Per una levitazione e un controllo di successo di tutti e 6 gli assi (gradi di libertà; 3 traslazionali e 3 rotazionali) una combinazione di magneti permanenti ed elettromagneti o diamagneti o superconduttori, nonché campi attraenti e repulsivi può essere utilizzata. Dal teorema di Earnshaw deve essere presente almeno un asse stabile affinché il sistema possa levitare con successo, ma gli altri assi possono essere stabilizzati utilizzando il ferromagnetismo.
I principali usati nei treni a levitazione magnetica sono sospensioni elettromagnetiche servo-stabilizzate (EMS), sospensione elettrodinamica (EDS).
Un esempio di pseudo-levitazione magnetica con supporto meccanico (asta di legno) che fornisce stabilità.
Vincolo meccanico (pseudo-levitazione) Modifica
Con una piccola quantità di vincolo meccanico per la stabilità, ottenendo pseudo- la levitazione è un processo relativamente semplice.
Se due magneti sono vincolati meccanicamente lungo un unico asse, per esempio, e disposti in modo da respingersi fortemente l’un l’altro, questo agirà per far levitare uno dei magneti sopra l’altro.
Un’altra geometria è quella in cui i magneti sono attratti, ma impediti da un elemento di trazione, come una corda o un cavo.
Anoth Un esempio è la centrifuga di tipo Zippe in cui un cilindro è sospeso sotto un magnete attraente e stabilizzato da un cuscinetto ad aghi dal basso.
Un’altra configurazione consiste in una serie di magneti permanenti installati in una forma a U ferromagnetica profilo e accoppiato con una guida ferromagnetica. Il flusso magnetico attraversa la rotaia in direzione trasversale al primo asse e crea un anello chiuso sul profilo ad U. Questa configurazione genera un equilibrio stabile lungo il primo asse che mantiene la rotaia centrata sul punto di incrocio del flusso (minima riluttanza magnetica) e permette di sopportare magneticamente un carico. Sull’altro asse, il sistema è vincolato e centrato da mezzi meccanici, come le ruote.
ServomeccanismiEdit
Il sistema Transrapid utilizza servomeccanismi per tirare su il treno da sotto i binari e mantiene un divario costante durante i viaggi ad alta velocità
Globo mobile. Levitazione magnetica con un ciclo di feedback.
L’attrazione da un magnete a forza fissa diminuisce con l’aumentare della distanza e aumenta a distanze più ravvicinate. Questo è instabile. Per un sistema stabile, è necessario il contrario, le variazioni da una posizione stabile dovrebbero spingerlo indietro alla posizione di destinazione.
Una levitazione magnetica stabile può essere ottenuta misurando la posizione e la velocità dell’oggetto da levitare e utilizzando un circuito di feedback che regola continuamente uno o più elettromagneti per correggere il movimento dell’oggetto, formando così un servomeccanismo.
Molti sistemi utilizzano l’attrazione magnetica che tira verso l’alto contro la gravità per questi tipi di sistemi poiché ciò fornisce stabilità laterale, ma alcuni usano una combinazione di attrazione magnetica e repulsione magnetica per spingere verso l’alto.
Entrambi i sistemi rappresentano esempi di sospensione elettromagnetica (EMS). Per un esempio molto semplice, alcune dimostrazioni di levitazione da tavolo utilizzano questo principio, e l’oggetto taglia un raggio di luce o il metodo del sensore ad effetto Hall viene utilizzato per misurare la posizione dell’oggetto. L’elettromagnete si trova sopra l’oggetto da levitare; l’elettromagnete viene spento ogni volta che il l’oggetto si avvicina troppo e si riaccende quando cade più lontano. Un sistema così semplice non è molto robusto; Esistono sistemi di controllo molto più efficaci, ma questo illustra l’idea di base.
I treni a levitazione magnetica EMS si basano su questo tipo di levitazione: il treno si avvolge attorno al binario e viene tirato verso l’alto dal basso. I servocomandi lo mantengono in sicurezza a una distanza costante dal binario.
Correnti indotteModifica
Questi schemi funzionano a causa della repulsione dovuta a Legge di Lenz. Quando a un conduttore viene presentato un campo magnetico variabile nel tempo, vengono impostate correnti elettriche nel conduttore che creano un campo magnetico che provoca un effetto repulsivo.
