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LEVITACIÓN MAGNÉTICA
Roger Idrovo Urgilé[email protected]
Daniel Gálvez [email protected]
Escuela Superior Politécnica del Litoral
RESUMEN: La levitación electromagnética constituye un trabajo importante en distintos sectores como la industria, el comercio, el transporte, la construcción y la medicina, entre otros.Este articulo muestra las diversas aplicaciones de este principio electromagnético, y las formas en las que se puede desarrollar. Por su gran trascendencia en el campo tecnológico, su estudio es fundamental, actualmente este principio es usado en el transporte público, pero su campo de acción tiene fronteras muy extensas.
PALABRAS CLAVES:
MaglevLevitación Magnética SuperconductorRepulsión
INTRODUCCIÓN
El principio en el cual se basa la Levitación Magnética es en crear una repulsión entre dos imanes que sea lo suficientemente potente como para vencer la fuerza de gravedad y mantener un objeto suspendido. Por supuesto, mientras mayor sea la envergadura del objeto, el campo habrá de ser mayor.
Sin embargo, también existen materiales diamagnéticos, los cuales tienen la propiedad de ser repelidos siempre por los imanes, porque el campo de éstos induce en ellos un campo opuesto. Pero los materiales diamagnéticos no resultan prácticos a gran escala porque gran parte del objeto que se desea suspender tendría que estar hecho de este material y la repulsión es menor que la que existe entre dos imanes.
CAPITULO 1
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
CAMPO ELÉCTRICO
El Campo Eléctrico en un punto P, se define como la fuerza eléctrica, que actúa sobre una carga de prueba positiva q0, situada en dicho punto.Se representa con líneas tangentes a la dirección del campo. La dirección y el sentido de las líneas del campo eléctrico en un punto, se obtiene observando el efecto de la carga sobre la carga prueba colocada en ese punto.
Ley de gauss:
CAMPO
MAGNÉTICO
Es una región del espacio en la cual una carga eléctrica puntual
de valor q que se desplaza a una velocidad , sufre los efectos de una fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad como al campo, llamado densidad de flujo magnético. Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente igualdad.
CONSERVACIÓN DEL FLUJO MAGNETICO
Ley de Biot – Savart:
Calcular densidad de flujo magnético.
Flujo magnético total a través de una superficie cerrada:
Flujo que entra es igual al flujo que sale.
MAGNETIZACIÓN
En la mayoría de los materiales, la magnetización aparece cuando se aplica un campo magnético a un cuerpo. En unos pocos materiales, principalmente los ferromagnéticos, la magnetización puede tener valores altos y existir aun en ausencia de un campo externo.
Permitividad relativa
Permitividad
Para comportamiento lineal.
MAGNETIZACION DE UN MATERIAL
CONDICIONES DE FRONTERA
Relación de tangentes de las intensidades de campo:
EFECTO MEISSNEREl 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.
SUPERCONDUCTIVIDAD
La superconductividad es la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica con resistencia y pérdida de energía cercanas a cero en ciertas condiciones, siendo una de éstas, el encontrarse a muy bajas temperaturas, cercanas al cero absoluto (-273°C). Esta propiedad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, cuando observó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía cuando se enfriaba a 4° Kelvin (-269 °C).
La aparición del superdiamagnetismo es debido a la capacidad del material de crear supercorrientes. Éstas son corrientes de electrones que no disipan energía, de manera que se pueden mantener eternamente sin obedecer el Efecto Joule de pérdida de energía por generación de calor. Las corrientescrean el intenso campo magnético necesario para sustentar el efecto Meissner. Estas mismas corrientes permiten transmitir energía sin gasto energético, lo que representa el efecto más espectacular de este tipo de materiales. Debido a que la cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad de corriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a disipar energía.
UNIDAD 2
¿COMO SE FORMA LA LEVITACIÓN MAGNÉTICA?
