Levitación magnética


La levitación magnética ( maglev ) o suspensión magnética es un método mediante el cual un objeto se suspende sin ningún otro soporte que los campos magnéticos . La fuerza magnética se utiliza para contrarrestar los efectos de la aceleración gravitacional y cualquier otra aceleración.

La levitación magnética se puede estabilizar utilizando diferentes técnicas, aquí se utiliza la rotación (giro)

Los dos problemas principales involucrados en la levitación magnética son las fuerzas de elevación : proporcionar una fuerza ascendente suficiente para contrarrestar la gravedad, y la estabilidad : garantizar que el sistema no se deslice o gire espontáneamente a una configuración en la que la elevación sea neutralizada.

Levitación magnética se utiliza para levitación magnética trenes, de fusión sin contacto , cojinetes magnéticos y con fines de exhibición de productos.

Un superconductor levitando un imán permanente

Los materiales y sistemas magnéticos pueden atraerse o presionarse entre sí o junto con una fuerza que depende del campo magnético y el área de los imanes. Por ejemplo, el ejemplo más simple de elevación sería un simple imán dipolo colocado en los campos magnéticos de otro imán dipolo, orientado con polos iguales enfrentados, de modo que la fuerza entre imanes repele los dos imanes. [1]

Básicamente, se han utilizado todos los tipos de imanes para generar elevación para la levitación magnética; imanes permanentes, electroimanes, ferromagnetismo, diamagnetismo, imanes superconductores y magnetismo por corrientes inducidas en conductores.

Para calcular la cantidad de sustentación, se puede definir una presión magnética .

Por ejemplo, la presión magnética de un campo magnético en un superconductor se puede calcular mediante:

dónde es la fuerza por unidad de área en pascales ,es el campo magnético justo encima del superconductor en teslas , y= 4π × 10 −7  N · A −2 es la permeabilidad del vacío. [2]

El teorema de Earnshaw demuestra que usando solo materiales paramagnéticos (como el hierro ferromagnético ) es imposible que un sistema estático levite de manera estable contra la gravedad. [3]

Por ejemplo, el ejemplo más simple de elevación con dos imanes dipolos simples que se repelen es altamente inestable, ya que el imán superior puede deslizarse hacia los lados o voltearse, y resulta que ninguna configuración de imanes puede producir estabilidad.

Sin embargo, los servomecanismos , el uso de materiales diamagnéticos , la superconducción o los sistemas que involucran corrientes parásitas permiten lograr la estabilidad.

En algunos casos, la fuerza de elevación la proporciona la levitación magnética, pero la estabilidad la proporciona un soporte mecánico que soporta poca carga. Esto se denomina pseudolevitación .

Estabilidad estática

La estabilidad estática significa que cualquier pequeño desplazamiento fuera de un equilibrio estable hace que una fuerza neta lo empuje de regreso al punto de equilibrio.

El teorema de Earnshaw demostró de manera concluyente que no es posible levitar de manera estable usando solo campos estáticos, macroscópicos y paramagnéticos. Las fuerzas que actúan sobre cualquier objeto paramagnético en cualquier combinación de campos gravitacionales , electrostáticos y magnetostáticos harán que la posición del objeto, en el mejor de los casos, sea inestable a lo largo de al menos un eje, y puede estar en equilibrio inestable a lo largo de todos los ejes. Sin embargo, existen varias posibilidades para hacer viable la levitación, por ejemplo, el uso de estabilización electrónica o materiales diamagnéticos (dado que la permeabilidad magnética relativa es menor que uno [4] ); se puede demostrar que los materiales diamagnéticos son estables a lo largo de al menos un eje y pueden ser estables a lo largo de todos los ejes. Los conductores pueden tener una permeabilidad relativa a campos magnéticos alternos por debajo de uno, por lo que algunas configuraciones que usan electroimanes accionados por CA simples son autoestables.

Estabilidad dinámica

La estabilidad dinámica ocurre cuando el sistema de levitación puede amortiguar cualquier movimiento similar a una vibración que pueda ocurrir.

