Levitación Magnética: La física completa del tren más rápido jamás construido

Por Fouad Sabry

¿Qué es la levitación magnética?

Una técnica conocida como levitación magnética (a veces deletreada maglev) o suspensión magnética es aquella en la que un elemento se mantiene en suspensión usando solo campos magnéticos y sin apoyo externo. Los efectos de la fuerza gravitatoria y cualquier otra fuerza pueden anularse utilizando la fuerza magnética como contrafuerza.

Cómo se beneficiará

(I) Insights , y validaciones sobre los siguientes temas:

Capítulo 1: Levitación magnética

Capítulo 2: Diamagnetismo

Capítulo 3: Magnetismo

Capítulo 4: Imán

Capítulo 5: Efecto Meissner

Capítulo 6: Electroimán

Capítulo 7: Susceptibilidad magnética

Capítulo 8: Imán superconductor

Capítulo 9: Corrientes de Foucault

Capítulo 10: Teorema de Earnshaw

Capítulo 11: Suspensión electrodinámica

Capítulo 12: Levitación

Capítulo 13: Rodamiento magnético

Capítulo 14: Permeabilidad (electromagnetismo)

Capítulo 15: Maglev

Capítulo 16: Blindaje electromagnético

Capítulo 17: Carbón pirolítico

Capítulo 18: Suspensión electromagnética

Capítulo 19: SCMaglev

Capítulo 20: Levitación magnética estabilizada por espín

Capítulo 21: Bombeo de flujo

(II) Respondiendo a Las preguntas principales del público sobre la levitación magnética.

(III) Ejemplos del mundo real para el uso de la levitación magnética en muchos campos.

(IV) 17 apéndices para explicar, brevemente, 266 emergentes tecnologías en cada industria para tener una comprensión completa de 360 ​​grados de las tecnologías de levitación magnética.

Para quién es este libro

Profesionales, estudiantes de pregrado y posgrado, entusiastas, aficionados y aquellos que quieren ir más allá del conocimiento o la información básica para cualquier tipo de levitación magnética.

• Idioma: Español
• Editorial: Mil Millones De Conocimientos [Spanish]
• Fecha de lanzamiento: 27 oct 2022

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Derechos de autor

Levitación magnética Copyright © 2022 por Fouad Sabry. Todos los derechos reservados.

Todos los derechos reservados. Ninguna parte de este libro puede ser reproducida en cualquier forma o por cualquier medio electrónico o mecánico, incluyendo sistemas de almacenamiento y recuperación de información, sin permiso por escrito del autor. La única excepción es por un revisor, que puede citar extractos cortos en una revisión.

Portada diseñada por Fouad Sabry.

Este libro es una obra de ficción. Los nombres, personajes, lugares e incidentes son productos de la imaginación del autor o se usan ficticiamente. Cualquier parecido con personas reales, vivas o muertas, eventos o lugares es completamente coincidencia.

Sobresueldo

Puede enviar un correo electrónico a [e-mail] con el asunto Levitación magnética: la física completa del tren más rápido jamás construido, y recibirá un correo electrónico que contiene los primeros capítulos de este libro.

Fouad Sabry

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www.1BKOfficial.org

Prefacio

¿Por qué escribí este libro?

La historia de escribir este libro comenzó en 1989, cuando era estudiante en la Escuela Secundaria de Estudiantes Avanzados.

Es notablemente como las escuelas STEM (Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas), que ahora están disponibles en muchos países avanzados.

STEM es un plan de estudios basado en la idea de educar a los estudiantes en cuatro disciplinas específicas: ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas, en un enfoque interdisciplinario y aplicado. Este término se usa típicamente para abordar una política educativa o una elección de currículo en las escuelas. Tiene implicaciones para el desarrollo de la fuerza laboral, las preocupaciones de seguridad nacional y la política de inmigración.

Había una clase semanal en la biblioteca, donde cada estudiante es libre de elegir cualquier libro y leer durante 1 hora. El objetivo de la clase es animar a los estudiantes a leer materias distintas al currículo educativo.

