자기부상

어릴 적 같은 극의 자석 두 개를 억지로 맞닿게 하려다 튕겨 나가는 힘을 느껴본 적이 있을 거예요. 자석 사이에 작용하는 이 보이지 않는 밀어내는 힘을 척력이라고 불러요.

자기부상 열차는 바로 이 원리를 이용해요. 열차 바닥과 레일 양쪽에 강력한 전자석을 설치하고 같은 극이 마주 보게 만들면, 열차는 레일 위로 공중에 붕 떠오르게 돼요. 반대로 자석이 서로 끌어당기는 힘(인력)을 이용해 아래에서 레일을 살짝 감싸 쥐듯 끌어올려 띄우는 방식도 있어요.

물체가 바닥에 닿지 않는다는 것은 레일과의 마찰력이 완전히 사라진다는 것을 뜻해요. 바퀴가 레일을 굴러갈 때 생기는 덜컹거리는 소음과 진동이 사라지고, 부품이 닳아 없어질 걱정도 없어요. 구르면서 생기는 마찰 손실이 없어 부드럽게 미끄러지듯 나아가요. 다만 빠르게 달릴수록 공기 저항이 커져서, 이를 이기는 데에는 여전히 큰 힘이 들어요.

단순히 자석 위에 물체를 올려놓으면 균형을 잃고 옆으로 미끄러져 떨어지기 쉬워요. 책상 위에 자석을 띄우려고 해보면 자석이 금방 뒤집히거나 튕겨 나가는 것과 같아요.

그래서 끌어당기는 힘으로 띄우는 열차는 단순히 띄우는 데서 끝나지 않고 레일 중심을 벗어나지 않도록 실시간 전자제어 기술을 함께 사용해요. 센서가 레일과의 간격을 쉼 없이 재고, 컴퓨터가 아주 짧은 간격으로 전류의 세기를 미세하게 조절하면서 열차가 항상 레일 한가운데에 떠 있도록 위치를 팽팽하게 바로잡아 줘요.

열차를 앞으로 밀어주는 힘도 자석으로 만들어요. 레일 주변의 자석 극성을 N극과 S극으로 쉼 없이 번갈아 바꾸면, 열차 앞쪽에서는 끌어당기고 뒤쪽에서는 밀어내면서 강력한 추진력이 생겨나요. 띄우고, 중심을 잡고, 앞으로 달리는 모든 과정이 자석의 힘으로 이루어지는 셈이에요.

조금 더 정확히 말하면, 열차를 10센티미터 가까이 높이 띄워 초고속으로 달리게 하려면 아주 강한 자석이 필요해요. 일반 전자석에 너무 강한 전류를 흘리면 엄청난 열 때문에 코일이 버티지 못하거든요.

여기서 쓰이는 핵심 기술이 바로 전기 저항이 완전히 사라지는 초전도 현상이에요. 초전도체 코일은 열 발생 없이 막대한 전류를 계속 흘릴 수 있어서, 일반 전자석과는 비교도 안 될 만큼 강력한 전자석 역할을 해내요.

열차에 실린 초전도 자석이 레일 코일 곁을 빠르게 지나가면, 전자기 유도 현상에 의해 레일 코일에도 전류와 자기장이 생겨나요. 이 자기장들이 서로 밀어내고 끌어당기며 열차를 10센티미터 높이로 띄우고, 좌우로 흔들릴 때마다 중심 쪽으로 밀어주는 자기적 복원력을 만들어 안정적으로 달리게 해줘요.