Los campos magnéticos son fuerzas conservadoras y, por lo tanto, en principio no tienen amortiguación incorporada y, en la práctica, muchos de los esquemas de levitación tienen una amortiguación insuficiente y, en algunos casos, una amortiguación negativa. [5] Esto puede permitir que existan modos de vibración que pueden hacer que el artículo salga de la región estable.

La amortiguación del movimiento se realiza de varias formas:

Para la levitación y el control exitosos de los 6 ejes (grados de libertad; 3 de traslación y 3 de rotación) se puede utilizar una combinación de imanes permanentes y electroimanes o diamagnetos o superconductores, así como campos atractivos y repulsivos. Según el teorema de Earnshaw, al menos un eje estable debe estar presente para que el sistema levite con éxito, pero los otros ejes se pueden estabilizar mediante ferromagnetismo.

Los principales utilizados en los trenes de levitación magnética son la suspensión electromagnética servoestabilizada (EMS), la suspensión electrodinámica (EDS).

Un ejemplo de pseudolevitación magnética con un soporte mecánico (varilla de madera) que proporciona estabilidad.

Restricción mecánica (pseudolevitación)

Con una pequeña cantidad de restricción mecánica para la estabilidad, lograr la pseudolevitación es un proceso relativamente sencillo.

Si dos imanes están restringidos mecánicamente a lo largo de un solo eje, por ejemplo, y dispuestos para repelerse fuertemente entre sí, esto actuará para levitar uno de los imanes sobre el otro.

Otra geometría es donde los imanes son atraídos, pero un miembro de tracción, como una cuerda o un cable, impide que se toquen.

Otro ejemplo es la centrífuga tipo Zippe, en la que un cilindro se suspende bajo un imán atractivo y se estabiliza mediante un cojinete de agujas desde abajo.

Otra configuración consiste en una serie de imanes permanentes instalados en un perfil ferromagnético en forma de U y acoplados a un riel ferromagnético. El flujo magnético cruza el carril en una dirección transversal al primer eje y crea un bucle cerrado en el perfil en forma de U. Esta configuración genera un equilibrio estable a lo largo del primer eje que mantiene el carril centrado en el punto de cruce del flujo (mínima reluctancia magnética) y permite soportar una carga magnéticamente. En el otro eje, el sistema está restringido y centrado por medios mecánicos, como ruedas. [6]

Servomecanismos

El sistema Transrapid utiliza servomecanismos para tirar del tren desde debajo de la vía y mantiene un espacio constante mientras viaja a alta velocidad.
Globo flotante. Levitación magnética con bucle de retroalimentación.

La atracción de un imán de fuerza fija disminuye con el aumento de la distancia y aumenta a distancias más cercanas. Esto es inestable. Para un sistema estable, se necesita lo contrario, las variaciones desde una posición estable deberían empujarlo de regreso a la posición objetivo.

Se puede lograr una levitación magnética estable midiendo la posición y la velocidad del objeto que está siendo levitado y usando un circuito de retroalimentación que ajusta continuamente uno o más electroimanes para corregir el movimiento del objeto, formando así un servomecanismo .

Muchos sistemas usan la atracción magnética tirando hacia arriba contra la gravedad para este tipo de sistemas, ya que esto les da cierta estabilidad lateral inherente, pero algunos usan una combinación de atracción magnética y repulsión magnética para empujar hacia arriba.

Cualquiera de los sistemas representa ejemplos de suspensión electromagnética (EMS). Para un ejemplo muy simple, algunas demostraciones de levitación de mesa usan este principio, y el objeto corta un haz de luz o se usa el método del sensor de efecto Hall para medir la posición del objeto. El electroimán está por encima del objeto que está levitando; el electroimán se apaga cuando el objeto se acerca demasiado y se vuelve a encender cuando cae más lejos. Un sistema tan simple no es muy robusto; existen sistemas de control mucho más efectivos, pero esto ilustra la idea básica.

Los trenes de levitación magnética EMS se basan en este tipo de levitación: el tren se enrolla alrededor de la vía y se tira hacia arriba desde abajo. Los servocontroles lo mantienen seguro a una distancia constante de la pista.