En la biblioteca, mientras miraba los libros en los estantes, noté libros enormes, un total de 5,000 páginas en 5 partes. El nombre del libro es La Enciclopedia de la Tecnología, que describe todo lo que nos rodea,desde el cero absoluto hasta los semiconductores, casi todas las tecnologías, en ese momento, se explicaban con ilustraciones coloridas y palabras simples. Comencé a leer la enciclopedia y, por supuesto, no pude terminarla en la clase semanal de 1 hora.

Así que convencí a mi padre para que comprara la enciclopedia. Mi padre compró todas las herramientas tecnológicas para mí al comienzo de mi vida, la primera computadora y la primera enciclopedia tecnológica, y ambas tienen un gran impacto en mí y en mi carrera.

He terminado toda la enciclopedia en las mismas vacaciones de verano de este año, y luego comencé a ver cómo funciona el universo y cómo aplicar ese conocimiento a los problemas cotidianos.

Mi pasión por la tecnología comenzó hace más de 30 años y aún así el viaje continúa.

Este libro es parte de La Enciclopedia de Tecnologías Emergentes, que es mi intento de dar a los lectores la misma experiencia increíble que tuve cuando estaba en la escuela secundaria, pero en lugar de las tecnologías del siglo 20, estoy más interesado en las tecnologías emergentes del siglo 21, las aplicaciones y las soluciones de la industria.

La Enciclopedia de Tecnologías Emergentes constará de 365 libros, cada libro se centrará en una sola tecnología emergente. Puede leer la lista de tecnologías emergentes y su categorización por industria en la parte de Próximamente, al final del libro.

365 libros para dar a los lectores la oportunidad de aumentar su conocimiento sobre una sola tecnología emergente todos los días en el transcurso de un período de un año.

Introducción

¿Cómo escribí este libro?

En cada libro de La Enciclopedia de las Tecnologías Emergentes, estoy tratando de obtener información de búsqueda instantánea y cruda, directamente de las mentes de las personas, tratando de responder a sus preguntas sobre la tecnología emergente.

Hay 3 mil millones de búsquedas en Google todos los días, y el 20% de ellas nunca se han visto antes. Son como una línea directa a los pensamientos de la gente.

A veces eso es '¿Cómo elimino el atasco de papel?'. Otras veces, son los miedos desgarradores y los anhelos secretos que solo se atreverían a compartir con Google.

En mi búsqueda por descubrir una mina de oro sin explotar de ideas de contenido sobre Levitación magnética, utilizo muchas herramientas para escuchar los datos de autocompletar de los motores de búsqueda como Google, luego rápidamente saco cada frase y pregunta útil, la gente pregunta sobre la palabra clave Levitación magnética.

Es una mina de oro de conocimiento de las personas, que puedo usar para crear contenido, productos y servicios frescos y ultra útiles. La gente amable, como tú, realmente quiere.

Las búsquedas de personas son el conjunto de datos más importante jamás recopilado sobre la psique humana. Por lo tanto, este libro es un producto en vivo, y constantemente actualizado por más y más respuestas para nuevas preguntas sobre Levitación magnética, hechas por personas, como usted y yo, que se preguntan sobre esta nueva tecnología emergente y les gustaría saber más sobre ella.

El enfoque para escribir este libro es obtener un nivel más profundo de comprensión de cómo las personas buscan en torno a la Levitación magnética, revelando preguntas y consultas que no necesariamente pensaría en la parte superior de mi cabeza, y respondiendo estas preguntas con palabras súper fáciles y digeribles, y navegar por el libro de una manera directa.

Entonces, cuando se trata de escribir este libro, me he asegurado de que sea lo más optimizado y específico posible. El propósito de este libro es ayudar a las personas a comprender mejor y aumentar su conocimiento sobre la Levitación magnética. Estoy tratando de responder a las preguntas de la gente lo más cerca posible y mostrando mucho más.

Es una manera fantástica y hermosa de explorar preguntas y problemas que tienen las personas y responderlos directamente, y agregar perspicacia, validación y creatividad al contenido del libro, incluso lanzamientos y propuestas. El libro descubre áreas ricas, menos concurridas y, a veces, sorprendentes de demanda de investigación que de otro modo no alcanzaría. No hay duda de que, se espera que aumente el conocimiento de las mentes de los lectores potenciales, después de leer el libro utilizando este enfoque.

