COLEGIO COSTA RICA

CRISTIAN BALLESTEROS

BRYAN DIAZ

SEBASTIAN SUTA

LEVITACION MAGNETICA

1102

MARTHA RODRIGUEZ

FISICA

2015

INTRODUCCION

El presente trabajo nos muestra el tema de la levitación magnética, que se puede definir como un fenómeno que cautiva la imaginación de los seres humanos y también nos da a conocer sus aplicaciones y sus principios físicos.

El mayor estudio de la levitación magnética es el Efecto Meissner que fue descubierto por Walther Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933.

En síntesis la levitación magnética es un método por el cual un objeto es mantenido a flote por acción únicamente de un campo magnético. En otras palabras la presión magnética se contrapone a la gravedad.

HISTORA

En 1821 el físico danés Hans Christian Oersted, descubrió la conexión existente entre los fenómenos eléctricos y magnéticos.La aplicación del magnetismo se halló en el siglo XIX.La radio y la televisión son aparatos que se basan en varios conocimientos y aplicaciones, sobre electromagnetismo que se generaron en las primeras décadas del siglo XX.El Efecto Meissner fue descubierto por Walther Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933.La superconductividad es una característica de algunos compuestos, los cuales, por debajo de una cierta temperatura crítica, no oponen resistencia al paso de la corriente; es decir: son materiales que pueden alcanzar una resistencia nula. En estas condiciones de temperatura son capaces de transportar energía eléctrica sin ningún tipo de pérdidas, y además poseen la propiedad de rechazar las líneas de un campo magnético aplicado. Se denomina “Efecto Meissner” a esta capacidad Llamamos levitación magnética al fenómeno por el cual un material puede levitar gracias a la repulsión existente entre los polos iguales de dos imanes o bien debido a lo que se conoce como “Efecto Meissner”.

La levitación es el fenómeno que cautiva la imaginación de los seres humanos. Hoy en día, existen varios mecanismos físicos que permiten “sostener” un objeto flotando sin contacto mecánico con el suelo. Las aplicaciones basadas en efectos dinámicos (un colchón de aire) requieren una gran cantidad de energía, y las que tratan de evitar este problema mediante la estática (como las basadas en imanes que se repelen) son altamente inestables. Una mínima perturbación sobre el objeto levitante lo expulsa irreversiblemente de su posición de equilibrio. 

El teorema de Earnshaw 1839 mostró que la levitación electrostática era imposible, el teorema más tarde se extendió a la levitación magnetostático por otros.

1912 Emile Bachelet recibió una patente en marzo de 1912 por su "aparato de transmisión

levitando" para el sistema de suspensión electromagnética.

1933 Super diamagnetism por Walter Meissner y Robert Ochsenfeld.

1934 Hermann Kemper creo "el vehículo monorraíl sin ruedas unidas." Reich patente

número 643.316.

1939 La extensión de Braunbecks mostró que la levitación magnética es posible con

materiales diamagnéticos.

1939 Bedford, Peer y placa de aluminio Tonks colocado en dos bobinas cilíndricas

concéntricas muestra de 6 ejes levitación estable.

1961 James R. Powell y BNL colega de Gordon Danby experimentan levitación

electrodinámica usando imanes superconductores.

1970 Giro de levitación magnética estabilizada por Roy M. Harrigan.

Levitación magnética de auto-estable llamado río magnética por Eric Laithwaite y otros.

1979 Tren Transrapid que transportaba pasajeros.

1984 Tren Maglev de baja velocidad de transporte en Birmingham por Eric Laithwaite y

otros.

1997 Diamagnetically: El Día en que una rana levitó (que luego se volvió día nacional en

Rusia) por Andre Geim.

1999 Inductrack es un sistema de levitación magnética pasiva, permanente a la levitación

electrodinámica del imán.

CONCEPTOS DE FISICA

1-Principio de levitación magnética.

