Para levitação e controle bem-sucedidos de todos os 6 eixos (graus de liberdade; 3 translacionais e 3 rotacionais), uma combinação de ímãs permanentes e eletroímãs ou diamagnetos ou supercondutores, bem como campos atrativos e repulsivos pode ser usado. Do teorema de Earnshaw, pelo menos um eixo estável deve estar presente para o sistema levitar com sucesso, mas os outros eixos podem ser estabilizados usando ferromagnetismo.
Os principais usados em trens maglev são suspensão eletromagnética servo-estabilizada (EMS), suspensão eletrodinâmica (EDS).
Um exemplo de pseudo-levitação magnética com um suporte mecânico (haste de madeira) fornecendo estabilidade.
Restrição mecânica (pseudo-levitação) Editar
Com uma pequena quantidade de restrição mecânica para estabilidade, alcançando pseudo- a levitação é um processo relativamente simples.
Se dois ímãs forem mecanicamente restritos ao longo de um único eixo, por exemplo, e dispostos para se repelirem fortemente, isso agirá para levitar um dos ímãs acima do outro.
Outra geometria é onde os ímãs são atraídos, mas impedidos de se tocar por um membro tensor, como uma corda ou cabo.
Outro er exemplo é a centrífuga do tipo Zippe, onde um cilindro é suspenso sob um ímã atraente e estabilizado por um rolamento de agulha de baixo.
Outra configuração consiste em uma matriz de ímãs permanentes instalados em um U ferromagnético perfil e acoplado a um trilho ferromagnético. O fluxo magnético cruza o trilho em uma direção transversal ao primeiro eixo e cria um circuito fechado no perfil em forma de U. Esta configuração gera um equilíbrio estável ao longo do primeiro eixo que mantém o trilho centrado no ponto de cruzamento do fluxo (relutância magnética mínima) e permite suportar uma carga magneticamente. No outro eixo, o sistema é restringido e centralizado por meios mecânicos, como rodas.
ServomecanismosEdit
O sistema Transrapid usa servomecanismos para puxar o trem por baixo da linha e mantém uma folga constante enquanto viaja em alta velocidade
Globo flutuante. Levitação magnética com um loop de feedback.
A atração de um ímã de força fixa diminui com o aumento da distância e aumenta com distâncias menores. Isso é instável. Para um sistema estável, o oposto é necessário, variações de uma posição estável devem empurrá-lo de volta para a posição alvo.
A levitação magnética estável pode ser alcançada medindo a posição e a velocidade do objeto sendo levitado, e usando um loop de feedback que ajusta continuamente um ou mais eletroímãs para corrigir o movimento do objeto, formando assim um servomecanismo.
Muitos sistemas usam atração magnética puxando para cima contra a gravidade para esses tipos de sistemas, pois isso dá alguns inerentes estabilidade lateral, mas alguns usam uma combinação de atração magnética e repulsão magnética para empurrar para cima.
Ambos os sistemas representam exemplos de suspensão eletromagnética (EMS). Para um exemplo muito simples, algumas demonstrações de levitação de mesa usam este princípio, e o objeto corta um feixe de luz ou método de sensor de efeito Hall é usado para medir a posição do objeto. O eletroímã está acima do objeto que está sendo levitado; o eletroímã é desligado sempre que o objeto fica muito perto e é ligado novamente quando cai mais longe. Um sistema tão simples não é muito robusto; existem sistemas de controle muito mais eficazes, mas isso ilustra a ideia básica.
Os trens de levitação magnética EMS são baseados neste tipo de levitação: o trem envolve os trilhos e é puxado para cima por baixo. Os servo-controles mantêm-no com segurança a uma distância constante da pista.
Correntes induzidasEditar
Esses esquemas funcionam devido à repulsão devido a Lei de Lenz. Quando um condutor é apresentado a um campo magnético variável no tempo, correntes elétricas no condutor são configuradas, criando um campo magnético que causa um efeito repulsivo.