He aplicado un enfoque único para hacer que el contenido de este libro sea siempre fresco. Este enfoque depende de escuchar las mentes de las personas, mediante el uso de las herramientas de escucha de búsqueda. Este enfoque me ayudó a:

Conozca a los lectores exactamente donde están, para que pueda crear contenido relevante que toque la fibra sensible y genere una mayor comprensión del tema.

Mantén mi dedo firmemente en el pulso, para que pueda obtener actualizaciones cuando la gente hable sobre esta tecnología emergente de nuevas maneras y monitorear las tendencias a lo largo del tiempo.

Descubra tesoros ocultos de preguntas que necesitan respuestas sobre la tecnología emergente para descubrir ideas inesperadas y nichos ocultos que aumentan la relevancia del contenido y le dan una ventaja ganadora.

El bloque de construcción para escribir este libro incluye lo siguiente:

(1) He dejado de perder el tiempo en ideas viscerales y conjeturas sobre el contenido deseado por los lectores, llené el contenido del libro con lo que la gente necesita y dije adiós a las infinitas ideas de contenido basadas en especulaciones.

(2) He tomado decisiones sólidas, y he tomado menos riesgos, para obtener asientos de primera fila para lo que la gente quiere leer y quiere saber, en tiempo real, y usar los datos de búsqueda para tomar decisiones audaces, sobre qué temas incluir y qué temas excluir.

(3) He simplificado mi producción de contenido para identificar ideas de contenido sin tener que examinar manualmente las opiniones individuales para ahorrar días e incluso semanas de tiempo.

Es maravilloso ayudar a las personas a aumentar su conocimiento de una manera directa simplemente respondiendo a sus preguntas.

Creo que el enfoque de escribir este libro es único, ya que recopila y rastrea las preguntas importantes que hacen los lectores en los motores de búsqueda.

Reconocimientos

Escribir un libro es más difícil de lo que pensaba y más gratificante de lo que podría haber imaginado. Nada de esto hubiera sido posible sin el trabajo realizado por prestigiosos investigadores, y me gustaría reconocer sus esfuerzos para aumentar el conocimiento del público sobre esta tecnología emergente.

Dedicación

Para los iluminados, los que ven las cosas de manera diferente y quieren que el mundo sea mejor, no les gusta el status quo o el estado existente. Puedes estar demasiado en desacuerdo con ellos, y puedes discutir con ellos aún más, pero no puedes ignorarlos, y no puedes subestimarlos, porque siempre cambian las cosas ... Empujan a la raza humana hacia adelante, y mientras algunos pueden verlos como locos o aficionados, otros ven genios e innovadores, porque los que están lo suficientemente iluminados como para pensar que pueden cambiar el mundo, son los que lo hacen, y llevan a la gente a la iluminación.

Epígrafe

Una técnica conocida como levitación magnética (a veces deletreada maglev) o suspensión magnética es aquella en la que un elemento se mantiene en suspensión utilizando solo campos magnéticos y sin soporte externo. Los efectos de la fuerza gravitacional y cualquier otra fuerza pueden ser anulados utilizando la fuerza magnética como contrafuerza.

Tabla de contenidos

Derechos de autor

Sobresueldo

Prefacio

Introducción

Reconocimientos

Dedicación

Epígrafe

Tabla de contenidos

Capítulo 1: Levitación magnética

Capítulo 2: Ferromagnetismo

Capítulo 3: Auto-replicación

Capítulo 4: Imán

Capítulo 5: Efecto Meissner

Capítulo 6: Electroimán

Capítulo 7: Susceptibilidad magnética

Capítulo 8: Imán superconductor

Capítulo 9: Corriente de Foucault

Capítulo 10: Teorema de Earnshaw

Capítulo 11: Suspensión electrodinámica

Capítulo 12: Levitación

Capítulo 13: Frenado regenerativo

Capítulo 14: Permeabilidad (electromagnetismo)

Capítulo 15: Maglev

Capítulo 16: Blindaje electromagnético

Capítulo 17: Carbono pirolítico

Capítulo 18: Suspensión electromagnética

Capítulo 19: SCMaglev

Capítulo 20: Levitación magnética estabilizada por espín

Capítulo 21: Bombeo de flujo

Epílogo

Sobre el autor

Próximamente

Apéndices: Tecnologías emergentes en cada industria

Capítulo 1: Levitación magnética

Una técnica conocida como levitación magnética (a veces deletreada maglev) o suspensión magnética es aquella en la que un elemento se mantiene en suspensión utilizando solo campos magnéticos y sin soporte externo. Los efectos de la fuerza gravitacional y los impactos de cualquier otra fuerza se mitigan con la ayuda de la fuerza magnética.

