또한, 마이스너 효과의 발견(1933)과 반자성을 이용한 부상 가능성 증명(1939) 등은 새로운 방식의 자기 부상 기술 개발로 이어졌다.
이후 초전도 자석을 이용한 방식(1961), 회전 안정식 자기 부상(1970년대), 인덕트랙(1999) 등 다양한 기술들이 개발되었으며, 트랜스래피드(1979)와 같이 실제로 승객을 수송하는 자기부상열차가 등장하면서 실용화 가능성을 보여주었다. 최근에는 고온 초전도체(HTS)를 이용하거나(2000), 외부 전력 공급 없이 영구 자석만으로 부상하는 수동형 자기 부상 기술(2024) 등 더욱 발전된 형태의 연구가 진행되고 있다.
2. 1. 고대 및 중세의 자기 부상 전설
고대와 중세 시대에는 자기 부상에 대한 전설이 널리 퍼져 있었으며, 이는 로마 세계에서 중동을 거쳐 인도까지 확산되었다는 사실이 고전학자 던스턴 로우에 의해 기록되었다.[36][37] 가장 오래된 기록은 플리니우스 (대 플리니우스)(서기 1세기)가 남긴 것으로, 그는 알렉산드리아의 한 사원 천장에 자철석을 이용하여 철로 된 조각상을 매달아 놓으려는 건축 계획에 대해 설명했다. 이후 많은 기록에서 공중에 떠 있는 조각상, 유물 또는 상징적 중요성을 지닌 물체들이 묘사되었으며, 이러한 전설의 다양한 버전은 기독교, 이슬람교, 불교, 힌두교를 포함한 여러 종교 전통에서 나타났다.어떤 경우에는 이러한 현상을 신성한 기적으로 해석했지만, 다른 경우에는 실제로는 자연 현상이지만 기적인 것처럼 거짓으로 꾸며낸 사례로 묘사되기도 했다. 후자의 예로는 성 아우구스티누스가 그의 저서 신국(서기 약 410년)에서 언급한 자기 부상 조각상이 있다. 로우에 따르면, 이 전설들에는 물체가 사라지는 이야기가 공통적으로 등장하는데, 종종 불신자들이 불경스러운 행동을 하여 파괴되는 것으로 묘사된다. 이러한 자기 부상 이야기는 현대까지도 이어져 내려왔으며, 대표적인 예로 동인도 코나르크 수리 사원의 부상하는 기념물에 대한 전설을 들 수 있다.
2. 2. 언쇼의 정리 (1839)
언쇼의 정리는 단순히 상자성체나 강자성체(예: 철)와 같은 자성체만을 사용하여 정적인 시스템이 중력에 대항하여 안정적으로 떠오르는 것은 불가능하다는 것을 수학적으로 증명한 정리이다.[4]예를 들어, 두 개의 단순한 쌍극자 자석을 서로 밀어내게 하여 물체를 띄우려고 할 때, 이 시스템은 매우 불안정하다. 위에 놓인 자석은 옆으로 쉽게 미끄러지거나 뒤집힐 수 있기 때문에, 어떤 방식으로 자석을 배치하더라도 안정적인 상태를 만들 수 없다.
하지만, 서보 기구를 이용한 능동 제어, 반자성체의 사용, 초전도 현상 또는 와전류를 활용하는 시스템을 통해서는 안정적인 자기 부상을 구현할 수 있다.
어떤 경우에는 자석의 밀어내는 힘(척력)으로 부상력을 얻지만, 안정성은 물체를 살짝 잡아주는 기계적인 지지대에 의해 확보되기도 한다. 이러한 방식을 의사 부상이라고 부른다.
1839년 새뮤얼 언쇼는 처음에는 정전기력만으로는 안정적인 부상이 불가능함을 증명했고, 이후 다른 학자들에 의해 이 정리가 정자기장에도 동일하게 적용될 수 있음이 밝혀졌다. 이는 정적인 자기장만으로는 완벽하게 안정적인 부상을 달성할 수 없다는 자기 부상의 근본적인 한계를 명확히 했다.
2. 3. 20세기 이후의 발전
- 1912년 에밀 바슐레(Emile Bachelet)는 전자기식 부상 시스템인 "부상식 수송 장치"(Levitating transmitting apparatus영어)에 대한 특허(미국 특허 번호 1,020,942)를 취득했다.