La resistividad de los superconductores es nula por debajo de una temperatura crítica Tc, característica de cada material. En presencia de un campo magnético la temperatura crítica es menor que la correspondiente en ausencia de campo. Cuando un superconductor se enfría por debajo de la temperatura crítica en un campo magnético, el campo magnético dentro del material es nulo, porque las corrientes superconductoras que se inducen en su superficie producen un campo magnético que compensa en el interior del superconductor al campo magnético aplicado. Al acercar un imán a un material superconductor se produce, magnéticamente, una imagen
de él como si el superconductor fuera un espejo. De esta manera, el imán es siempre repelido por su imagen o lo que es lo mismo, por el superconductor. La fuerza de repulsión es capaz de contrarrestar el peso del imán, produciendo la levitación.
PRINCIPIO DE LEVITACIÓNMAGNETICA
La levitación magnética es el efecto producido por la repulsión producida por materiales superconductores e manes, le repulsión es producida por la fuerza ejercida por los campos magnéticos de dichos materiales, dicha fuerza es inversamente proporcional a la distancia de separación de los materiales.
La mayor dificultad de los sistemas Maglev, es que son sistemas inestables, ya que la fuerza magnética ejercita no es realizada en el punto de equilibrio.Por ello se utilizan configuraciones que permitan un movimiento uniforme del tren con la pista que lo dirige.Existen dos sistemas de trenes Maglev, el primero llamado suspensión electromagnética (E.M.S), y usa electroimanes convencionales en las caras laterales de las estructuras debajo del tren, lo cual genera levitaciones de 1 cm aproximadamente; el segundo es llamado suspensión electrodinámica (E.D.S) y usa la fuerza producida entre los imanes del tren y los del carril de esté, este sistema es capaz de generar levitaciones de hasta 15cm, lo cual es una gran ventaja, ya que disminuye notoriamente la posibilidad de algún contacto físico con el tren; pero sus gastos son mayores ya que los electroimanes necesitan constantemente ser refrigerados
MATERIALES EMPLEADOS.
En la levitación magnética se utiliza nitrógeno líquido en ebullición, que mantiene al superconductor en un estado de resistencia nula.Cuando el imán desciende hacia el superconductor, induce una corriente eléctrica, que a su vez crea un campo magnético opuesto al del imán. Como el superconductor no tiene resistencia eléctrica, la corriente inducida sigue fluyendo y mantiene el imán suspendido indefinidamente.En estudios realizados recientemente por científicos de la universidad de Nottingham en Reino Unido han conseguido hacer levitar algunos objetos como el platino, plomo, diamante, oro etc., gracias a la mezcla de oxígeno y nitrógeno líquidos que forman una mezcla optima y que al ser sumergido el objeto o material en dicho fluido puede producir la levitación suficientemente potenciada, logrando que algunos materiales diamagnéticos tiendan a magnetizarse en dirección opuesta al campo magnético que se le aplica.
CAPITULO 3 APLICACIONES
TRENES DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA
Figura 2.
Un tren de levitación magnética, es un tren suspendido en el aire por
encima de una vía, siendo propulsado hacia adelante por medio de las fuerzas repulsivas y atractivas del magnetismo.
¿CÓMO FUNCIONAN?
Los componentes fundamentales de un sistema de transporte que utilice levitación magnética son:• P rop u l s i ón La energía que se gasta en este subsistema se utiliza para dar el impulso inicial al vehículo, mantener la velocidad y frenarlo.•L e vita c i ó n
Se constituye en la diferencia fundamental con respecto a los sistemas de transporte terrestre convencionales.• E s ta b il i z ac i ón Esta componente evita que el vehículo se desvíe de la pista o guía.