Los dos aspectos más importantes de la levitación magnética son la estabilidad y las fuerzas de elevación. La estabilidad se refiere al proceso de garantizar que el sistema no se deslice espontáneamente o cambie a una configuración en la que se anule el ascensor. Las fuerzas de elevación implican proporcionar una fuerza ascendente que es suficiente para contrarrestar la gravedad.

El concepto de levitación magnética tiene una variedad de aplicaciones, incluyendo trenes maglev, fusión sin contacto, cojinetes magnéticos y exhibición de productos.

Los componentes magnéticos y los ensamblajes son capaces de ejercer una fuerza entre sí que puede alejarlos o acercarlos, dependiendo de la fuerza del campo magnético y las áreas de superficie de los imanes. Por ejemplo, un imán dipolar básico podría usarse para demostrar la elevación si se colocara dentro de los campos magnéticos de otro imán dipolar y se orientara con polos similares uno frente al otro. En esta configuración, la fuerza que existe entre los imanes actuaría para repeler los dos imanes.

Los imanes permanentes, los electroimanes, el ferromagnetismo, el diamagnetismo, los imanes superconductores y el magnetismo debido a las corrientes inducidas en los conductores son solo algunos de los tipos de imanes que se han utilizado para crear elevación para la levitación magnética.

Es posible especificar una presión magnética, que luego se puede utilizar para calcular la cantidad de elevación.

La presión magnética ejercida por un campo magnético sobre un superconductor, por ejemplo, puede determinarse utilizando la fórmula:

{\displaystyle P_{\text{mag}}={\frac {B^{2}}{2\mu _{0}}}}

donde es la fuerza por unidad de área en pascales, es el campo magnético justo encima del superconductor en teslas, y = 4π×10 {\displaystyle P_{\text{mag}}} B \mu _{0} −7 N· A−2 es la permeabilidad del vacío.

El teorema de Earnshaw demuestra que es imposible para un sistema estático levitar de manera estable contra la fuerza de la gravedad cuando se emplean solo materiales paramagnéticos (como el hierro ferromagnético), ya que estos materiales no tienen un momento magnético.

Resulta que no hay una configuración de imanes que pueda generar estabilidad, por lo tanto, incluso el ejemplo más simple de elevación, que implica dos imanes dipolares básicos que se repelen entre sí, es muy inestable. Esto se debe al hecho de que el imán superior puede moverse hacia los lados o voltearse.

Sin embargo, la estabilidad puede lograrse mediante el empleo de servomecanismos, el uso de materiales diamagnéticos, superconducción o sistemas que incluyen corrientes de Foucault.

En otros casos, la levitación magnética es responsable de proporcionar la fuerza de elevación, mientras que un soporte mecánico que lleva muy poca carga es responsable de proporcionar estabilidad. Este fenómeno se conoce como pseudo-levitación.

Cuando se dice que algo tiene estabilidad estática, indica que si se mueve incluso una pequeña distancia lejos de un equilibrio estable, habrá una fuerza que actúa para tirar de él hacia el punto de equilibrio.

El teorema de Earnshaw proporcionó evidencia irrefutable de que no es factible levitar constantemente utilizando solo campos paramagnéticos estáticos macroscópicos. Las fuerzas que se ejercen sobre cualquier objeto paramagnético por cualquier combinación de campos gravitacionales, electrostáticos y magnetostáticos harán que la posición del elemento sea inestable a lo largo de al menos un eje, y es posible que el objeto esté en un equilibrio inestable a lo largo de todos los ejes. Es posible demostrar que los materiales diamagnéticos son estables a lo largo de al menos un eje, y que pueden ser estables a lo largo de todos los ejes. Una de las muchas posibilidades que existen para hacer posible la levitación es el uso de la estabilización electrónica. Otra posibilidad es el uso de materiales diamagnéticos, que tienen una permeabilidad magnética relativa que es menor que uno. Los conductores pueden tener una permeabilidad relativa a campos magnéticos alternos que es menor que uno, lo que significa que ciertas configuraciones que utilizan electroimanes básicos alimentados por CA pueden ser autoestables.