Corrientes inducidas

Estos esquemas funcionan debido a la repulsión debida a la ley de Lenz . Cuando un conductor se presenta con un campo magnético variable en el tiempo, se establecen corrientes eléctricas en el conductor que crean un campo magnético que causa un efecto repulsivo.

Este tipo de sistemas suelen mostrar una estabilidad inherente, aunque a veces se requiere una amortiguación adicional.

Movimiento relativo entre conductores e imanes.

Si uno mueve una base hecha de un conductor eléctrico muy bueno como cobre , aluminio o plata cerca de un imán, se inducirá una corriente ( parásita ) en el conductor que se opondrá a los cambios en el campo y creará un campo opuesto que repeler el imán ( ley de Lenz ). A una velocidad de movimiento suficientemente alta, un imán suspendido levitará sobre el metal o viceversa con el metal suspendido. El alambre Litz hecho de alambre más delgado que la profundidad de la piel para las frecuencias vistas por el metal funciona de manera mucho más eficiente que los conductores sólidos. Las bobinas de la figura 8 se pueden utilizar para mantener algo alineado. [7]

Un caso especialmente interesante desde el punto de vista tecnológico se produce cuando se utiliza una matriz Halbach en lugar de un imán permanente de un solo polo, ya que esto casi duplica la intensidad del campo, que a su vez casi duplica la intensidad de las corrientes parásitas. El efecto neto es más del triple de la fuerza de elevación. El uso de dos matrices de Halbach opuestas aumenta el campo aún más. [8]

Las matrices Halbach también son adecuadas para la levitación magnética y la estabilización de giroscopios y ejes de motores y generadores eléctricos .

Campos electromagnéticos oscilantes

Lámina de aluminio flotando sobre la placa de cocción de inducción gracias a las corrientes parásitas inducidas en ella.

Un conductor puede levitar sobre un electroimán (o viceversa) con una corriente alterna fluyendo a través de él. Esto hace que cualquier conductor regular se comporte como un diamagnet, debido a las corrientes parásitas generadas en el conductor. [9] [10] Dado que las corrientes parásitas crean sus propios campos que se oponen al campo magnético, el objeto conductor es repelido del electroimán y la mayoría de las líneas de campo del campo magnético ya no penetrarán en el objeto conductor.

Este efecto requiere materiales no ferromagnéticos pero altamente conductores como el aluminio o el cobre, ya que los ferromagnéticos también son fuertemente atraídos por el electroimán (aunque a altas frecuencias el campo aún puede ser expulsado) y tienden a tener una resistividad más alta dando menores corrientes parásitas. Una vez más, el alambre litz da los mejores resultados.

El efecto se puede utilizar para acrobacias como levitar una guía telefónica ocultando una placa de aluminio en su interior.

A altas frecuencias (unas pocas decenas de kilohercios más o menos) y potencias en kilovatios, se pueden levitar y fundir pequeñas cantidades de metales mediante la fusión por levitación sin el riesgo de que el metal se contamine con el crisol. [11]

Una fuente de campo magnético oscilante que se utiliza es el motor de inducción lineal . Esto se puede usar para levitar y proporcionar propulsión.

Levitación estabilizada diamagnéticamente

Imán permanente levitado de forma estable entre las yemas de los dedos

El teorema de Earnshaw no se aplica a los diamagnetos . Estos se comportan de manera opuesta a los imanes normales debido a su permeabilidad relativa de μ r <1 (es decir, susceptibilidad magnética negativa ). La levitación diamagnética puede ser inherentemente estable.

Un imán permanente puede suspenderse de forma estable mediante varias configuraciones de imanes permanentes potentes y diamagnetos potentes. Cuando se utilizan imanes superconductores, la levitación de un imán permanente puede incluso estabilizarse mediante el pequeño diamagnetismo del agua en los dedos humanos. [12]

Levitación diamagnética

Levitación diamagnética de carbono pirolítico

El diamagnetismo es la propiedad de un objeto que hace que cree un campo magnético en oposición a un campo magnético aplicado externamente, lo que hace que el material sea repelido por campos magnéticos. Los materiales diamagnéticos hacen que las líneas de flujo magnético se curven alejándose del material. Específicamente, un campo magnético externo altera la velocidad orbital de los electrones alrededor de sus núcleos, cambiando así el momento dipolar magnético.

