Introducción
En 1821 el físico danés Hans Christian Oersted observo la conexión existente entre los fenómenos eléctricos y magnéticos.
El magnetismo halló aplicación desde el siglo XIX.
Aparatos como la radio y la televisión se basan en muchos de los conocimientos y aplicaciones que, sobre electromagnetismo, se generaron en las primeras décadas del siglo XX.
La levitación es un fenómeno que siempre ha cautivado la imaginación del ser humano. Hoy en día, se conocen unos cuantos mecanismos físicos que permiten “sostener” un objeto flotando sin contacto mecánico alguno con el suelo. No obstante, cuando se pretende extrapolar este atractivo fenómeno a sistemas de interés científico o tecnológico, aparecen serias dificultades.
En particular, las aplicaciones basadas en efectos dinámicos (un colchón de aire, por ejemplo) 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.
Aunque queda mucho camino por recorrer, las propiedades de atracción-repulsión entre imanes y superconductores han hecho posibles grandes avances en este campo. Estos sistemas son muy estables y el consumo de energía se reduce de modo drástico. En el rango de las aplicaciones a gran escala, disponemos ya de conocimiento y tecnología para levitar grandes masas.
De hecho, hoy en día, existe un tren capaz de viajar a una velocidad de
¿Qué es la levitación magnética?
(Líneas del campo magnético)
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”, que explicaremos más adelante, que es una propiedad inherente a los superconductores.
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.
Ejemplo visual de levitación magnética
Efecto Meissner
El Efecto Meissner fue descubierto por Walther Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933 (a veces se llama, más justamente, Efecto Meissner-Ochsenfeld), y consiste en que cuando un superconductor se enfría por debajo de determinada temperatura, si se le aplica un campo magnético externo en el interior del superconductor el campo magnético se anula.
Básicamente, los electrones modifican sus órbitas de modo que compensan el campo magnético externo de modo que en el interior, el campo sea nulo. No vamos a entrar en mucha profundidad en las causas, pero tiene que ver con el hecho de que, suficientemente frío, un superconductor no tiene resistencia eléctrica - esto requiere necesariamente que el campo magnético en el interior sea cero.
Este efecto puede utilizarse para producir “levitación magnética”:
Cuando se acerca un imán a un superconductor, el superconductor se convierte en un imán de polaridad contraria de modo que “sujeta” al otro imán sobre él. Pero, al contrario que un imán normal (que haría que el otro imán se diera la vuelta y se quedase pegado a él), un superconductor cambia el campo magnético cuando el exterior lo hace, compensándolo, de modo que es capaz de mantener el otro imán fijo en el aire. Se genera una fuerza magnética de repulsión la cual es capaz de contrarrestar el peso del imán produciendo así la levitación del mismo. De hecho, si se aleja el imán del superconductor una vez está cerca, éste cambia de polaridad y lo atrae lo suficiente para mantenerse a la misma distancia.
Por tanto un objeto estará bajo levitación magnética cuando la fuerza generada por la repulsión electromagnética es lo suficientemente fuerte para equilibrar el peso del objeto.
Utilización actual de levitación magnética
Juguetes Maglev.
Originalmente desarrollado en laboratorios, algunos objetos magnéticos levitantes han sido puestos en el mercado como Hi Tech, juguetes para niños de todas las edades. En este momento podemos encontrarnos:
- Trenes Maglev y rieles: Un completo kit con el tren y pistas. Ensamblar es necesario, pero la vista del tren de velocidad, mientras que flota sobre la pista parece que vale la pena el esfuerzo.
- Suspendido de objetos: relojes, pelotas de golf, marcos para cuadros, coches de colección, globos y otros objetos se pueden encontrar flotando en el aire gracias a la tecnología de levitación magnética.
Micro-robot volador que se mueve gracias a la levitación magnética.
Ingenieros de la universidad canadiense de Waterloo han creado un micro-robot que vuela. Según sus creadores, se trata del primero de estas características del mundo. Una de sus principales características es que se mueve gracias a la levitación magnética, de un modo similar a como hacen los famosos trenes maglev. Además, gracias a su tamaño tiene la particularidad de poder introducirse, literalmente, en cualquier espacio. Esto lo hacen perfecto para muchas funcionalidades, muy complicadas de hacer hasta el momento, como ensamblar pequeños dispositivos, manipular materiales potencialmente peligrosos e incluso llevar a cabo operaciones de microcirugía.