Cuando el sistema de levitación es capaz de amortiguar eficazmente cualquier movimiento similar a la vibración que pueda tener lugar, se logra la estabilidad dinámica.

Los campos magnéticos son fuerzas conservadoras; Como resultado, en teoría no tienen ninguna amortiguación incorporada. De hecho, sin embargo, muchos de los esquemas de levitación están poco amortiguados, y en algunas circunstancias incluso están amortiguados negativamente. Debido a esto, es posible que se formen modos de vibración, lo que hará que el elemento abandone su zona estable.

Existen varias técnicas diferentes para reducir los efectos del movimiento:

amortiguación mecánica aplicada desde el exterior (en el soporte), como salpicaderos, arrastre de aire, etc.

amortiguación de corrientes de Foucault (metal conductor influenciado por el campo)

Amortiguadores de masa ajustados dentro del artículo que está levitando

Campos electromagnéticos manipulados a través de circuitos eléctricos

Se puede utilizar una combinación de imanes permanentes y electroimanes o diaimanes o superconductores, así como campos atractivos y repulsivos para una levitación y control exitosos de los seis ejes (grados de libertad; tres traslacionales y tres rotacionales). Esto se puede lograr mediante el uso de campos atractivos y repulsivos. Según el teorema de Earnshaw, el sistema tiene que tener al menos un eje estable para que pueda levitar correctamente; Sin embargo, el ferromagnetismo se puede utilizar para estabilizar cualquiera de los otros ejes.

La suspensión electromagnética servoestabilizada (EMS) y la suspensión electrodinámica son los dos tipos que se utilizan con mayor frecuencia en los trenes maglev (EDS).

Para lograr la pseudo-levitación, todo lo que se requiere es un grado mínimo de restricción mecánica para la estabilidad. Esto hace que el procedimiento sea extremadamente sencillo.

Si, por ejemplo, dos imanes están restringidos mecánicamente a lo largo de un solo eje y están configurados para repelerse fuertemente entre sí, esto funcionará para levitar uno de los imanes sobre el otro. Los imanes también pueden estar diseñados para resistirse entre sí de varias maneras.

Otro tipo de geometría es aquella en la que los imanes se atraen entre sí, pero se evita que entren en contacto físico entre sí por un elemento de tracción, como una cuerda o un cable.

Otra ilustración de este concepto es la centrífuga tipo Zippe, en la que un cilindro se mantiene en su lugar mediante un imán de atracción mientras se apoya desde abajo en un cojinete de agujas.

En una disposición diferente, hay un conjunto de imanes permanentes que están conectados con un riel ferromagnético y están montados en forma de un perfil en forma de U hecho de material ferromagnético. Se produce un bucle completo en el perfil en forma de U como resultado del flujo magnético que pasa a través del riel en una dirección perpendicular al primer eje. Este diseño da como resultado la generación de un equilibrio estable a lo largo del primer eje, que mantiene el riel centrado en el punto de cruce de flujo (lo que resulta en la menor resistencia magnética posible) y permite transportar una carga magnéticamente. El otro eje del sistema está limitado y centrado por métodos mecánicos, como ruedas, y este eje es controlado por el sistema.

Se muestra que la atracción ejercida por un imán de una intensidad dada se debilita con el aumento de la distancia, pero se fortalece cuando los dos objetos magnetizados se acercan. Esta es una situación inestable. Es necesario que ocurra lo contrario para que un sistema sea estable; Cualquier desviación de un estado estable debe llevarlo de vuelta a la posición deseada.

La levitación magnética estable se puede lograr midiendo primero la posición y la velocidad del objeto que está levitando, y luego utilizando un bucle de retroalimentación que ajusta continuamente uno o más electroimanes para corregir el movimiento del objeto, formando así un servomecanismo. Este proceso se puede repetir hasta que se alcance el nivel deseado de estabilidad.