- 1933년 발터 마이스너와 로베르트 옥센펠트는 초전도체가 외부 자기장을 밀어내는 마이스너 효과를 발견하여, 초전도 자석을 이용한 자기 부상의 이론적 가능성을 열었다.
- 1934년 헤르만 켐퍼(Hermann Kemper)는 "바퀴가 없는 모노레일 차량"(Schwebebahn ohne Räderde)에 대한 독일 제국 특허(번호 643316)를 받았다. 이는 전자기 유도 방식(EMS) 자기 부상 기술의 초기 개념 중 하나로 여겨진다.
- 1939년 베르너 브라운벡(Werner Braunbeck)은 반자성 물질을 사용하면 언쇼의 정리에도 불구하고 안정적인 자기 부상이 가능하다는 것을 이론적으로 보였다. 같은 해 베드포드(Bedford), 피어(Peer), 톤크스(Tonks)는 동심원 코일 위에 놓인 알루미늄 판이 6축 방향으로 안정적인 부상을 보이는 실험 결과를 발표했다.
- 1961년 브룩헤이븐 국립 연구소(BNL)의 제임스 R. 파월과 고든 댄비는 강력한 초전도 자석과 특수한 "널 플럭스"(null flux영어) 코일 설계를 이용한 초전도 반발식(EDS) 자기 부상 방식을 제안했다.
- 1970년대 로이 M. 해리건(Roy M. Harrigan)은 영구 자석을 회전시켜 안정성을 확보하는 회전 안정식 자기 부상(Spin-stabilized magnetic levitation) 기술(Harrigan top)을 개발하고 특허를 취득했다.
- 1974년 에릭 레이트웨이트(Eric Laithwaite) 등은 선형 유도 모터의 원리를 응용한 자기 강(Magnetic river) 개념을 제시했다.
- 1979년 독일의 트랜스래피드가 함부르크 국제 교통 박람회(IVA 79)에서 최초로 승객을 태우고 시범 운행에 성공하며 자기부상열차의 실용화 가능성을 보여주었다.
- 1981년 예술가 톰 섀넌(Tom Shannon)은 자석과 하나의 케이블만을 이용하여 물체를 공중에 매달아 놓는 단일 테더 자기 부상 시스템(Single-tether magnetic levitation system)을 적용한 작품 '사랑의 나침반'을 파리 시립 현대 미술관에서 전시했다.
- 1984년 에릭 레이트웨이트 등의 연구를 기반으로 버밍엄 국제공항과 인근 버밍엄 인터내셔널역을 연결하는 세계 최초의 상업용 저속 자기 부상 셔틀 노선이 개통되었으나, 이후 운영상의 문제로 중단되었다.
- 1997년 안드레 가임(Andre Geim)은 매우 강력한 자기장을 이용하여 살아있는 개구리를 공중에 띄우는 데 성공했다. 이 연구는 반자성을 이용한 부상의 대표적인 시연으로, 그는 이 공로로 2000년 이그노벨상 물리학상을 수상했다.
- 1999년 제너럴 아토믹스 사는 핼바흐 배열을 이용한 영구 자석 기반의 인덕트랙 시스템을 개발했다. 이 방식은 별도의 외부 전력 공급 없이 열차의 이동에 의해 유도되는 전류로 부상력을 얻는 특징이 있다.
- 2000년 중국 시난 교통대학에서 세계 최초로 고온 초전도체(HTS)를 이용한 유인 자기 부상 시험 차량 "세기호"(世纪号중국어) 개발에 성공했다.
- 2024년 이탈리아 베로나에서 외부 전력 공급 없이 영구 자석 간의 반발력만을 이용하는 수동형 자기 부상(passive magnetic levitation) 열차 시스템이 처음으로 공개되고 시연되었다.
3. 자기 부상의 원리
자기장의 인력과 척력을 이용하여 물체를 공중에 띄우는 기술을 자기 부상이라고 한다. 언쇼의 정리에 따르면, 정적이고 거시적인 전자기장만으로는 물체를 안정적으로 공중에 계속 띄워 놓는 것이 불가능하다. 물체에 가해지는 중력, 정전기장, 정자기장의 힘을 어떻게 조합하더라도 물체의 위치는 불안정해지기 때문이다. 따라서 실제 자기 부상을 구현하기 위해서는 전기 회로를 이용한 동적인 안정화 제어(서보 기구)나 반자성체와 같은 특수한 물질을 이용하는 등의 방법이 필요하다.
