Para una levitación y control exitosos de los 6 ejes (grados de libertad; 3 de traslación y 3 de rotación) una combinación de imanes permanentes y electroimanes o diamagnetos o superconductores, así como campos atractivos y repulsivos puede ser usado. 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), suspensión electrodinámica (EDS).
Un ejemplo de pseudolevitación magnética con un soporte mecánico (varilla de madera) que proporciona estabilidad.
Restricción mecánica (pseudo-levitación) Editar
Con una pequeña cantidad de restricción mecánica para la estabilidad, logrando pseudo- La levitación es un proceso relativamente sencillo.
Si dos imanes están restringidos mecánicamente a lo largo de un solo eje, por ejemplo, y dispuestos para repelerse entre sí con fuerza, esto hará que uno de los imanes levite 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 Un ejemplo es la centrífuga tipo Zippe, donde 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 una forma de U ferromagnética de perfil y acoplado a un carril 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.
ServomechanismsEdit
El sistema Transrapid utiliza servomecanismos para levantar el tren desde debajo de la vía y mantiene un espacio constante mientras viaja a alta velocidad
Globo flotante. Levitación magnética con un circuito 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 levitando, y utilizando un bucle de retroalimentación que ajusta continuamente uno o más electroimanes para corregir el movimiento del objeto, formando así un servomecanismo.
Muchos sistemas usan atracción magnética tirando hacia arriba contra la gravedad para este tipo de sistemas, ya que esto da algo inherente estabilidad lateral, 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 el método del sensor de efecto Hall se utiliza para medir la posición del objeto. El electroimán está sobre el objeto que está levitando; el electroimán se apaga siempre que el 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 inducidasEditar
Estos esquemas funcionan debido a la repulsión debida a Ley de Lenz. Cuando a un conductor se le presenta 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 imanesEditar
Si uno mueve una base hecha de un conductor eléctrico muy bueno como cobre, aluminio o plata, cierre a 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 repelerá 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 usar para mantener algo alineado.
Un caso especialmente interesante desde el punto de vista tecnológico se presenta cuando se usa una matriz Halbach en lugar de un imán permanente de un solo polo, ya que esto casi duplica la intensidad del campo, que en giro casi duplica la fuerza de las corrientes de Foucault. El efecto neto es más del triple de la fuerza de elevación. El uso de dos matrices Halbach opuestas aumenta el campo aún más.
Las matrices Halbach también son adecuadas para la levitación magnética y la estabilización de giroscopios y ejes de motores y generadores eléctricos.
Campos electromagnéticos oscilantesEditar
Papel de aluminio flotando sobre la placa 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. Dado que las corrientes parásitas crean sus propios campos que se oponen al campo magnético, el objeto conductor es repelido por el 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 mayor 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 (algunas decenas de kilohercios aproximadamente) y potencia de kilovatios, pequeñas cantidades de metales pueden levitarse y fundirse mediante levitación sin riesgo de que el metal se contamine con el crisol.
Una fuente de campo magnético oscilante que se utiliza es el motor de inducción lineal. Esto se puede usar tanto para levitar como para proporcionar propulsión.
Levitación diamagnéticamente estabilizadaEditar
Imán permanente levitando de manera 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 μr < 1 (es decir, susceptibilidad magnética negativa). La levitación diamagnética puede ser inherentemente estable.
Un imán permanente puede suspenderse de manera estable mediante varias configuraciones de imanes permanentes y diamamanes fuertes. Cuando se utilizan imanes superconductores, la levitación de un imán permanente puede incluso estabilizarse mediante el pequeño diamagnetismo del agua en los dedos humanos.
Levitación diamagnéticaEdit
Levitación diamagnética del carbono pirolítico
El diamagnetismo es la propiedad de un objeto que lo causa para crear un campo magnético en oposición a un campo magnético aplicado externamente, haciendo 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.
De acuerdo con la ley de Lenz, esto se opone al campo externo. Los diamagnetos son materiales con una permeabilidad magnética menor que μ0 (una permeabilidad relativa menor que 1). En consecuencia, el diamagnetismo es una forma de magnetismo que solo es exhibida por una sustancia en presencia de un campo magnético aplicado externamente. Por lo general, es un efecto bastante débil en la mayoría de los materiales, aunque los superconductores exhiben un efecto fuerte.
Levitación diamagnética directaEditar
Una rana viva levita dentro de un Agujero 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, por lo general, se ve superado por la paramagnética o ferroma del objeto. propiedades genéticas, 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.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 los materiales ferromagnéticos están cerca. El funcionamiento de este electroimán utilizado en el experimento de levitación de la rana requirió 4 MW (4000000 vatios) de potencia. : 5
El criterio mínimo para la levitación diamagnética es B d B dz = μ 0 ρ g χ {\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}, donde:
Suponiendo condiciones ideales a lo largo de la dirección z del imán de solenoide:
SuperconductoresEditar
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 rotacionalEditar
La tapa de la marca Levitron es un ejemplo de levitación magnética estabilizada por giro
Un imán o una matriz de imanes debidamente ensamblados con un campo toroidal puede levitar de manera estable contra la gravedad cuando se estabiliza giroscópicamente girándolo 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 fue por Roy M. Harrigan, un inventor de Vermont que patentó un dispositivo de levitación en 1983 basado en él. 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, que generalmente utilizan imanes demasiado potentes para una interacción pública segura.
Enfoque fuerteEditar
La teoría de Earnshaw solo se aplica estrictamente a los campos estáticos. Los campos magnéticos alternos, incluso los campos atractivos puramente alternos, pueden inducir estabilidad y confinar una trayectoria a través de un campo magnético para dar un efecto de levitación.
Esto se usa en partículas aceleradores para confinar y levantar partículas cargadas, y también se ha propuesto para trenes de levitación magnética.