Según la ley de Lenz, esto se opone al campo externo. Los diamagnetos son materiales con una permeabilidad magnética menor que μ 0 (una permeabilidad relativa menor que 1). En consecuencia, el diamagnetismo es una forma de magnetismo que solo exhibe una sustancia en presencia de un campo magnético aplicado externamente. Generalmente es un efecto bastante débil en la mayoría de los materiales, aunque los superconductores exhiben un efecto fuerte.

Levitación diamagnética directa

Una rana viva levita dentro de un orificio vertical de 32 mm de diámetro de un solenoide Bitter en un campo magnético de aproximadamente 16 teslas.

Una sustancia que es diamagnética repele un campo magnético. Todos los materiales tienen propiedades diamagnéticas, pero el efecto es muy débil y generalmente se ve superado por las propiedades paramagnéticas o ferromagnéticas del objeto , que actúan de manera opuesta. Cualquier material en el que el componente diamagnético sea más fuerte será repelido por un imán.

La levitación diamagnética se puede utilizar para hacer levitar piezas muy ligeras de grafito pirolítico o bismuto sobre un imán permanente moderadamente fuerte. Como el agua es predominantemente diamagnética, esta técnica se ha utilizado para levitar gotas de agua e incluso animales vivos, como un saltamontes, una rana y un ratón. [13] Sin embargo, los campos magnéticos requeridos para esto son muy altos, típicamente en el rango de 16 teslas , y por lo tanto crean problemas importantes si hay materiales ferromagnéticos cerca. El funcionamiento de este electroimán utilizado en el experimento de levitación de la rana requirió 4 MW (4000000 vatios) de potencia. [13] : 5

El criterio mínimo para la levitación diamagnética es , dónde:

  • es la susceptibilidad magnética
  • es la densidad del material
  • es la aceleración gravitacional local (−9,8 m / s 2 en la Tierra)
  • es la permeabilidad del espacio libre
  • es el campo magnético
  • es la tasa de cambio del campo magnético a lo largo del eje vertical.

Suponiendo condiciones ideales a lo largo de la dirección z del imán de solenoide:

  • El agua levita a
  • El grafito levita a

Superconductores

Los superconductores pueden considerarse diamagnetos perfectos y expulsan completamente los campos magnéticos debido al efecto Meissner cuando se forma inicialmente la superconductividad; por tanto, la levitación superconductora puede considerarse un caso particular de levitación diamagnética. En un superconductor de tipo II, la levitación del imán se estabiliza aún más debido a la fijación del flujo dentro del superconductor; esto tiende a evitar que el superconductor se mueva con respecto al campo magnético, incluso si el sistema levitado está invertido.

Estos principios son explotados por EDS (suspensión electrodinámica), cojinetes superconductores , volantes , etc.

Se requiere un campo magnético muy fuerte para levitar un tren. Los trenes JR-Maglev tienen bobinas magnéticas superconductoras, pero la levitación JR-Maglev no se debe al efecto Meissner.

Estabilización rotacional

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La parte superior de la marca Levitron es un ejemplo de levitación magnética estabilizada por giro.

Un imán o una matriz de imanes correctamente ensamblados con un campo toroidal puede levitar de manera estable contra la gravedad cuando se estabiliza giroscópicamente haciéndolo girar en un segundo campo toroidal creado por un anillo base de imán (s). Sin embargo, esto solo funciona mientras la tasa de precesión se encuentra entre los umbrales críticos superior e inferior; la región de estabilidad es bastante estrecha tanto espacialmente como en la tasa de precesión requerida.

El primer descubrimiento de este fenómeno lo realizó Roy M. Harrigan , un inventor de Vermont que patentó un dispositivo de levitación en 1983 basado en él. [14] Se han desarrollado varios dispositivos que utilizan estabilización rotacional (como el popular juguete superior levitante de la marca Levitron ) citando esta patente. Se han creado dispositivos no comerciales para laboratorios de investigación universitarios, generalmente utilizando imanes demasiado potentes para una interacción pública segura.