3. 1. 자기력
자기 재료와 시스템은 자기장과 자석의 면적에 따라 힘을 가하여 서로 끌어당기거나 밀어낼 수 있다. 예를 들어, 부상의 가장 간단한 예는 서로 같은 극이 마주보도록 배치된 다른 쌍극자 자석의 자기장에 위치한 간단한 쌍극자 자석이 두 자석을 밀어내는 자석 간의 힘이 작용하는 경우이다.
본질적으로 모든 종류의 자석이 자기 부상을 위해 부력을 생성하는 데 사용되어 왔다. 영구 자석, 전자석, 강자성, 반자성, 초전도 자석, 그리고 도체에 유도된 전류로 인한 자성 등이 있다.
부상량을 계산하기 위해 자기 압력을 정의할 수 있다.
예를 들어, 초전도체에 작용하는 자기장의 자기 압력은 다음과 같이 계산할 수 있다.
:
여기서 는 파스칼 단위의 단위 면적당 힘이고, 는 테슬라 단위의 초전도체 바로 위의 자기장이며, = 4π×10-7 N·A-2는 진공의 투자율이다.[3]
언쇼의 정리에 따르면, 정적·거시적·"고전적" 전자기장만으로는 안정적인 부상이 불가능하다는 것이 증명되었다. 물체에 가해지는 중력이나 정전기장·정자기장의 힘을 어떻게 조합하더라도 물체의 위치는 불안정해진다. 고정 강도 자석의 인력은 거리가 증가함에 따라 감소하고, 더 가까운 거리에서 증가하는데, 이는 불안정한 상태이다. 안정적인 시스템을 위해서는 그 반대가 필요하다. 즉, 안정적인 위치에서 벗어나는 변동이 발생하면 원래의 목표 위치로 다시 밀어 넣어야 한다.
안정적인 자기 부상은 부상되는 물체의 위치와 속도를 측정하고, 하나 이상의 전자석을 지속적으로 조정하여 물체의 움직임을 수정하는 피드백 루프를 사용하여 서보 기구를 형성함으로써 달성할 수 있다.
많은 시스템은 이러한 종류의 시스템에 대해 중력에 반하여 위쪽으로 당기는 자기 인력을 사용하는데, 이는 약간의 고유한 측면 안정성을 제공하지만, 일부는 자기 인력과 자기 반발력을 조합하여 위쪽으로 밀어 올린다. 두 시스템 모두 전자석 부상(EMS)의 예이다. 매우 간단한 예로, 일부 탁상 부상 시연은 이 원리를 사용하며, 물체는 광선을 차단하거나 홀 효과 센서 방식을 사용하여 물체의 위치를 측정한다. 전자석은 부상되는 물체 위에 있으며, 물체가 너무 가까이 오면 전자석이 꺼지고, 더 멀리 떨어지면 다시 켜진다. 이러한 단순한 시스템은 그다지 견고하지 않지만 기본적인 아이디어를 보여준다. 더욱 효과적인 제어 시스템도 존재한다.
EMS 자기 부상 열차는 이러한 종류의 부상을 기반으로 한다. 열차는 트랙을 감싸고 아래에서 위로 당겨진다. 서보 기구는 열차가 트랙에서 안전하게 일정한 거리를 유지하도록 제어한다.
3. 2. 안정성
언쇼의 정리는 정적이고 거시적인 상자성체(강자성체인 철 등)만을 사용하여 중력에 대항하여 안정적으로 부상하는 것은 불가능함을 증명한다.[4] 중력장, 정전기장, 정자기장의 어떤 조합에서든 물체에 작용하는 힘은 물체의 위치를 적어도 하나의 축에서는 불안정하게 만들며, 모든 축에서 불안정 평형 상태에 있을 수 있다. 예를 들어, 두 개의 단순한 쌍극자 자석이 서로 반발하는 가장 간단한 부상 방식은 위쪽 자석이 옆으로 미끄러지거나 뒤집힐 수 있어 매우 불안정하다.안정성은 정적 안정성과 동적 안정성으로 구분할 수 있다.
