Levitron Hechizo (Levitación Magnética) El levitrón

OBJETIVO:

Ilustrar la levitación magnética .

PROCEDIMIENTO:

Hacer girar el trompo y soltarlo donde se logre sostener en levitación.

RESULTADOS:

El Levitrón es un curioso juguete con el que se puede lograr la levitación de un pequeño trompo mientras gira en el aire. La base oculta un imán en forma de anillo que proporciona un campo magnético; el trompo posee un núcleo central que es también un imán.

Cuando el polo norte del anillo y el polo sur del trompo se enfrentan, éste es fuertemente atraído por la base.

El trompo levita porque el polo magnético de su parte inferior es igual al polo magnético de la base, de modo que la repulsión magnética  se encarga de contrarrestar la fuerza de gravedad. Sin embargo es un equilibrio muy inestable debido a que la base atrae el polo contrario del trompo y una pequeña perturbación hace que el trompo se voltee y caiga; al estar girando trata de mantenerse erguido (todo cuerpo al girar tiende a conservar su dirección de giro -inercia rotacional y conservación del momentum angular-) permitiendo que se mantenga en la zona de equilibrio.

A medida que el trompo asciende, la interacción entre ambos campos magnéticos provoca que la atracción entre el trompo y la base se transforme en un efecto de sustentación (apreciable a partir de unos 3 cm. de altura) que puede llegar a equilibrar la fuerza de atracción gravitatoria.

Un adecuado manejo de este juguete (que se logra con la práctica) permite mantener levitando el trompo unos tres minutos. .

El Levitrón es un curioso aparato con el que se puede lograr la levitación de una pequeña peonza mientras gira en el aire. La base oculta un imán en forma de anillo que proporciona un campo magnético en forma de copa (ver la animación que se muestra más abajo). La peonza, a su vez, consta de un núcleo central que es también un imán (cuerpo vertical en color amarillo en el esquema)

El polo N del anillo y el S de la peonza se enfrentan, razón por la cual ésta es fuertemente atraída por la base. Una vez puesta en rotación el campo magnético de la peonza y el del imán están prácticamente alineados si se exceptúa la pequeña precesión del eje de la peonza alrededor del eje vertical.

A medida que la peonza asciende, la interacción entre ambos campos magnéticos provoca que la atracción entre la peonza y la base se transforme en un efecto de sustentación (apreciable a partir de unos 3 cm. de altura) que puede llegar a equilibrar la fuerza de atracción gravitatoria.

Hay que tener en cuenta que el valor del campo magnético puede variar en función de la temperatura u otros factores. Por tanto, puede ser necesario ajustar ligeramente la masa de la peonza en cada experiencia.

En nuestro caso la masa de la peonza es de 22,2 g y el equilibrio

Consejos

Tener bien presente que los ajustes del aparato son delicados y que el adquirir las destrezas necesarias para lograr que la peonza ruede o para conseguir la levitación no es tarea fácil.

Es fundamental una correcta regulación de la masa de la peonza. La masa de la peonza se puede modificar con precisión de 0,1 g mediante unas arandelas que se fijan al eje central.

Es frecuente la tendencia a salir disparada siguiendo las líneas del campo magnético. Si esto sucede aumentar un poco la masa. También puede probarse a levantar un poco las patas situadas en la dirección en que se desvía.

El "secreto" está en un lento ascenso del plato elevador hasta que prácticamente no se note

se alcanza a una altura aproximada de 6,0 cm (medidos desde la base hasta la arandela de la peonza)

Una vez colocada en la teórica posición de equilibrio la peonza va, poco a poco, perdiendo energía debido al rozamiento con el aire hasta que se desequilibra y cae sobre la base. El tiempo máximo que se ha logrado mantener levitando ha sido de 3 min y 5 s.

el peso de la peonza. Mantener entonces ligeramente la posición y retirar el plato, con mucho cuidado,  hacia abajo.