Todos los sistemas que utilicen levitación magnética para sustentar elementos ferromagnéticos deben contar, por lo menos, con dos elementos: un sistema eléctrico, constituido por una fuente variable de voltaje y una bobina; un sistema electromecánico, que utiliza la energía eléctrica almacenada en la bobina en forma de campo magnético para compensar la energía mecánica. Esta última relación se comprueba físicamente como el equilibrio de fuerza magnética y mecánica.

F = ma F: son las fuerzas aplicadas al sistema, m es la masa del cuerpo y a es la aceleración el mismo.Las fuerzas que actúan sobre el sistema son:mg: Fuerza producida sobre la masa m del cuerpo debido a la aceleración del campo gravitatorio terrestre g.kv: Fuerza originada por la fricción o rozamiento del cuerpo.F(y, i) : Fuerza ejercida por las bobinas de los raíles.La sumatoria de fuerzas esta dada por la ecuación F = mg − kv + F(y, i) ==> mg − kv + F(y, i) = maLa levitación en un Tren Maglev, se consigue mediante la interacción de campos magnéticos que dan lugar a fuerzas de atracción o repulsión, dependiendo del diseño del vehículo, es decir, según si el tren utilice un sistema EMS (suspensión electromagnética) o EDS (suspensión electrodinámica). La principal diferencia entre un sistema EMS y un EDS es que en el primero la levitación del tren es producida por la atracción entre las bobinas colocadas en el vehículo y la vía, y en el segundo se consigue la levitación gracias a fuerzas de repulsión entre estas.

-EMS: Suspensión electromagnéticaEn el caso del EMS, la parte inferior del tren queda por debajo de una guía de material ferromagnético, que no posee magnetismo permanente.

(Sistema EMS)El sistema EMS usa electroimanes convencionales situados en los extremos de un par de estructuras debajo del tren; las estructuras envuelven por completo cada lado del carril guía. Sensores en el tren se encargan de regular la corriente circulante en las bobinas, como resultado el tren circulará a una distancia de aproximadamente un centímetro del carril guía. Unos electroimanes encargados de la guía lateral del vehículo serán colocados en los laterales del tren de manera que quede garantizado su centrado en la vía. Los imanes son atraídos hacia los raíles de hierro laminado en el carril guía y elevan el tren.Sin embargo, este sistema es inestable; la distancia entre los electroimanes y el carril guía, debe estar controlada y ajustada por ordenador o computadora para evitar que el tren golpee el carril guía. Otra de las limitaciones de este diseño es la enorme precisión necesaria en su construcción, lo cual encarece su producción.-EDS: Suspensión ElectrodinámicaPermite altas velocidades y altas cargas de peso .Usa la fuerza de oposición que se produce entre los imanes del vehículo y las bandas o bobinas eléctricas del carril guía para elevar el tren. Esta aproximación es estable, y no necesita un control y un ajuste continuos; también se produce una distancia relativamente grande entre el carril guía y el vehículo, por lo general entre 100 y 150 mm. Sin embargo, un sistema maglev EDS utiliza imanes superconductores, mucho más caros que los electroimanes convencionales, y necesitan un sistema de refrigeración con nitrógeno que los mantenga a bajas temperaturas. Debe dotarse con ruedas para los trayectos en los que se mueve a poca velocidad. 

(Sistema EDS)

La levitación EDS se basa en la propiedad de ciertos materiales de rechazar cualquier campo magnético que intente penetrar en ellos y evitando las líneas de campo magnético de manera que no pasen por su interior, lo que provocará la elevación del tren. Esta propiedad se da en superconductores y es llamada Efecto Meissner, como se explicó con anterioridad. Un tren con suspensión EDS se amolda a las curvas compensando la aceleración lateral inclinándose, de manera que ninguna perturbación es sentida dentro del vehículo. 