Questi tipi di sistemi mostrano tipicamente un stabilità intrinseca, anche se a volte è necessario uno smorzamento extra.
Movimento relativo tra conduttori e magneti Modifica
Se si sposta una base composta da un ottimo conduttore elettrico come rame, alluminio o argento chiudere ad un magnete, una corrente (parassita) sarà indotta nel conduttore che si opporrà ai cambiamenti nel campo e creerà un campo opposto che respingerà il magnete (legge di Lenz). Ad una velocità di movimento sufficientemente alta, un magnete sospeso leviterà sul metallo, o viceversa con il metallo sospeso.Il filo Litz fatto di filo più sottile della profondità della pelle per le frequenze viste dal metallo funziona in modo molto più efficiente dei conduttori solidi. Le bobine della Figura 8 possono essere utilizzate per mantenere qualcosa allineato.
Un caso particolarmente interessante dal punto di vista tecnologico si ha quando si utilizza un array Halbach invece di un magnete permanente unipolare, poiché questo quasi raddoppia l’intensità del campo, che in girare quasi raddoppia la forza delle correnti parassite. L’effetto netto è più del triplo della forza di portanza. L’utilizzo di due array Halbach opposti aumenta ulteriormente il campo.
Gli array Halbach sono anche adatti alla levitazione magnetica e alla stabilizzazione di giroscopi e motori elettrici e fusi di generatori.
Campi elettromagnetici oscillantiModifica
Foglio di alluminio che galleggia sopra il piano cottura a induzione grazie alle correnti parassite indotte in esso.
Un conduttore può essere fatto levitare sopra un elettromagnete (o viceversa) con una corrente alternata che lo attraversa. Ciò fa sì che qualsiasi conduttore regolare si comporti come un diamagnet, a causa delle correnti parassite generate nel conduttore. Poiché le correnti parassite creano i propri campi che si oppongono al campo magnetico, l’oggetto conduttivo viene respinto dall’elettromagnete e la maggior parte delle linee di campo del campo magnetico non penetrerà più nell’oggetto conduttivo.
Questo effetto richiede materiali non ferromagnetici ma altamente conduttivi come l’alluminio o il rame, in quanto anche quelli ferromagnetici sono fortemente attratti dall’elettromagnete (sebbene alle alte frequenze il campo possa comunque essere espulso) e tendono ad avere una maggiore resistività dando minori correnti parassite. Ancora una volta, il filo litz offre i migliori risultati.
L’effetto può essere utilizzato per acrobazie come far levitare un elenco telefonico nascondendo una piastra di alluminio al suo interno.
Alle alte frequenze (alcuni decine di kilohertz o giù di lì) e potenze di chilowatt piccole quantità di metalli possono essere levitate e fuse utilizzando la fusione per levitazione senza il rischio che il metallo venga contaminato dal crogiolo.
Una fonte di campo magnetico oscillante che viene utilizzata è il motore a induzione lineare. Può essere utilizzato per levitare e fornire propulsione.
Levitazione stabilizzata diamagneticamenteModifica
Magneti permanenti che levitano stabilmente tra le punte delle dita
Il teorema di Earnshaw non si applica ai diamagnet. Questi si comportano in modo opposto ai normali magneti a causa della loro permeabilità relativa di μr < 1 (cioè suscettibilità magnetica negativa). La levitazione diamagnetica può essere intrinsecamente stabile.
Un magnete permanente può essere sospeso stabilmente da varie configurazioni di potenti magneti permanenti e potenti diamagneti. Quando si utilizzano magneti superconduttori, la levitazione di un magnete permanente può anche essere stabilizzata dal piccolo diamagnetismo dell’acqua nelle dita umane.
Levitazione diamagneticaModifica
Levitazione diamagnetica del carbonio pirolitico
Il diamagnetismo è la proprietà di un oggetto che lo causa creare un campo magnetico in opposizione ad un campo magnetico applicato esternamente, provocando la repulsione del materiale da parte dei campi magnetici. I materiali diamagnetici fanno sì che le linee del flusso magnetico si allontanino dal materiale. Nello specifico, un campo magnetico esterno altera la velocità orbitale degli elettroni attorno ai loro nuclei, cambiando così il momento del dipolo magnetico.
