Levitație magnetică

Levitație magnetică, Maglev sau suspensie magnetică este o metodă prin care un obiect este suspendat pe un alt obiect fără alt scop decât suport câmpuri magnetice . Forța electromagnetică este utilizată pentru a contracara efectele forței gravitaționale .

Stabilitate

Teorema lui Earnshaw a demonstrat definitiv că nu este posibilă levitarea constantă a unui obiect folosind doar câmpuri electromagnetice „clasice” . Forțele care acționează asupra unui obiect în orice combinație de câmpuri gravitaționale , electrostatice și magnetostatice își fac poziția instabilă. Cu toate acestea, există mai multe modalități de a face posibilă levitația, încălcând ipotezele teoremei; de exemplu, utilizarea stabilizării electronice sau a materialelor diamagnetice .

Metode

Există mai multe metode de realizare a levitației magnetice. Principalele, utilizate în trenurile maglev ( trenuri de levitație magnetică), sunt suspensiile electromagnetice servo-stabilizate (EMS - Suspensia ElectroMagnetică), suspensiile electrodinamice (EDS - Suspensia ElectroDinamică) și Inductrack .

Constrângeri mecanice

Dacă doi magneți sunt constrânși mecanic de-a lungul unei singure axe verticale (o bucată de frânghie, de exemplu) și sunt poziționați pentru a se respinge reciproc cu forță maximă, acest lucru va face ca una dintre cele două piese să leviteze una peste cealaltă. Totuși, aceasta nu este considerată adevărată levitație, deoarece există un fel de contact mecanic.

Levitație diamagnetică directă

O broască vie levitează într-un cilindru vertical de 32 mm diametru al unui solenoid amar în interiorul unui câmp magnetic de 16 tesla la laboratorul cu magnet magnetic de câmp înalt Nijmegen. Link direct la videoclip

O substanță diamagnetică respinge un câmp magnetic. Teorema lui Earnshaw nu se aplică diamagnetelor; se comportă în sens opus magneților tipici datorită permeabilității lor magnetice μ _r mai mici de 1 (adică susceptibilitate magnetică negativă).

Toate materialele au proprietăți diamagnetice, dar efectul este foarte slab și, de obicei, copleșit de proprietățile paramagnetice sau feromagnetice , care acționează în sens opus. Orice material în care componenta diamagnetică este mai puternică decât cea paramagnetică și greutatea specifică vor fi respinse de un magnet, chiar dacă această forță nu este de obicei foarte mare. Levitația diamagnetică poate fi utilizată pentru a levita bucăți foarte ușoare de grafit pirolitic sau bismut pe un magnet permanent destul de puternic.

Deoarece apa este deosebit de diamagnetică, această tehnică a fost utilizată pentru levitarea picăturilor și chiar a animalelor vii, cum ar fi o lăcustă sau o broască; cu toate acestea, câmpurile magnetice necesare pentru astfel de operații sunt extrem de puternice, de obicei în jurul valorii de 16 Tesla și creează mai multe probleme dacă materialele feromagnetice sunt în apropiere.

Criteriul minim pentru levitația diamagnetică este $B{\frac {dB}{dz}}=\mu _{0}\,\rho \,{\frac {g}{\chi }}$ ${\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}$ ${\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \, \ rho \, {\ frac {g} {\ chi}}}$ unde este:

$\chi$ ${\ displaystyle \ chi}$ $\care$ este susceptibilitatea magnetică
$\rho$ ${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ este densitatea materialului
$g$ ${\ displaystyle g}$ ${\ displaystyle g}$ este Accelerația datorată gravitației (-9,8 m / s ² pe pământ)
$\mu _{0}$ ${\ displaystyle \ mu _ {0}}$ ${\ displaystyle \ mu _ {0}}$ este permeabilitatea magnetică a vidului
$B.$ ${\ displaystyle B}$ ${\ displaystyle B}$ este câmpul magnetic
${\frac {dB}{dz}}$ ${\ displaystyle {\ frac {dB} {dz}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {dB} {dz}}}$ este variația câmpului magnetic de-a lungul axei verticale.

Presupunând condiții ideale de-a lungul direcției z a magnetului solenoidului:

Apa levitează la $B{\frac {dB}{dz}}\gg 1400\ \mathrm {T^{2}/m}$ ${\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} \ gg 1400 \ \ mathrm {T ^ {2} / m}}$ ${\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} \ gg 1400 \ \ mathrm {T ^ {2} / m}}$
Grafitul levitează la $B{\frac {dB}{dz}}\gg 375\ \mathrm {T^{2}/m}$ ${\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} \ gg 375 \ \ mathrm {T ^ {2} / m}}$ ${\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} \ gg 375 \ \ mathrm {T ^ {2} / m}}$ .

Același subiect în detaliu: Diamagnetismul .

Supraconductori

Superconductorii ar putea fi considerați diamagnete perfecte (Χ _r = -1), care elimină complet câmpurile magnetice datorită efectului Meissner . Levitația magnetului este stabilizată prin blocarea fluxului din interiorul supraconductorului. Acest principiu este exploatat de suspensiile electrodinamice (EDS) ale trenurilor de levitație magnetică .

În trenuri, unde greutatea electromagnetului mare este o caracteristică de proiectare majoră (un câmp magnetic foarte puternic este necesar pentru a levita un tren mare), supraconductorii sunt folosiți ca electromagneti, deoarece produc un câmp magnetic mai puternic pentru aceeași greutate.

Levitație stabilizată diamagnetic

Un magnet permanent poate fi suspendat stabil în diverse configurații de magneți permanenți puternici și diamagnete puternice. Atunci când se utilizează magneți supraconductori, levitația unui magnet permanent poate fi stabilizată și de diamagnetismul ușor prezent în apa degetelor umane.