Parece que da buen resultado (ver vídeo) inclinar ligeramente el plato elevador hacia la persona que lo sostiene.

Y... paciencia, toneladas de  paciencia (sobre todo al principio).

Levitación por rotación (RC-16)

Fermín Galán Márquez y David Fraga Aydillo

Vamos a describir un curioso aparato, llamado Levitron, que se comercializa como juguete. A pesar de que tiene poco que ver con los campos magnéticos intensos, tema de este trabajo, nos ha parecido interesante incluirlo al estar relacionado con los temas de levitación.

  

El Levitron en sí consiste en una base y en un extremo superior alargado. La base y el extremo son dos imanes, pero colocados de forma tal que los dos polos iguales (por ejemplo, el norte de la base y el norte del extremo) quedan enfrentados. El ajuste de estos imanes en el proceso de fabricación debe hacerse de forma

muy cuidadosa.

Surgen cuatro fuerzas magnéticas en el extremo: dos de atracción y dos de repulsión con respecto a los polos del imán de la base. Sin embargo, la dependencia con la distancia de la fuerza magnética hace que, tal y como están colocados los imanes, en conjunto, la resultante se oponga a la fuerza gravitatoria y, así, el extremo levita sobre la base.

Sin embargo, el campo magnético de la base crea un momento que tiende a volcar el imán del extremo hacia abajo. Para evitar que esto ocurra, el Levitron ha de estar describiendo un movimiento de rotación, ya que, en este caso el momento actúa de forma giroscópica y el eje del sistema no

vuelca, manteniéndose más o menos en la misma dirección que el campo magnético.

Este movimiento de rotación es similar al movimiento de precesión de una peonza. El eje es casi vertical en un principio, pero según va disminuyendo la velocidad de giro, una leve oscilación aparece en este eje.

De hecho, el principio de funcionamiento es similar al de una peonza. Es casi imposible conseguir que una peonza quede en equilibrio por la punta y no caiga. Sin embargo, mientras está girando el equilibrio se mantiene. Al disminuir la velocidad, la peonza empieza a cabecear, hasta que, finalmente, cae. Exactamente igual que ocurre con el Levitron.

Este aspecto de estabilidad es muy delicado en el Levitron. En definitiva, el sistema solo funciona en un determinado rango de alturas, que van desde 3.125 a 4.375 cm desde el centro de la base. La altura concreta para el equilibrio depende principalmente del peso del extremo y de la fuerza del campo de la base.

El teorema de Earnshaw no compromete la estabilidad del Levitron ya que no es aplicable al sistema. Al estar girando, el extremo no puede considerarse un sistema estático frente al campo magnético creado por la base, así que no podemos aplicar el teorema.

Existen otros factores como la temperatura (que altera la magnetización de los imanes) que pueden alterar la estabilidad. Respecto a la velocidad de rotación, el rango estable se encuentra entre 20 y 26 rps, siendo completamente inestable por debajo de 18 o por encima de 30.

Respecto a los materiales, los imanes con los que se fabrica el Levitron, y en concreto el extremo, son cerámicos. Si fueran metálicos, con el movimiento de rotación, surgirían corrientes que, debido a la resistencia del material, disiparían su energía de rotación. Con materiales cerámicos, que son aislantes, se evita la aparición de estas corrientes.

Idealmente, el Levitron levita de forma indefinida. Sin embargo, debido a la resistencia que opone el aire, la energía de rotación se va disipando y, después de unos minutos e funcionamiento, cuando la velocidad angular baja de los 18 rps (mínimo de estabilidad) el sistema cae.

Se pude prolongar este periodo en cámaras de vacío hasta unos 30 minutos. No obstante, todavía se puede mejorar compensando la perdida de velocidad. Esto se consigue mediante un chorro de aire dirigido adecuadamente contra el extremo levitador, de forma que la frecuencia de la rotación se mantiene dentro del rango estable. De esta forma, se puede (y de hecho se ha conseguido) mantener un Levitron funcionando durante días.