El funcionamiento de un tren que funcione por levitación magnética varía de acuerdo a su diseño. Existen dos alternativas de diseño. Uno de ellos se ha desarrollado en el marco del proyecto alemán Transrapid, el cual utiliza un sistema conocido como EMS (suspensión electromagnética). El otro diseño, desarrollado por los japoneses y denominado Maglev, utiliza un sistema llamado EDS (suspensión electrodinámica). Sin embargo, actualmente se denominan Maglev a cualquier tren que funcione con levitación magnética en general, sin importar el diseño específico. Ambos sistemas utilizan electroimanes, los cuales son dispositivos formados por un núcleo de hierro dulce al cual se le ha enrollado alrededor un hilo conductor en forma de bobina, tal que al suministrarle corriente a la bobina todo el dispositivo se comporta como un imán. En el sistema EMS tanto en el tren como en los rieles se ubican electroimanes convencionales, de tal forma que un electroimán A del riel atrae a un electroimán B del tren (mueve el tren), mientras que un electroimán B del riel repele al electroimán B del tren (empuja el tren). A medida que se mueve el tren los electroimanes cambian su polaridad haciendo que el juego con que algunos imanes se atraen mientras otros se repelen sea lo más eficiente para hacer que el tren pueda levitar y a la vez moverse, el tren levita a bajas velocidades e incluso cuando está detenido. En este diseño el tren levita a 1 cm. del riel, no necesita ruedas para comenzar su movimiento o detenerse, pero es inestable. Dada la gran cercanía entre el tren y los rieles, si por alguna vibración disminuye la distancia de separación entre el riel y el tren, la atracción crece, haciendo posible, si no se regula esto muy rápidamente, que el tren toque la vía. Es por esto que la construcción de los rieles debe ser muy precisa y no es posible utilizar este diseño en países sísmicos. La tecnología es propia de los trenes urbanos de pasajeros de media-alta velocidad. Al usar el sistema EDS el tren levita entre 10 a 15 cm. sobre el riel, siendo este diseño mucho más estable. En este diseño se utilizan bobinas superconductoras en el tren y electroimanes en los rieles. El electroimán del riel produce un campo magnético que atraviesa la bobina superconductora que está en el tren. Esta bobina, según cómo varía su flujo magnético, crea una corriente inducida que produce a su vez un campo que se opone al campo del electroimán. Si este campo es suficientemente intenso, se produce la levitación. Mientras mayor es la variación de flujo magnético en la bobina, mayor es el campo. La variación del flujo magnético depende de la velocidad del tren. Sin embargo, a poca velocidad, la corriente eléctrica no es suficiente grande para sostener el peso del tren, por esta razón el tren debe tener ruedas que le permitan alcanzar una cierta velocidad a partir de la cual pueda comenzar a levitar y para sostener la formación ferroviaria. Este diseño es más caro que el sistema EMS, principalmente debido al sistema de refrigeración y mantención de los superconductores. Los trenes que utilizan estas bobinas superconductoras son mucho más rápidos que los que utilizan el sistema EMS. La tecnología de suspensión electrodinámica es propia de los trenes de carga de alta
velocidad. OTROS CAMPOS DE APLICACIÓN
La levitación por electromagnetismo tiene un área de aplicación que comprende un campo muy amplio, dichas aplicaciones tiene uso en áreas como: la construcción, minería, mecánica, física, medicina, la industria farmacéutica, la industria ferroviaria y automotriz entre otras.
En el área de la medicina, la cirugía se ha visto beneficiada con muchas aplicaciones como por ejemplo, en los hospitales actualmente se puede utilizar un electroimán para extraer una esquirla de un ojo, asimismo tiene aplicaciones dentro de la medicina cardiovascular.
Un ejemplo del uso de la levitación por electromagnetismo en el área de la medicina y construcción es:
MICROROBOT VOLADOR
Figura 3.
Ingenieros de la universidad canadiense de Waterloo han creado un microrobot que vuela. Una de sus principales características es que se mueve gracias a la levitación magnética. 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.
GENERADORES EÓLICOS DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA
Figura 4.
Recientemente China empezó la construcción de la mayor base de producción de generadores eólicos de levitación magnética, la compañía Zhongke Hengyuan Energy Tecnology (con sede en GuangZhou) y el Instituto de Investigación Energética de la Academia de Ciencias de China, invirtió 400 millones de yuanes en dicho proyecto que tiene como objetivo producir beneficios
anuales superiores a los 1.600 millones de yuanes, así dicha base funcionará y producirá una serie de generadores eólicos de levitación magnética con una capacidad de 400 a 5000 vatios.El generador Maglev desarrollado por la compañía y el instituto antes mencionado afirmaron que dichos generadores pueden producir electricidad esto debido a vientos de hasta 1.5 metros por segundo que pueden provenir de los vientos generados por los automóviles de una autopista, o el viento que se genera cerca del mar o una isla aprovechándolos al máximo.