Stabilizare prin rotație

Ajutor

Efectele levitației asupra unei jucării ( fișier info )

Fișier: Levitron-levitating-top-demonstrating-Roy-M-Harrigans-spin-stabilized-magnetic-levitation.ogv

Redați fișierul media

O aplicație ludică a levitației

Un magnet poate fi stabilizat prin rotirea acestuia într-un câmp creat de un inel de alți magneți. Cu toate acestea, va rămâne stabilă până când rata de precesiune va încetini sub o limită critică. Regiunea stabilității este destul de mică atât în spațiu, cât și în rata necesară de precesiune. Descoperirea acestui principiu se datorează lui Roy Harrigan, un inventator din Vermont care a brevetat un dispozitiv de levitație în 1983. Mai multe dispozitive care utilizează stabilizarea rotațională au fost dezvoltate folosind acest brevet (cum ar fi celebra jucărie Levitron ). Dispozitive necomerciale au fost create pentru laboratoarele universitare de cercetare, folosind în general magneți prea puternici pentru interacțiunea sigură cu publicul.

Stabilizare servo

Levitația magnetică stabilizată dinamic poate fi realizată prin măsurarea poziției și traiectoriei magnetului pe care doriți să-l levitați și schimbarea continuă a câmpului magnetic local pentru a compensa mișcarea acestuia.

Acesta este principiul din spatele demonstrațiilor comune de levitație "de masă", care utilizează un fascicul de lumină pentru a măsura poziția și viteza unui obiect. În sistemele simple, un electromagnet se află deasupra obiectului pentru a fi levitat în sus; electromagnetul este oprit ori de câte ori obiectul se apropie prea mult și este pornit din nou când cade prea departe. Un astfel de sistem nu este foarte robust; sisteme mult mai complicate și eficiente de măsurare și control sunt totuși realizabile.

Acesta este, de asemenea, principiul din spatele suspensiei electromagnetice (EMS) a trenului de levitație magnetică : trenul se înfășoară în jurul căii și este împins în sus de acesta din urmă. Comenzile servo le mențin la o distanță constantă.

Conductori rotativi sub magneți

Dacă o bază de material conductiv este rotită sub un magnet, va fi indus un curent în conductor care va respinge magnetul. La o viteză de rotație suficient de mare a bazei conductoare, magnetul suspendat va începe să leviteze. Un caz tehnologic deosebit de interesant apare atunci când o matrice Halbach este utilizată în locul unui singur pol al unui magnet permanent.

Halbach Arrays sunt, de asemenea, foarte potrivite pentru levitația magnetică a giroscopilor , a motoarelor electrice și a arborilor generatorului .

Câmpuri magnetice oscilante de înaltă frecvență

Un conductor poate fi levitat deasupra unui electromagnet cu un curent alternativ de înaltă frecvență care curge prin el. Acest lucru face ca orice conductor regulat să se comporte ca un diamagnet, datorită curenților turbionari generați în conductor. Atâta timp cât curenții turbionari își creează propriile câmpuri care se opun câmpului magnetic, obiectul conductor este respins de electromagnet.

Acest efect necesită frecvențe înalte și materiale conductoare neferomagnetice, cum ar fi aluminiu sau cupru , deoarece cele feromagnetice sunt, de asemenea, puternic atrase de electromagnet. Efectul poate fi folosit pentru fapte precum levitarea unei agende telefonice prin ascunderea unei plăci de aluminiu în interior.

Halbach Array traducere și Inductrack

Mutarea unei matrice Halbach pe un circuit conductiv închis va genera un curent în acel circuit, care va crea un câmp magnetic opus ca răspuns. La o anumită viteză critică câmpul magnetic indus este suficient de puternic pentru a induce levitația pe o serie de astfel de circuite. Tablourile Halbach pot fi puse într-o configurație stabilă și instalate, de exemplu, într-un vagon de cale ferată.

Sistemul Inductrack pentru trenurile maglev evită problemele inerente atât a sistemelor EMS, cât și a celor EDS, în special pentru suspensiile de siguranță. Folosește numai magneți permanenți într-o matrice Halbach montată pe vagonul de tren și circuite conductoare fără alimentare instalate pe cale pentru a asigura levitația. Singura cerință este ca trenul să se deplaseze deja cu câțiva kilometri pe oră (aproximativ în ritm de mers) pentru a menține levitația.

Curentul electric indus în circuitele conductoare de pe cale extrage energia din mișcarea trenului (aceasta se numește „tragere magnetică”), dar eficiența este încă bună și nu sunt necesare electronice active sau supraconductori răcite criogenic .

Elemente conexe

linkuri externe

Levitație magnetică - Știința este distractivă , pe geocities.com (arhivat din original la 11 august 2006) .
Galeria video Maglev , la users.bigpond.net.au . Adus la 5 aprilie 2007 (arhivat din original la 24 ianuarie 2007) .
Cum poți levita magnetic obiectele? , pe my.execpc.com .
Bilă de aluminiu levitată (câmp oscilant) , pe sprott.physics.wisc.edu .
Instrucțiuni pentru a construi o demonstrație maglev de feedback declanșată optic , la coilgun.info .
Videoclipuri cu obiecte levitat diamagnetic, inclusiv broaște și lăcuste , su hfml.sci.kun.nl. Adus la 5 aprilie 2007 (arhivat din original la 13 octombrie 2004) .
Motor solar pentru levitație magnetică fără perii Mendocino , de la Larry Spring , la larryspring.com . Adus la 5 aprilie 2007 (arhivat din original la 25 martie 2006) .
youtube.com , https://www.youtube.com/watch?v=0a6FMTukno4 .

Portalul Electromagnetismului

Portalul de fizică