- 정적 안정성: 안정된 평형점에서 약간 벗어났을 때, 원래의 평형점으로 되돌아가려는 힘이 자연적으로 발생하는 상태를 의미한다. 언쇼의 정리에 따라 순수한 정적 자기장만으로는 완전한 정적 안정성을 달성하기 어렵지만, 반자성체 물질(상대 투자율이 1보다 작음[5])을 사용하면 특정 축 또는 모든 축에서 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 도체는 교류 자기장에서 1 미만의 상대 투자율을 가질 수 있어, 간단한 AC 구동 전자석을 사용하는 일부 구성은 자체적으로 안정적일 수 있다.
- 동적 안정성: 시스템에서 발생하는 진동을 감쇠시켜 평형 상태를 유지하기 위해 부궤환(feedback) 제어를 사용하는 경우를 의미한다. 정적 자기장은 보존력이므로 자체적인 감쇠 효과가 없어, 많은 부상 방식은 한계적으로 안정적이거나 외부 요인에 의해 불안정해지기 쉽다.[6] 이를 극복하기 위해 동적 안정화 기법이 필요하다. 예를 들어, 약간 기울어진 극을 가진 영구 자석을 일정한 속도로 회전시켜 다른 자석을 공중에 안정적으로 유지할 수 있다.[7][8]
이러한 원리를 바탕으로 실제 자기 부상 시스템에서는 다음과 같은 방법들을 통해 안정성을 확보한다.
- 전자 안정화 (서보 기구): 물체의 위치와 속도를 센서(광센서, 홀 효과 센서 등)로 측정하고, 이 정보를 바탕으로 피드백 루프를 통해 하나 이상의 전자석 세기를 실시간으로 조절하여 물체의 움직임을 제어하는 방식이다. 전자석 부상(EMS) 방식이 대표적이다.
EMS 자기 부상 열차는 열차가 트랙을 감싸고 아래에서 위로 당겨지는 방식으로 부상하며, 서보 기구가 열차와 트랙 사이의 간격을 일정하게 유지하여 안정적인 운행을 가능하게 한다.
- 반자성체 사용: 반자성체는 외부 자기장에 대해 반발하는 성질을 가지므로, 특정 조건에서 안정적인 부상을 가능하게 한다.
- 초전도: 초전도체는 매우 강한 반자성(마이스너 효과)을 나타내어 영구 자석 위에서 안정적으로 부상할 수 있다. 다만 극저온 유지가 필요하다는 단점이 있다.
- 와전류 이용: 도체가 자기장 속에서 움직이거나 변화하는 자기장에 노출될 때 발생하는 와전류는 움직임을 방해하는 방향으로 힘(감쇠력)을 발생시켜 안정성을 높일 수 있다. 이는 외부 제어 시스템의 부궤환과 결합하여 사용될 수 있다.
- 기계적 제약 (의사 부상): 자기력으로 부상력을 제공하되, 안정성은 하중이 거의 없는 기계적 지지대(베어링 등)를 통해 확보하는 방식이다. 이를 ''의사 부상''이라고도 부른다.
이 외에도 외부 기계적 감쇠 장치(댐퍼, 공기 저항 등)나 부상된 물체 자체에 조화 질량 댐퍼를 설치하는 방법 등으로 안정성을 향상시킬 수 있다.
하지만 자기 부상 기술은 여전히 해결해야 할 과제들을 안고 있다. 능동 제어 방식은 안정적으로 작동하는 영역이 매우 좁은 경우가 많으며, 자기장 자체는 진동을 억제하는 특성이 부족하여 특정 조건에서 불안정한 진동이 발생할 수 있다. 또한, 무거운 물체를 부상시키기 위해서는 강력한 자기장을 생성하기 위한 많은 전력이 필요하며, 초전도 방식의 경우 극저온 유지의 어려움이 있다.
4. 자기 부상의 방법
성공적인 자기 부상과 6축(자유도; 3개의 병진 운동과 3개의 회전 운동) 제어를 위해서는 영구 자석과 전자석 또는 반자성체, 초전도체의 조합뿐만 아니라 인력과 척력의 자기장을 사용할 수 있다. 언쇼의 정리에 따르면 시스템이 성공적으로 부상하기 위해서는 적어도 하나의 안정적인 축이 존재해야 하지만, 다른 축들은 강자성을 사용하여 안정화할 수 있다.