Secondo la legge di Lenz, questo si oppone al campo esterno. I diamagnet sono materiali con una permeabilità magnetica inferiore a μ0 (una permeabilità relativa inferiore a 1). Di conseguenza, il diamagnetismo è una forma di magnetismo che viene esibita solo da una sostanza in presenza di un campo magnetico applicato esternamente. È generalmente un effetto piuttosto debole nella maggior parte dei materiali, sebbene i superconduttori mostrano un forte effetto.
Levitazione diamagnetica direttaModifica
Una rana viva levita all’interno di un Foro verticale di 32 mm di diametro di un solenoide Bitter in un campo magnetico di circa 16 tesla
Una sostanza che è diamagnetica respinge un campo magnetico. Tutti i materiali hanno proprietà diamagnetiche, ma il l’effetto è molto debole e di solito è superato dal paramagnetico o dal ferroma dell’oggetto proprietà gnetiche, che agiscono in modo opposto. Qualsiasi materiale in cui la componente diamagnetica è più forte sarà respinto da un magnete.
La levitazione diamagnetica può essere utilizzata per far levitare pezzi molto leggeri di grafite pirolitica o bismuto sopra un magnete permanente moderatamente forte. Poiché l’acqua è prevalentemente diamagnetica, questa tecnica è stata utilizzata per far levitare goccioline d’acqua e persino animali vivi, come una cavalletta, una rana e un topo.Tuttavia, i campi magnetici richiesti per questo sono molto alti, tipicamente nella gamma di 16 tesla, e quindi creano problemi significativi se i materiali ferromagnetici sono vicini. Il funzionamento di questo elettromagnete utilizzato nell’esperimento di levitazione delle rane richiedeva 4 MW (4000000 watt) di potenza. : 5
Il criterio minimo per la levitazione diamagnetica è B d B dz = μ 0 ρ g χ {\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}, dove:
Supponendo condizioni ideali lungo la direzione z del magnete del solenoide:
SuperconductorsEdit
I superconduttori possono essere considerati diamagneti perfetti ed espellono completamente i campi magnetici a causa dell’effetto Meissner quando la superconduttività si forma inizialmente; quindi la levitazione superconduttiva può essere considerata un caso particolare di levitazione diamagnetica. In un superconduttore di tipo II, la levitazione del magnete è ulteriormente stabilizzata a causa del blocco del flusso all’interno del superconduttore; questo tende ad impedire al superconduttore di muoversi rispetto al campo magnetico, anche se il sistema levitato è invertito.
Questi principi sono sfruttati da EDS (Sospensione Elettrodinamica), cuscinetti superconduttori, volani, ecc.
Per far levitare un treno è necessario un campo magnetico molto forte. I treni JR-Maglev hanno bobine magnetiche superconduttive, ma la levitazione JR-Maglev non è dovuta all’effetto Meissner.
Stabilizzazione rotazionaleEdit
La parte superiore del marchio Levitron è un esempio di levitazione magnetica stabilizzata allo spin
Un magnete o un array di magneti adeguatamente assemblato con un campo toroidale può essere stabilizzato stabilmente contro la gravità quando stabilizzato giroscopicamente ruotandolo in un secondo campo toroidale creato da un anello di base di magneti. Tuttavia, questo funziona solo mentre il tasso di precessione è compreso tra le soglie critiche superiore e inferiore: la regione di stabilità è piuttosto stretta sia spazialmente che nel tasso di precessione richiesto.
La prima scoperta di questo fenomeno è stata di Roy M. Harrigan, un inventore del Vermont che brevettò un dispositivo di levitazione nel 1983 basato su di esso. Diversi dispositivi che utilizzano la stabilizzazione rotazionale (come il popolare giocattolo levitante a marchio Levitron) sono stati sviluppati citando questo brevetto. Sono stati creati dispositivi non commerciali per laboratori di ricerca universitari, che generalmente utilizzano magneti troppo potenti per un’interazione pubblica sicura.
Forte focalizzazioneModifica
La teoria di Earnshaw si applica rigorosamente solo ai campi statici. I campi magnetici alternati, anche puramente alternati a campi attraenti, possono indurre stabilità e confinare una traiettoria attraverso un campo magnetico per dare un effetto di levitazione.
Questo è usato nelle particelle acceleratori per confinare e sollevare particelle cariche, ed è stato proposto anche per i treni a levitazione magnetica.