C A P I T U L O 4
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Existen tanto ventajas como desventajas como en cualquier tecnología, lo cual hace de los trenes Maglev un transporte innovador y eficaz; sin embargo, a pesar de las ventajas, en países en desarrollo no se ha logrado aprovechar el potencial de esta tecnología, esencialmente por no contar con recursos para desarrollarla.
VENTAJAS
1. Alta velocidad la cual puede llegar hasta 650km/h.2. El nivel de ruido es bajo, reduciendo así la contaminación
auditiva.3. El costo de mantenimiento reduce gracias a la falta de
fricción de las piezas.4. Se reduce la contaminación al no utilizar motores de combustión.
DESVENTAJAS
1. El alto costo de la infraestructura y otro no menos relevante es el alto consumo energético.
CONCLUSIONES
La levitación magnética es una tecnología que si bien no ha sido muy explotada, tiene un amplio campo de acción que requiere ser investigado y desarrollado conjuntamente con el concepto de superconductividad, estos estudios podrían ser un gran aporte a la ciencia y a la humanidad por su gran trascendencia en la tecnología.
La levitación magnética usada en los sistemas Maglev, genera varias ventajas con respecto a los sistemas de transporte actuales, como es comodidad, velocidad, economía y menos contaminación del medio Ambiente.
Su tecnología está siendo analizada para alcanzar velocidades nunca antes logradas, y así permitir viajes a mundos desconocidos en cantidades reducidas de tiempo.
La estabilización está siendo controlada por operadores, para certificar el la buena marcha del sistema Maglev por el recorrido de la pista.
Los sistemas MAGLEV son un gran avance tecnológico que permitirá en un futuro no muy lejano conectarnos con ciudades que se encuentren a grandes distancias en tiempos muy cortos implementando, usando tecnología limpia que no contamina el medio ambiente.
Como los trenes MAGLEV no tocan los rieles estos no tienen vibraciones molestosas y el ruido es eliminado considerablemente.
La investigación de nuevos materiales para usarlos como superconductores y diseño de nuevos sistemas de levitación magnética que sean menos costosos.
Construir sistemas de rieles en zonas montañosas que sean muy seguras y con una mínima probabilidad de descarrilamiento. Aunque su precio de construcción es muy alto los costos de consumo energéticos serian considerablemente bajo comparado con los de un ferrocarril ordinario ya que la electricidad es mas barata.
REFERENCIAS
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BIOGRAFIAS
ROGER MICHELL IDROVO URGILES
Nació un 26 de Mayo de 1993 en la ciudad de Guayaquil, Guayas. Hijo de Ángel Gonzalo Idrovo Urgilés y Bertha Judith Urgilés Cabrera.
Tiene dos hermanos, Jonathan David Idrovo Urgilés y Bryan Ariel Idrovo Urgilés y una hermana, Anggie Narcisa Idrovo Urgilés.
Realizó sus estudios primarios y secundarios en el colegio Salesiano Domingo Comín donde fue escolta de la Bandera del Colegio con promedio 18,75 y graduado con promedio 19,23.
Título de Bachiller en Electrónica Industrial y en la actualidad es estudiante de la carrera Ingeniería Eléctrica en Electrónica y Automatización Industrial en la majestuosa universidad ESPOL. Experiencia Laboral en CELEC (Corporación Eléctrica del Ecuador) como ayudante en el taller eléctrico.
DANIEL JOSE GALVEZ NAN
Nació el 9 de Agosto de 1994 en la ciudad de Guayaquil, Guayas, formó parte de la selección del Ecuador y del Guayas entrenaba 15 horas semanales en el COE el deporte de tenis de mesa, participo en los juegos nacionales juveniles del 2011 y quedó campeón el Guayas.
Hijo del Ing. José Dositeo Gálvez Procel y Alexandra Mayorie Nan Palacios.
Tiene una hermana, Eunice Alexandra Gálvez Nan, destacada deportista de tenis de mesa.
Realizó sus estudios primarios en el Colegio Unein del Pacífico, de Machala, la secundaria lo realizo en el Colegio Salesiano Cristóbal Colón en el cual se graduó de especialización físico matemático con promedio de 19, apenas termino el colegio ingreso a la Escuela Superior Politécnica del Ecuador a la carrera Ingeniería Eléctrica en Electrónica y Automatización Industrial.