자기 부상 열차 등에 사용되는 주요 방식으로는 서보 제어를 이용하는 전자석 부상(Electromagnetic Suspension, EMS) 방식과 전자기 유도를 이용하는 전자유도 현가(Electrodynamic Suspension, EDS) 방식 등이 있다. 이 외에도 다양한 원리를 이용한 자기 부상 방법들이 존재하며, 각각 고유한 특징과 장단점을 가진다. 상세한 방식들은 하위 문단에서 설명한다.
4. 1. 기계적 제약 (의사 부상)
언쇼의 정리에 따르면, 순수한 상자성체나 강자성체만을 이용한 정적인 시스템으로는 중력에 대항하여 안정적으로 물체를 띄우는 것이 불가능하다.[4] 예를 들어, 두 개의 쌍극자 자석이 서로 밀어내는 힘(척력)만으로는 위쪽 자석이 옆으로 미끄러지거나 뒤집히는 등 매우 불안정하여 안정적인 부상이 어렵다.하지만 자력으로 부상력을 얻으면서 안정성은 기계적인 지지대에 의존하는 방식으로 부상을 구현할 수 있는데, 이를 의사 부상(pseudo-levitation)이라고 부른다. 이 방식에서는 안정성을 위한 기계적 제약이 약간의 마찰을 발생시킬 수는 있지만, 하중 자체는 자기력으로 지탱하므로 비교적 쉽게 부상을 구현할 수 있다. 즉, 부상력은 주로 자기력에 의해 제공되지만, 안정성은 하중을 거의 받지 않는 기계적 지지 요소에 의해 확보되는 것이다.
의사 부상의 몇 가지 예시는 다음과 같다.
- 축 제한 방식: 두 개의 자석을 막대와 같은 단일 축을 따라 움직이도록 기계적으로 제한하고 서로 강하게 밀어내도록 배치하면, 한 자석이 다른 자석 위에 떠 있게 된다. 위 이미지에서 나무 막대가 이러한 기계적 제한 역할을 한다.
- 인장 부재 방식: 자석들이 서로 끌어당기는 힘(인력)으로 작용하지만, 끈이나 케이블과 같은 장치(인장 부재)로 인해 서로 달라붙지 못하게 막는 방식도 있다.
- 지페형 원심분리기: 이 장치는 원통형 회전체가 위쪽의 자석에 의해 매달려 인력으로 뜨게 되고, 아래쪽에서는 바늘 형태의 베어링이 회전축을 잡아주어 안정성을 확보하는 구조를 사용한다.
- 자기 회로 및 기계적 제약 결합 방식: 강자성 물질로 만든 U자형 구조물 안에 영구 자석 배열을 설치하고, 이를 강자성 레일 위에 놓는 방식도 있다. 자기 선속이 레일을 가로질러 U자형 구조물 안에서 폐쇄 루프를 형성하며, 이 과정에서 레일이 자기 릴럭턴스(자기 저항)가 가장 낮은 지점에 머무르려는 안정적인 평형 상태가 만들어진다. 이 힘으로 레일 방향(첫 번째 축)의 안정성과 부상력을 얻고, 다른 방향(다른 축)의 안정성은 바퀴와 같은 기계적 장치를 통해 확보한다.[9]
4. 2. 서보 기구
일반적인 자석의 힘은 거리가 가까워지면 강해지고 멀어지면 약해지는 특성이 있다. 이러한 특성 때문에 단순히 자석의 힘만 이용하려고 하면 물체가 자석에 달라붙거나 혹은 멀리 떨어져 버리는 불안정한 상태가 된다. 안정적인 시스템이 되려면, 물체가 원래의 안정적인 위치에서 벗어나려고 할 때 다시 그 위치로 되돌리려는 힘이 작용해야 한다.
안정적인 자기 부상은 물체의 위치와 속도를 실시간으로 측정하고, 이 정보를 바탕으로 전자석의 힘을 계속해서 미세하게 조절하는 피드백 루프를 통해 구현된다. 이러한 제어 시스템을 서보 기구라고 부른다.