Enfoque fuerte

La teoría de Earnshaw solo se aplica estrictamente a campos estáticos. Los campos magnéticos alternos, incluso los campos atractivos puramente alternos, [15] pueden inducir estabilidad y confinar una trayectoria a través de un campo magnético para producir un efecto de levitación.

Esto se utiliza en aceleradores de partículas para confinar y levantar partículas cargadas, y también se ha propuesto para trenes de levitación magnética. [15]

Los usos conocidos de levitación magnética incluyen levitación magnética trenes, de fusión sin contacto , cojinetes magnéticos y con fines de exhibición de productos. Además, recientemente se ha abordado la levitación magnética en el campo de la microrrobótica .

Transporte maglev

Maglev , o levitación magnética , es un sistema de transporte que suspende, guía e impulsa vehículos, principalmente trenes, utilizando levitación magnética de una gran cantidad de imanes para elevación y propulsión. Este método tiene el potencial de ser más rápido, silencioso y suave que los sistemas de transporte público con ruedas . La tecnología tiene el potencial de superar los 6.400 km / h (4.000 mi / h) si se implementa en un túnel evacuado . [16] Si no se despliega en un tubo de vacío, la potencia necesaria para la levitación no suele ser un porcentaje particularmente grande y la mayor parte de la potencia necesaria se utiliza para superar la resistencia del aire , como con cualquier otro tren de alta velocidad. Algunos vehículos prototipo Hyperloop de levitación magnética se están desarrollando como parte de la competencia de cápsulas Hyperloop en 2015-2016, y se espera que realicen pruebas iniciales en un tubo evacuado a finales de 2016. [17]

La velocidad más alta registrada de un tren maglev es de 603 kilómetros por hora (374,69 mph), alcanzada en Japón el 21 de abril de 2015; 28,2 km / h más rápido que el récord de velocidad del TGV convencional . Los trenes Maglev existen y están planeados en todo el mundo. Los proyectos notables en Asia incluyen el tren maglev superconductor de Central Japan Railway Company y el tren maglev de Shanghai , el maglev comercial más antiguo que todavía está en funcionamiento. En otros lugares, se han considerado varios proyectos en Europa y Northeast Maglev tiene como objetivo revisar el corredor noreste de América del Norte con la tecnología SCMaglev de JR Central .

Cojinetes magnéticos

  • Cojinetes magnéticos
  • Volantes
  • Centrifugadoras
  • Hilado de anillo magnético

Derretimiento de levitación

La levitación electromagnética (EML), patentada por Muck en 1923, [18] es una de las técnicas de levitación más antiguas utilizadas para experimentos sin contenedores. [19] La técnica permite la levitación de un objeto mediante electroimanes . Una bobina EML típica tiene un devanado inverso de las secciones superior e inferior energizadas por una fuente de alimentación de radiofrecuencia .

Microrobótica

En el campo de la microrrobótica , se han investigado estrategias que aprovechan la levitación magnética. En particular, se ha demostrado que a través de una técnica de este tipo, se puede lograr el control de múltiples agentes de tamaño microescala dentro de un espacio de trabajo definido. [20] Varios estudios de investigación informan sobre la realización de diferentes configuraciones personalizadas para obtener adecuadamente el control deseado de los microrobots. En los laboratorios de Philips en Hamburgo , se utilizó un sistema de escala clínica personalizado, que integra imanes permanentes y electroimanes , para realizar la levitación magnética y la navegación en 3D de un solo objeto magnético. [21] Otro grupo de investigación integró un mayor número de electroimanes, por lo tanto más grados de libertad magnética , para lograr un control independiente en 3D de múltiples objetos a través de la levitación magnética. [22]

