Levitación magnética: qué es y cómo es posible

La palabra "levitación" viene del inglés "levitar": elevarse, elevarse en el aire. Es decir, la levitación es la superación del objeto de la gravedad cuando se eleva y no toca el soporte, mientras no se empuja desde el aire, sin usar propulsión a chorro. Desde el punto de vista de la física, la levitación es una posición estable de un objeto en un campo gravitacional, cuando se compensa la gravedad y se produce una fuerza restauradora, que proporciona estabilidad al objeto en el espacio.

En particular, la levitación magnética es la tecnología de levantar un objeto usando un campo magnético, cuando se usa una acción magnética sobre el objeto para compensar la aceleración de la gravedad o cualquier otra aceleración. Se trata de la levitación magnética que se discutirá en este artículo.

La retención magnética de un objeto en un estado de equilibrio estable se puede realizar de varias maneras. Cada uno de los métodos tiene sus propias peculiaridades, y se pueden hacer reclamos a cada uno de ellos, como "¡esto no es una levitación real!", Y así será realmente. La verdadera levitación en su forma pura es inalcanzable.

Entonces, el teorema de Earnshaw demuestra que, usando solo ferromagnetos, es imposible sostener un objeto de manera estable en un campo gravitacional. Pero a pesar de esto, con la ayuda de servomecanismos, diamagnetos, superconductores y sistemas de corrientes parásitas, es posible lograr una apariencia de levitación cuando algún mecanismo ayuda al objeto a mantener el equilibrio cuando se eleva por encima del soporte por la fuerza magnética. Sin embargo, lo primero es lo primero.

Levitación electromagnética con sistema de seguimiento.

Aplicando un circuito basado en un electroimán y un fotorelay, puede forzar la levitación de pequeños objetos metálicos. El artículo flotará en el aire a cierta distancia del electroimán fijado en el estante. El electroimán recibe energía hasta que la fotocélula montada en el bastidor queda oculta por un objeto suspendido, hasta que una fuente de control fija recibe suficiente luz, lo que significa que el objeto debe ser arrastrado.

Cuando el objeto está suficientemente elevado, el electroimán se apaga, porque en este momento la sombra del objeto movido en el espacio cae sobre la fotocélula, bloqueando la luz de la fuente. El objeto comienza a caer, pero no tiene tiempo de caerse, ya que el electroimán se vuelve a encender. Entonces, al ajustar la sensibilidad del relé de fotos, puede lograr un efecto en el que el objeto colgará de alguna manera en un lugar en el aire.

De hecho, el objeto está cayendo constantemente, luego nuevamente ligeramente elevado por el electromagnético. Resulta la ilusión de la levitación. Este principio se basa en el trabajo de los "globos levitantes", recuerdos bastante inusuales, donde una placa magnética está unida al globo, con la cual interactúa un electroimán, oculto en un soporte.

Levitación diamagnética

El plomo de grafito de un lápiz simple es un diamagnet, es decir, una sustancia que está magnetizada contra un campo magnético externo. Bajo ciertas condiciones, el campo magnético se desplaza completamente del material del diamagnético, por ejemplo, el plomo de grafito tiene una alta susceptibilidad magnética y comienza a elevarse por encima de los imanes de neodimio incluso a temperatura ambiente.

Para la estabilidad del efecto, los imanes deben ensamblarse en un patrón de tablero de ajedrez (polos de imanes), luego la varilla de grafito no se saldrá de la "trampa magnética" y levitará.

Un imán de tierras raras con una inducción de solo 1 T puede colgar entre las placas de bismuto, y en un campo magnético con una inducción de 11 T, la "levitación" de un pequeño imán de neodimio se puede estabilizar entre los dedos, ya que las manos humanas son un diamagnet, como el agua.

Se conoce una experiencia bastante extendida con una rana levitante. El animal se coloca cuidadosamente sobre un imán, lo que crea una inducción magnética de más de 16 T, y la rana, que demuestra propiedades diamagnéticas, en realidad se congela en el aire a poca distancia del imán.

Levitación magnética sobre un superconductor (efecto Meissner)

La placa de óxido de itrio-bario-cobre se enfría a la temperatura del nitrógeno líquido. En estas condiciones, la placa se convierte en un superconductor. Si ahora coloca un imán de neodimio en un soporte sobre la placa, y luego saca el soporte de debajo del imán, entonces el imán se congelará en el aire, levitará.

Incluso una pequeña inducción magnética del orden de 1 mT es suficiente para que el imán, cuando se coloca en la placa, se eleve unos pocos milímetros por encima del superconductor de alta temperatura enfriado. Cuanto mayor sea la inducción del imán, mayor será su elevación.

El punto aquí es que una de las propiedades de un superconductor es la expulsión del campo magnético de la fase superconductora, y el imán, que se repele desde este campo magnético en la dirección opuesta, flota y continúa volando por encima del superconductor enfriado hasta que sale del estado superconductor.

Levitación de Eddy Current

Las corrientes de Foucault (corrientes de Foucault) inducidas por campos magnéticos alternos en conductores masivos también pueden mantener los objetos en un estado de levitación. Por ejemplo, una bobina de corriente alterna puede levitar sobre un anillo de aluminio cerrado, y un disco de aluminio se desplazará por encima de una bobina de corriente alterna.

La explicación aquí es esta: de acuerdo con la ley de Lenz, la corriente inducida en el disco o en el anillo creará un campo magnético tal que su dirección dificultará la causa, es decir, en cada período de oscilaciones de corriente alterna en el inductor, se inducirá un campo magnético de la dirección opuesta en el conductor masivo. . Por lo tanto, un conductor masivo o una bobina de una forma adecuada puede levitar todo el tiempo mientras la corriente alterna está encendida.

Un mecanismo de retención similar ocurre cuando imán de neodimio caer dentro de una tubería de cobre: ​​el campo magnético de las corrientes inducidas inducidas se dirige opuesto al campo magnético del imán.