많은 자기 부상 시스템은 물체를 아래에서 위로 끌어당기는 자기 인력을 이용한다. 이 방식은 중력에 대항하여 물체를 띄우면서 어느 정도 좌우 방향의 안정성을 자연스럽게 확보할 수 있다는 장점이 있다. 일부 시스템에서는 자기 인력과 함께 밀어내는 힘인 자기 반발력을 조합하여 물체를 위로 띄우기도 한다.
이러한 방식들을 통칭하여 전자석 부상(Electromagnetic Suspension, EMS)이라고 한다. 간단한 예로, 책상 위에 작은 물체를 띄우는 장난감이나 시연 장치 중 일부가 이 원리를 사용한다. 물체가 특정 높이에서 벗어나면 광선 센서나 홀 효과 센서가 이를 감지한다. 물체 위에 있는 전자석은 물체가 너무 가까이 다가오면 자력을 약하게 하거나 끄고, 너무 멀리 떨어지면 자력을 강하게 하여 일정한 높이를 유지하도록 제어한다. 물론 실제로는 훨씬 정교하고 안정적인 제어 시스템이 사용되지만, 기본적인 원리는 이와 같다.
전자석 부상 방식을 사용하는 자기 부상 열차가 대표적인 예이다. 이 열차는 선로(트랙)를 감싸는 형태로 설계되어, 열차 하부에 있는 전자석이 선로를 위쪽으로 끌어당기는 힘으로 부상한다. 이때 서보 기구가 열차와 선로 사이의 간격을 매우 정밀하게 측정하고 제어하여 항상 안전하고 일정한 거리를 유지하도록 한다.
4. 3. 유도 전류
이 방식은 렌츠의 법칙에 따른 반발력을 이용한다. 도체에 시간에 따라 변화하는 자기장이 가해지면, 도체 내부에 와전류가 유도된다. 이 와전류는 원래 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 새로운 자기장을 만들어 반발력을 발생시킨다.[11][12] 이는 자기 부상 열차의 전자유도 현가(EDS) 방식 등에서 활용된다. 이러한 종류의 시스템은 일반적으로 고유한 안정성을 나타내지만, 때로는 추가적인 감쇠(damping) 장치가 필요할 수 있다.'''도체와 자석 사이의 상대 운동'''
구리, 알루미늄, 은과 같이 전기 전도성이 매우 좋은 도체로 만들어진 받침대를 자석 가까이에서 움직이면, 도체에 와전류가 유도된다. 이 와전류는 렌츠의 법칙에 따라 자기장의 변화에 저항하며 자석을 밀어내는 반대 방향의 자기장을 생성한다. 충분히 빠른 속도로 움직이면, 자석은 도체 위에서 부상하거나, 반대로 도체가 자석 위에 떠 있을 수 있다. 금속에서 보이는 주파수에 대한 표피 효과보다 얇은 리츠 와이어는 고체 도체보다 훨씬 효율적으로 작동한다. 8자 코일은 물체를 정렬하는 데 사용될 수 있다.[39]
특히 할바흐 배열(Halbach array)을 영구 자석 대신 사용하면 기술적으로 흥미로운 결과를 얻을 수 있다. 할바흐 배열은 자기장 강도를 거의 두 배로 높여 와전류의 세기를 증가시키고, 결과적으로 부상력을 세 배 이상으로 크게 향상시킨다. 두 개의 반대 방향 할바흐 배열을 사용하면 자기장을 더욱 강화할 수 있다.[10][45] 할바흐 배열은 자이로스코프나 전동기, 발전기의 회전축을 자기 부상시키고 안정화하는 데에도 적합하다.
'''진동 전자기장'''
교류 전류를 흘린 전자석 위에 도체를 놓거나, 반대로 도체 위에 전자석을 놓아 부상시킬 수도 있다. 이 경우, 도체 내에 발생하는 와전류 때문에 모든 일반적인 도체는 마치 반자성체처럼 행동하며 원래 자기장에 반발하는 자기장을 생성한다.[11][12][46][47] 이로 인해 도체는 전자석으로부터 밀려나고, 자기장의 대부분은 도체를 통과하지 못하게 된다.
이 효과를 위해서는 알루미늄이나 구리와 같이 강자성이 아니면서 전기 전도성이 높은 재료가 필요하다. 강자성체는 전자석에 강하게 끌리고 저항이 높아 와전류가 약해지기 때문이다. 여기서도 리츠 와이어를 사용하면 가장 좋은 결과를 얻을 수 있다.