Una desventaja de este sistema es que la utilización directa de superconductores provoca grandes campos magnéticos dentro del vehículo, o sea la zona donde se encuentran los pasajeros, por lo que se deben utilizar complejos sistemas de aislamiento de la radiación magnética (sobre los superconductores) para no perjudicar la salud de los pasajeros. Otra desventaja son los grandes costos de los materiales superconductores y de los potentes sistemas de refrigeración necesarios para mantener a estos a una baja temperatura.Tanto el sistema EMS como el EDS utilizan una onda magnética que se desplaza a lo largo del carril guía para proporcionar energía al tren maglev mientras se encuentra suspendido sobre el raíl.2. Principio de guía lateral.Los maglev necesitan, además del sistema de levitación magnética un sistema de guía lateral que asegure que el vehículo no roce el carril guía como consecuencia de perturbaciones externas que pueda sufrir. En la suspensión EMS, se instalan unos imanes en los laterales del tren los cuales, a diferencia de los ubicados para permitir al tren levitar y moverse, solamente actuarán cuando este se desplace lateralmente, ejerciendo fuerzas de atracción del lado que más se aleje de la vía. En el sistema EDS son los superconductores y las bobinas de levitación los encargados del guiado lateral del tren. Las bobinas de levitación están conectadas por debajo del carril-guía formando un lazo: 

(Principio de guía lateral) Así, cuando el vehículo se desplaza lateralmente, una corriente eléctrica es inducida en el lazo, lo que da como resultado una fuerza repulsiva del lado más cercano a las bobinas de levitación, obligando al vehículo a centrarse.La energía que se utiliza para levitación y para la estabilización o guía del vehículo se obtiene por medio de inducción magnética, es decir, no se necesita energía adicional para la levitación ni para la estabilización. Las bobinas ubicadas en la pared de la pista, están configuradas como un ocho. De acuerdo con las leyes del electromagnetismo para la generación de voltajes, se crea un voltaje cuando un conductor que está en movimiento está inmerso dentro de un campo magnético, como se muestra en la siguiente ecuación:

“vel” es la velocidad, “B” la densidad de campo magnético que atraviesa el conductor y “l” la longitud del conductor inmerso en el campo magnético.

Si el tren por alguna causa se hundiese en el carril-guía este respondería con un aumento de la fuerza repulsiva, lo cual equilibraría este acercamiento; en contraste con el sistema EMS en el cual la fuerza atractiva aumenta si el vehículo se acerca a la guía.

3. Principio de propulsiónUn tren Maglev es propulsado mediante un motor lineal. El funcionamiento de un motor lineal deriva de un motor eléctrico convencional donde el estator es abierto y “desenrollado” a lo largo del carril-guía en ambos lados, como se ve en la figura:

(Esquema de un motor lineal en un tren Maglev) 

El principio básico para los cálculos de la fuerza del motor es la ley de Lorente, la cual dice que la interacción entre una corriente y un campo magnético en un conductor genera una fuerza, como se muestra a continuación:

“F” es la fuerza que generará el movimiento del vehículo, “i” la corriente del elemento sobre el cual se calcula la fuerza, “l” la longitud del conductor inmersa dentro del campo y “B” la densidad de campo magnético.

Gracias a la segunda ley de Newton se sabe que la sumatoria de fuerzas en un sistema en determinado instante de tiempo es igual a cero; este hecho está directamente relacionado con que se pueda suponer el cálculo de la fuerza en dos sentidos; uno en que el imán produce la fuerza sobre el estator y otro en que el estator produce una fuerza que hace mover el imán, o más exactamente el vehículo.

En este caso se asumirá que el campo generado por el estator, , generará la fuerza para que el vehículo se mueva.

La fuerza magnética y la fuerza mecánica que se opone se compara instante a instante. La fuerza magnética induce aceleración y a la vez velocidad sobre el vehículo, y de esta manera un desplazamiento. Si se repite este cálculo en cada momento se tendrá la ubicación del vehículo en cualquier instante de tiempo en función de los parámetros físicos que gobiernan el sistema, como se muestra en las ecuaciones a continuación. 

Es importante entender que la posición en que se presenta el campo magnético máximo cambia en cada instante de tiempo, por lo que cada determinado tiempo de muestreo se deben recalcular la nueva posición del campo y del vehículo. La velocidad con que se desplaza el campo magnético está dada por: 

En este caso “vel” es la velocidad, “f” la frecuencia que alimenta el sistema trifásico , “A” es el espacio ocupado por tres ranuras y tres dientes del núcleo, es decir una de las polaridades del campo que se desplaza.