Las leyendas de la levitación magnética eran comunes en tiempos antiguos y medievales, y su propagación del mundo romano al Medio Oriente y luego a la India ha sido documentada por el erudito clásico Dunstan Lowe. [23] [24] La fuente más antigua conocida es Plinio el Viejo (siglo I d. C.), quien describió los planos arquitectónicos de una estatua de hierro que iba a ser suspendida con piedra imán de la bóveda de un templo en Alejandría. Muchos informes posteriores describieron estatuas levitando, reliquias u otros objetos de importancia simbólica, y han aparecido versiones de la leyenda en diversas tradiciones religiosas, incluido el cristianismo, el islam, el budismo y el hinduismo. En algunos casos se interpretaron como milagros divinos, mientras que en otros se describieron como fenómenos naturales falsamente pretendidos como milagrosos; un ejemplo de este último proviene de San Agustín, quien se refiere a una estatua suspendida magnéticamente en su libro La ciudad de Dios (c. 410 d. C.). Otra característica común de estas leyendas, según Lowe, es una explicación de la desaparición del objeto, que a menudo implica su destrucción por parte de no creyentes en actos de impiedad. Aunque ahora se entiende que el fenómeno en sí es físicamente imposible, como fue reconocido por primera vez por Samuel Earnshaw en 1842, las historias de levitación magnética han persistido hasta los tiempos modernos, un ejemplo destacado es la leyenda del monumento suspendido en el Templo del Sol de Konark en el este de la India. .

  • 1839 El teorema de Earnshaw mostró que la levitación electrostática no puede ser estable; El teorema posterior fue extendido a la levitación magnetostática por otros.
  • 1913 Emile Bachelet obtiene una patente en marzo de 1912 por su "aparato transmisor de levitación" (patente nº 1.020.942) para un sistema de suspensión electromagnética.
  • 1933 Superdiamagnetismo Walther Meissner y Robert Ochsenfeld (el efecto Meissner )
  • 1934 Hermann Kemper "vehículo monorraíl sin ruedas acopladas". Número de patente del Reich 643316
  • 1939 La extensión de Braunbeck mostró que la levitación magnética es posible con materiales diamagnéticos.
  • 1939 La placa de aluminio Bedford, Peer y Tonks colocada sobre dos bobinas cilíndricas concéntricas muestra una levitación estable de 6 ejes. [25]
  • 1961 James R. Powell y su colega Gordon Danby de BNL levitación electrodinámica utilizando imanes superconductores y bobinas de figura 8 de "flujo nulo" [7]
  • Década de 1970 Levitación magnética estabilizada por giro Roy M. Harrigan
  • 1974 Río magnético Eric Laithwaite y otros
  • 1979 tren transrrápido transportaba pasajeros
  • 1981 Primer sistema de levitación magnética de una sola correa exhibido públicamente ( Tom Shannon , Compass of Love, colección Musee d'Art Moderne de la Ville de Paris)
  • 1984 Lanzadera maglev de baja velocidad en Birmingham Eric Laithwaite y otros
  • 1997 Andre Geim, una rana viva levitada diamagnéticamente [13]
  • 1999 Levitación electrodinámica de imán permanente Inductrack (General Atomics)
  • 2000 Se desarrolló con éxito en China el primer vehículo de prueba de levitación magnética HTS "Century" de carga humana en el mundo. [26]
  • Rodamiento electrodinámico homopolar 2005 [27]

  • Levitación acústica
  • Levitación aerodinámica
  • Levitación electrostática
  • Levitación óptica
  • Los ciclotrones levitan y hacen circular partículas cargadas en un campo magnético
  • Inductrack de un sistema particular basado en matrices Halbach y track loops inductivos
  • Bucle de lanzamiento
  • Levitron
  • Motor lineal
  • Cojinete magnético
  • Hilado de anillo magnético
  • Línea Nagahori Tsurumi-ryokuchi
  • Tránsitos rápidos mediante propulsión de motor lineal
  • StarTram es una propuesta extrema de levitación a través de superconductores en varios kilómetros de distancia
  • La centrífuga con cremallera utiliza un levantamiento magnético y una aguja mecánica para mayor estabilidad.

  1. ^ calculadora Archivado el 19 de agosto de 2014 en la Wayback Machine para la fuerza entre dos discos magnéticos (recuperado el 16 de abril de 2014)
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  • Control de suspensión MAGLEV de 25 kg a través de la estrategia de control clásica
  • Suspensión MAGLEV de 25 kg a través de la estrategia de control de retroalimentación del estado
  • Las ranas levitan en un campo magnético lo suficientemente fuerte
  • Ejemplo de levitación de restricción mecánica