Esses tipos de sistemas geralmente mostram um estabilidade inerente, embora às vezes seja necessário amortecimento extra.
Movimento relativo entre condutores e ímãs Editar
Se alguém mover uma base feita de um condutor elétrico muito bom, como cobre, alumínio ou prata, feche para um ímã, uma corrente (parasita) será induzida no condutor que irá se opor às mudanças no campo e criar um campo oposto que irá repelir o ímã (lei de Lenz). A uma taxa de movimento suficientemente alta, um ímã suspenso levitará no metal ou vice-versa com o metal suspenso.O fio Litz feito de um fio mais fino do que a profundidade da pele para as frequências vistas pelo metal funciona com muito mais eficiência do que os condutores sólidos. As bobinas da Figura 8 podem ser usadas para manter algo alinhado.
Um caso especialmente interessante tecnologicamente disso ocorre quando se usa uma matriz Halbach em vez de um ímã permanente de pólo único, pois isso quase dobra a intensidade do campo, que em virar quase dobra a força das correntes parasitas. O efeito líquido é mais do que triplicar a força de sustentação. O uso de dois arranjos Halbach opostos aumenta o campo ainda mais.
Os arranjos Halbach também são adequados para levitação magnética e estabilização de giroscópios e motores elétricos e fusos de geradores.
Campos eletromagnéticos oscilantes Editar
Folha de alumínio flutuando acima do cooktop de indução graças às correntes parasitas induzidas nele.
Um condutor pode ser levitado acima de um eletroímã (ou vice-versa) com uma corrente alternada fluindo por ele. Isso faz com que qualquer condutor regular se comporte como um diaímã, devido às correntes parasitas geradas no condutor. Uma vez que as correntes parasitas criam seus próprios campos que se opõem ao campo magnético, o objeto condutor é repelido do eletroímã, e a maioria das linhas de campo do campo magnético não mais penetram no objeto condutor.
Este efeito requer materiais não ferromagnéticos, mas altamente condutores como alumínio ou cobre, já que os ferromagnéticos também são fortemente atraídos pelo eletroímã (embora em altas frequências o campo ainda possa ser expelido) e tendem a ter uma resistividade mais alta dando correntes parasitas mais baixas. Mais uma vez, o fio litz dá os melhores resultados.
O efeito pode ser usado para acrobacias como levitar uma lista telefônica escondendo uma placa de alumínio dentro dela.
Em altas frequências (alguns dezenas de quilohertz ou mais) e potências de quilowatt, pequenas quantidades de metais podem ser levitadas e derretidas usando fusão por levitação, sem o risco de o metal ser contaminado pelo cadinho.
Uma fonte de campo magnético oscilante que é usada é o motor de indução linear. Isso pode ser usado para levitar, bem como fornecer propulsão.
LevitationEdit diamagneticamente estabilizado
Ímã permanente levitou de forma estável entre as pontas dos dedos
O teorema de Earnshaw não se aplica a diaímanes. Eles se comportam de maneira oposta aos ímãs normais devido à sua permeabilidade relativa de μr < 1 (ou seja, susceptibilidade magnética negativa). A levitação diamagnética pode ser inerentemente estável.
Um ímã permanente pode ser suspenso de forma estável por várias configurações de ímãs permanentes fortes e diamagnetos fortes. Ao usar ímãs supercondutores, a levitação de um ímã permanente pode até mesmo ser estabilizada pelo pequeno diamagnetismo da água em dedos humanos.
LevitationEdit diamagnético
Levitação diamagnética do carbono pirolítico
O diamagnetismo é a propriedade de um objeto que o causa para criar um campo magnético em oposição a um campo magnético aplicado externamente, fazendo com que o material seja repelido por campos magnéticos. Os materiais diamagnéticos fazem com que as linhas de fluxo magnético se curvem para longe do material. Especificamente, um campo magnético externo altera a velocidade orbital dos elétrons ao redor de seus núcleos, alterando assim o momento de dipolo magnético.