3.1. LSM: Motor Lineal Síncrono.Este sistema de propulsión utiliza como estator un circuito de bobinas sobre la vía, por el cual circula una corriente alterna trifásica controlada. El rotor está compuesto por los electroimanes del tren, en el caso de un EMS, o las bobinas superconductoras en un EDS. El campo magnético que crea la corriente alterna del estator interactúa con el rotor (electroimanes o bobinas superconductoras) creando una sucesión de polos norte y sur que empujarán y tirarán del vehículo hacia delante, como muestra la figura:

(Propulsión de un tren Maglev)Este campo magnético (también llamado "onda magnética") viajará junto al tren a través del carril-guía, permitiéndole a este acelerar. Así, el rotor viajará a la misma velocidad que el campo magnético. La regulación de la velocidad del tren se logra bien regulando la frecuencia de la onda magnética (o sea, variando la frecuencia de la corriente alterna) o bien variando el número de espiras por unidad de longitud en el estator y el rotor. Una característica importante de este sistema es que la energía que mueve al tren no la provee el mismo tren, sino que esta es provista por las vías. Esto permite evitar un malgasto de energía fraccionando la vía en secciones, de manera que cada una tenga su alimentación, de esta manera solamente estarán activos aquellos tramos de la vía por los que en ese momento esté transitando el tren. 

(Suministro de energía a la vía)Los trenes maglev, gracias a su sistema de propulsión, son capaces de circular por desniveles de hasta 10 grados, en contraste con los trenes convencionales que sólo pueden circular por pendientes con desniveles de hasta 4 grados. Además la velocidad que alcanzan los trenes maglev es muy superior a la alcanzada por los trenes convencionales (inclusive los trenes eléctricos), llegando hasta 500 Km/h (hasta el momento) y su consumo es de solamente un 40 % del combustible usado por un automóvil por pasajero y kilómetro, debido a la reducción del rozamiento con la vía. 

4. Mecanismo de frenada. El frenado del tren maglev se consigue, como la propulsión, gracias al motor lineal. Esto se logra invirtiendo la polaridad de la corriente trifásica en la vía (estator) de manera que se cree una fuerza en sentido contrario al avance del tren. Es posible aumentar aún la capacidad de frenada, en situaciones de extrema emergencia, mediante el uso de un sistema de frenado aerodinámico, el cual amplía la superficie frontal del tren. También lo podemos utilizar para ayudar al motor de manera de no tener que forzarlo demasiado.

(Mecanismo de frenado aerodinámico)En un tren con EMS, en condiciones normales, este deja de levitar cuando su velocidad se aproxima a los 10 Km/h (esto se hace de manera voluntaria, ya que con suspensión EMS el tren puede mantenerse levitando aún estando parado). En ese momento se desprenden unos patines incorporados al tren, con un coeficiente de fricción determinado, que hacen que el tren se detenga por completo. En un tren con EDS, el tren dejará de levitar también aproximadamente a unos10 Km/h (aunque no de manera voluntaria), momento en que las ruedas neumáticas entran en funcionamiento y el tren utiliza entonces frenos hidráulicos para detenerse. 

OBJETOS SIMILARES YA CONSTRUIDOS

El Tren Maglev de Shanghai

Taxi de levitación magnética en Israel

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Cristal de la lámpara LED flotante magnética

 

Rodamiento Magnético

CIBERGRAFIA

http://levimagne.blogspot.com

http://docsetools.com/articulos-para-saber-mas/article_42954.html

http://conciencia-sustentable.abilia.mx/israel-taxis-de-levitacion-magnetica-ayudaran-con-la-congestion-vehicular/

http://tecnologiaproferey.blogspot.com/p/proyecto.html

TABLA DE PIEZAS

Nº PIEZA CANTIDAD MATERIAL1 VARILLA 1 VIDRIO2 IMAN CIRCULAR 2 ACERO3 REGLA 1 PLASTICO4 PLASTILINA 1 ARCILLA