이 원리는 전화번호부 안에 알루미늄 판을 숨겨 공중에 띄우는 것과 같은 마술 트릭에도 사용된다.
'''응용'''
고주파(수십 킬로헤르츠 정도)와 킬로와트급 전력을 사용하면, 소량의 금속을 부상 용해 기술로 공중에 띄워 녹일 수 있다. 이 방식은 도가니로 인한 금속 오염의 위험을 피할 수 있다는 장점이 있다.[13]
진동 자기장을 만드는 한 가지 원천은 선형 유도 전동기이다. 이는 부상과 추진력을 동시에 제공하는 데 사용될 수 있다.
4. 4. 반자성 안정화 부상
언쇼의 정리는 상자성체나 강자성체만을 사용하는 정적인 시스템에서는 안정적인 자기 부상이 불가능함을 증명하지만, 이 정리는 반자성체에는 적용되지 않는다.[4][42] 반자성체는 외부 자기장에 대해 반발하는 성질을 가지며, 상대 투자율 ''μ''r이 1보다 작고( ''μ''r < 1 ), 자기 감수율은 음의 값을 가진다. 이러한 특성 때문에 반자성체를 이용한 부상은 본질적으로 안정될 수 있다.
강력한 영구 자석과 강력한 반자성체를 적절히 배치하면 영구 자석을 안정적으로 공중에 띄우는 것이 가능하다. 또한, 초전도 자석(또는 초전도 전자기석)을 사용하면 매우 약한 반자성으로도 부상을 안정시킬 수 있는데, 예를 들어 사람 손가락의 물 분자가 가진 미세한 반자성을 이용하여 영구 자석의 부상을 안정화시키는 것도 가능하다.[14][42]
4. 5. 반자성 부상
반자성은 물체가 외부 자기장에 놓였을 때, 그 자기장에 반대되는 방향으로 약한 자기장을 스스로 만들어 밀려나는 성질이다.[14] 이는 대부분의 물질에서 나타나는 보편적인 현상이지만 그 효과는 일반적으로 매우 약하며, 보통 물질이 가진 상자성이나 강자성 특성에 의해 가려진다. 하지만 반자성 효과가 다른 자기적 성질보다 강한 물질은 자석에 의해 밀려나게 된다.
물질의 상대 투자율 ''μ''r이 1보다 작으면 (즉, 자기 감수율 가 음수이면) 반자성을 띤다. 외부 자기장은 원자핵 주위 전자들의 궤도 운동 속도를 변화시켜 자기 쌍극자 모멘트를 만들고, 렌츠의 법칙에 따라 이 모멘트는 외부 자기장을 약화시키는 방향으로 작용한다. 따라서 반자성 물질은 자기력선을 물질 밖으로 밀어내는 경향을 보인다.
언쇼의 정리에 따르면 일반적인 정자기장만으로는 물체를 안정적으로 공중에 띄울 수 없지만, 반자성체는 이 정리의 제약을 받지 않아 외부의 별도 제어 없이도 안정적인 부상이 가능하다.
반자성 부상은 열분해 탄소(pyrolytic carbon)나 비스무트 같이 반자성이 비교적 강한 물질의 얇은 조각을 강력한 영구 자석 위에 띄우는 데 사용될 수 있다. 물 역시 반자성을 띠므로, 물방울이나 심지어 개구리, 메뚜기, 생쥐와 같은 작은 생명체도 매우 강력한 자기장 안에서 공중 부양시킬 수 있다.[15]
하지만 이러한 반자성 부상을 위해서는 매우 강력한 자기장이 필요하다. 일반적으로 약 16 테슬라(T) 정도의 자기장이 요구되는데, 이는 지구 자기장보다 수십만 배 강한 세기이다. 실제로 개구리를 부양시킨 실험에서는 4MW의 전력을 소모하는 강력한 전자석이 사용되었다.[15] 이렇게 강한 자기장은 주변의 강자성 물체에 큰 영향을 미칠 수 있어 주의가 필요하다.
물체가 반자성으로 부상하기 위한 최소 조건은 자기장의 세기()와 자기장의 수직 방향 변화율()의 곱이 물질의 밀도()와 중력 가속도()에 비례하고 자화율()의 절댓값에 반비례하는 특정 값 이상이어야 한다. 식으로 표현하면