De acordo com a lei de Lenz, isso se opõe ao campo externo. Diaímanes são materiais com permeabilidade magnética menor que μ0 (uma permeabilidade relativa menor que 1). Consequentemente, o diamagnetismo é uma forma de magnetismo que só é exibida por uma substância na presença de um campo magnético aplicado externamente. Geralmente é um efeito bastante fraco na maioria dos materiais, embora supercondutores exibem um forte efeito.
Levitação diamagnética diretaEditar
Um sapo vivo levita dentro de um Furo vertical de 32 mm de diâmetro de um solenóide Bitter em um campo magnético de cerca de 16 teslas
Uma substância que é diamagnética repele um campo magnético. Todos os materiais têm propriedades diamagnéticas, mas o efeito é muito fraco, e geralmente é superado pelo paramagnético ou ferroma do objeto propriedades gnéticas, que atuam de maneira oposta. Qualquer material no qual o componente diamagnético é mais forte será repelido por um ímã.
A levitação diamagnética pode ser usada para levitar pedaços muito leves de grafite pirolítica ou bismuto acima de um ímã permanente moderadamente forte. Como a água é predominantemente diamagnética, essa técnica tem sido usada para levitar gotículas de água e até animais vivos, como gafanhotos, rãs e ratos.No entanto, os campos magnéticos necessários para isso são muito altos, normalmente na faixa de 16 teslas e, portanto, criam problemas significativos se materiais ferromagnéticos estiverem próximos. A operação deste eletroímã usado no experimento de levitação da rã exigiu 4 MW (4000000 watts) de potência. : 5
O critério mínimo para levitação diamagnética é B d B dz = μ 0 ρ g χ {\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}, onde:
Assumindo condições ideais ao longo da direção z do ímã solenóide:
SuperconductorsEdit
Os supercondutores podem ser considerados diamagnetos perfeitos e expelem completamente os campos magnéticos devido ao efeito Meissner quando a supercondutividade se forma inicialmente; assim, a levitação supercondutora pode ser considerada um caso particular de levitação diamagnética. Em um supercondutor do tipo II, a levitação do ímã é ainda mais estabilizada devido à pinagem de fluxo dentro do supercondutor; isso tende a impedir o supercondutor de se mover em relação ao campo magnético, mesmo que o sistema levitado seja invertido.
Esses princípios são explorados por EDS (Suspensão Eletrodinâmica), rolamentos supercondutores, volantes, etc.
Um campo magnético muito forte é necessário para levitar um trem. Os trens JR-Maglev têm bobinas magnéticas supercondutoras, mas a levitação JR-Maglev não se deve ao efeito Meissner.
Rotational StabilizationEdit
A parte superior da marca Levitron é um exemplo de levitação magnética estabilizada por rotação
Um ímã ou conjunto de ímãs devidamente montado com um campo toroidal pode ser levitado de forma estável contra a gravidade quando estabilizado giroscopicamente girando-o em um segundo campo toroidal criado por um anel de base de ímã (s). No entanto, isso só funciona enquanto a taxa de precessão está entre os limiares críticos superior e inferior – a região de estabilidade é bastante estreita tanto espacialmente quanto na taxa necessária de precessão.
A primeira descoberta desse fenômeno foi por Roy M. Harrigan, um inventor de Vermont que patenteou um dispositivo de levitação em 1983 com base nele. Vários dispositivos usando estabilização rotacional (como o popular brinquedo de levitação da marca Levitron) foram desenvolvidos citando esta patente. Dispositivos não comerciais foram criados para laboratórios de pesquisa universitários, geralmente usando ímãs muito poderosos para interação segura do público.
Strong FocusEdit
A teoria de Earnshaw se aplica estritamente apenas a campos estáticos. Campos magnéticos alternados, mesmo campos atrativos puramente alternados, podem induzir estabilidade e confinar uma trajetória através de um campo magnético para dar um efeito de levitação.
Isso é usado em partículas aceleradores para confinar e levantar partículas carregadas, e foi proposto para trens maglev também.