Muchos de estos tipos de sistemas utilizan la atracción magnética para dibujar hacia arriba contra la gravedad, ya que proporciona cierta estabilidad lateral inherente, pero otros de ellos emplean una mezcla de atracción magnética y repulsión magnética para empujar hacia arriba.

Cualquiera de estos sistemas puede considerarse instancias de suspensión electromagnética (EMS). Este enfoque se utiliza en ciertas demostraciones de levitación de mesa, por ejemplo, donde la ubicación del elemento se determina midiendo qué tan bien corta un haz de luz o utilizando un método de sensor de efecto Hall. Este es un ejemplo bastante simple. El electroimán se coloca por encima del elemento que está siendo levitado; El electroimán se apaga si el objeto se acerca demasiado a él, y se vuelve a encender cuando el objeto cae más lejos. Este tipo de sistema fundamental no es particularmente robusto; Hay otros métodos de control que son mucho más efectivos, pero este exhibe la noción básica.

Estos dos tipos de levitación constituyen la base del sistema de tren de levitación magnética EMS: el tren viaja en un movimiento circular alrededor de la vía antes de ser arrastrado hacia arriba desde abajo. Los servocontroles mantienen una distancia segura y constante entre él y la pista en todo momento.

Estos enfoques son exitosos porque la repulsión ocurre como resultado de la ley de Lenz. Las corrientes eléctricas se establecen en un conductor cuando se somete a un campo magnético variable en el tiempo. Estas corrientes eléctricas producen un campo magnético dentro del conductor, que tiene un efecto repelente sobre otros conductores.

En la mayoría de los casos, este tipo de sistemas exhiben una estabilidad inherente, a pesar del hecho de que a veces puede ser necesaria una amortiguación adicional.

Si uno mueve una base hecha de un conductor eléctrico muy bueno como cobre, aluminio o plata cerca de un imán, se inducirá una corriente conocida como corriente de Foucault en el conductor. Esta corriente se opondrá a los cambios en el campo y creará un campo opuesto, lo que hará que el imán sea repelido por la base (ley de Lenz). Si la velocidad de movimiento es lo suficientemente rápida, un imán que está suspendido sobre el metal flotará sobre él, y viceversa para el metal que está colgado sobre un imán. El alambre Litz, que está compuesto de alambre que es más delgado que la profundidad de la piel para las frecuencias percibidas por el metal, funciona mucho más eficazmente que los conductores sólidos. Las bobinas de la Figura 8 son una herramienta que se puede utilizar para retener cualquier cosa en su posición correcta.

La levitación magnética y la estabilización de giroscopios, motores eléctricos y husillos de generadores son dos aplicaciones más que se benefician enormemente del uso de matrices Halbach.

Cuando una corriente alterna fluye a través de un conductor, se puede hacer que el conductor levite por encima de un electroimán (o viceversa), dependiendo de la dirección de la corriente. Debido a las corrientes de Foucault que se crean dentro del conductor, esto hace que cualquier conductor ordinario actúe de la misma manera que un diaimán. Debido a que las corrientes de Foucault generan sus propios campos que están en oposición al campo magnético, el elemento conductor es repelido por el electroimán, y la mayoría de las líneas de campo del campo magnético ya no son capaces de perforar el objeto conductor.

Debido a que los materiales ferromagnéticos también son fuertemente atraídos por el electroimán (aunque a altas frecuencias el campo aún puede ser expulsado), y debido a que los materiales ferromagnéticos tienden a tener una resistividad más alta, dando corrientes de Foucault más bajas, este efecto requiere materiales no ferromagnéticos que son altamente conductores. Ejemplos de tales materiales incluyen aluminio y cobre. Una vez más, el alambre litz produce los resultados más deseables.

El efecto se puede usar para una variedad de trucos, como hacer levitar una guía telefónica insertando una placa de aluminio dentro de ella.

Usando la fusión por levitación, pequeñas cantidades de metales pueden levitar y fundirse a altas frecuencias (unas pocas decenas de kilohercios más o menos) y potencias de kilovatios sin el peligro de que el metal sea contaminado por el crisol. Esto se debe a que la fusión por levitación opera a frecuencias