Los trenes Maglev.
La levitación magnética (Maglev) es famosa por sus usos en el transporte, sobre todo los trenes. Alemania y Japón son pioneros en el desarrollo de los trenes Maglev. Japón y China tienen los trenes Maglev comerciales en uso en este momento. Un tren de levitación magnética es un vehículo que utiliza las ondas magnéticas para suspenderse por encima del carril e impulsarse a lo largo de un carril-guía.
Nos centraremos en el uso de la levitación magnética en los trenes Maglev.
Sistema de funcionamiento del tren de levitación magnética de alta velocidad.
(Tren Maglev)
A continuación se exponen los cuatro principios básicos por los cuales funciona un tren Maglev.
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) = ma
La 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 electromagnética
En 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 Electrodinámica
Permite 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:
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 propulsión
Un 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:
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:
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.
El último avance en tecnología Maglev: La Inductrack.
La Inductrack es esencialmente un sistema EDS que, en vez de materiales superconductores, utiliza imanes permanentes. Antes se creía que los imanes permanentes proveerían una fuerza de levitación demasiado pequeña como para ser útil en cualquier diseño maglev. La solución encontrada por un equipo de investigación fue emplear una distribución especial de poderosos imanes permanentes, conocida como una ordenación Halbach, para crear una fuerza de levitación lo suficientemente poderosa para hacer funcionar un maglev. En esta ordenación, barras magnéticas con grandes campos son dispuestas de manera que el campo magnético de cada barra esté orientado en un ángulo correcto con la barra adyacente. La combinación de las líneas de campo magnético de esta ordenación resulta en un poderoso campo debajo de esta y prácticamente ningún campo arriba.
Como en el sistema EDS, la levitación es generada por las fuerzas repulsivas entre el campo magnético de los imanes en la ordenación Halbach y el campo magnético inducido en la vía conductora por el movimiento de los imanes (ya que estos ocupan el lugar de los superconductores en el sistema EDS). La vía Inductrack contendría dos filas de bobinas que actuarían como rieles. Cada uno de estos "rieles" estaría rodeado por dos ordenaciones Halbach de imanes (las cuales estarían ubicadas debajo del vehículo): una posicionada directamente sobre el "riel" y la otra a lo largo del lado interior del mismo.
Los imanes sobre las bobinas proveerían de levitación al vehículo, mientras que los imanes a los lados de las bobinas se encargarían del guiado lateral. Como en el sistema EDS esta levitación sería muy estable, ya que las fuerzas de repulsión aumentan exponencialmente al disminuir la distancia entre el vehículo y la guía. La Inductrack posee una considerable ventaja en eficiencia sobre los otros sistemas. Como resultado de utilizar imanes permanentes, la levitación en un tren Inductrack es independiente de cualquier fuente de energía, en contraste con los complejos electroimanes en el sistema EMS o los costosos equipos criogénicos en el EDS. Por lo tanto, los trenes Inductrack sólo requerirían energía para propulsión y las únicas pérdidas serían la ocasionada por la fricción con el aire y la ocasionada por la resistencia eléctrica en los circuitos de levitación (bobinas).
Como los otros sistemas maglev, la propulsión sería provista por un LSM.
Tendencias de futuro de levitación magnética.
Coches Maglev: Algunos grupos de investigación están trabajando arduamente en su desarrollo con el objetivo desarrollar los coches de vuelo.
Ascensores Maglev: Japón tenía previsto abrir en 2008 el primer ascensor Maglev en Tokio. También se habla en la actualidad de ascensores espaciales, idea en pleno desarrollo en la NASA.
Lanzaderas Maglev:
(Prototipo de lanzadera Maglev)
A continuación se muestra un vídeo de la inaguración del tren Maglev en Japón
BIBLIOGRAFÍA
http://eltamiz.com/
http://www.tendencias21.net/
http://www.ib.edu.ar/
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Jose Miguel Garcia
Alejandro Sanchez
Ivan Cachafeiro
