Levitação Magnética: A física completa do trem mais rápido já construído

De Fouad Sabry

O que é Levitação Magnética

Uma técnica conhecida como levitação magnética (às vezes escrito maglev) ou suspensão magnética é aquela em que um item é mantido em suspensão usando apenas campos magnéticos e sem suporte externo. Os efeitos da força gravitacional e quaisquer outras forças podem ser anulados usando a força magnética como uma força contrária.

Como você se beneficiará

(I) Insights , e validações sobre os seguintes tópicos:

Capítulo 1: Levitação magnética

Capítulo 2: Diamagnetismo

Capítulo 3: Magnetismo

Capítulo 4: Ímã

Capítulo 5: Efeito Meissner

Capítulo 6: Eletroímã

Capítulo 7: Suscetibilidade magnética

Capítulo 8: Ímã supercondutor

Capítulo 9: Corrente de Foucault

Capítulo 10: Teorema de Earnshaw

Capítulo 11: Suspensão eletrodinâmica

Capítulo 12: Levitação

Capítulo 13: Mancal magnético

Capítulo 14: Permeabilidade (eletromagnetismo)

Capítulo 15: Maglev

Capítulo 16: Blindagem eletromagnética

Capítulo 17: Carbono pirolítico

Capítulo 18: Suspensão eletromagnética

Capítulo 19: SCMaglev

Capítulo 20: Levitação magnética estabilizada por rotação

Capítulo 21: Bombeamento de fluxo

(II) Respondendo a As principais perguntas do público sobre levitação magnética.

(III) Exemplos do mundo real para o uso de levitação magnética em muitos campos.

(IV) 17 apêndices para explicar, brevemente, 266 emergentes tecnologias em cada setor para ter uma compreensão completa de 360 ​​graus das tecnologias de levitação magnética.

Para quem é este livro

Profissionais, estudantes de graduação e pós-graduação, entusiastas, amadores e aqueles que querem ir além do conhecimento básico ou informação para qualquer tipo de levitação magnética.

• Idioma: Português
• Editora: Um Bilhão Bem Informado [Portuguese]
• Data de lançamento: 3 de nov. de 2022

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Direitos autorais

Direitos de autor © de Levitação Magnética 2022 por Fouad Sabry. Todos os direitos reservados.

Todos os direitos reservados. Nenhuma parte deste livro pode ser reproduzida sob qualquer forma ou por qualquer meio eletrónico ou mecânico, incluindo sistemas de armazenamento e recuperação de informações, sem autorização por escrito do autor. A única exceção é por um revisor, que pode citar pequenos excertos numa revisão.

Capa desenhada por Fouad Sabry.

Este livro é uma obra de ficção. Nomes, personagens, lugares e incidentes são produtos da imaginação do autor ou são usados de forma fictícia. Qualquer semelhança com pessoas reais, vivas ou mortas, eventos ou locais é inteiramente coincidência.

Bónus

Pode enviar um e-mail para [e-mail] com a rubrica Levitação Magnética: A física completa do comboio mais rápido já construído, e receberá um e-mail que contém os primeiros capítulos deste livro.

Fouad Sabry

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Prefácio

Por que escrevi este livro?

A história de escrever este livro começou em 1989, quando eu era estudante na Escola Secundária de Estudantes Avançados.

É notavelmente como as escolas STEM (Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática), que estão agora disponíveis em muitos países avançados.

O STEM é um currículo baseado na ideia de educar os alunos em quatro disciplinas específicas - ciência, tecnologia, engenharia e matemática - numa abordagem interdisciplinar e aplicada. Este termo é normalmente usado para abordar uma política de educação ou uma escolha curricular nas escolas. Tem implicações no desenvolvimento da força de trabalho, nas preocupações de segurança nacional e na política de imigração.

Havia uma aula semanal na biblioteca, onde cada aluno é livre de escolher qualquer livro e ler durante 1 hora. O objetivo da aula é incentivar os alunos a lerem outras disciplinas que não o currículo educativo.

Na biblioteca, enquanto olhava para os livros nas prateleiras, notei livros enormes, num total de 5.000 páginas em 5 partes. O nome dos livros é A Enciclopédia da Tecnologia, que descreve tudo à nossa volta, from absoluto zero a semicondutores, quase todas as tecnologias, na altura, foram explicadas com ilustrações coloridas e palavras simples. Comecei a ler a enciclopédia, e claro, não consegui terminá-la na aula semanal de 1 hora.

Então, convenci o meu pai a comprar a enciclopédia. O meu pai comprou-me todas as ferramentas tecnológicas no início da minha vida, o primeiro computador e a primeira enciclopédia tecnológica, e ambos têm um grande impacto em mim e na minha carreira.

Terminei toda a enciclopédia nas mesmas férias de verão deste ano, e então comecei a ver como o universo funciona e como aplicar esse conhecimento aos problemas do dia-a-dia.

A minha paixão pela tecnologia começou há mais de 30 anos e ainda assim a viagem continua.

Este livro faz parte da Enciclopédia das Tecnologias Emergentes que é a minha tentativa de dar aos leitores a mesma experiência incrível que tive quando andava no liceu, mas em vez de tecnologias do século XX, estou mais interessado nas tecnologias emergentes do século XXI, aplicações e soluções industriais.

A Enciclopédia das Tecnologias Emergentes será composta por 365 livros, cada livro será focado numa única tecnologia emergente. Pode ler a lista de tecnologias emergentes e a sua categorização pela indústria na parte de Em breve, no final do livro.

365 livros para dar aos leitores a oportunidade de aumentar os seus conhecimentos sobre uma única tecnologia emergente todos os dias, no decurso de um ano.

Introdução

Como escrevi este livro?

Em todos os livros de A Enciclopédia das Tecnologias Emergentes, estou a tentar obter insights instantâneos, de pesquisa bruta, diretamente das mentes das pessoas, tentando responder às suas perguntas sobre a tecnologia emergente.

Há 3 mil milhões de pesquisas no Google todos os dias, e 20% delas nunca foram vistas antes. São como uma linha direta para os pensamentos das pessoas.

Às vezes, é Como é que retiro o encravamento de papel. Outras vezes, são os medos e os desejos secretos que só se atreveriam a partilhar com o Google.

Na minha busca para descobrir uma mina de ouro inexplorada de ideias de conteúdo sobre Levitação Magnética, uso muitas ferramentas para ouvir dados autocompletos de motores de busca como o Google, e rapidamente escolho todas as frases e perguntas úteis, as pessoas estão a perguntar em torno da palavra-chave Levitação Magnética.

É uma mina de ouro de pessoas introspeção, posso usar para criar conteúdo fresco, ultra-útil, produtos e serviços. Do tipo que pessoas, como tu, realmente querem.

As pesquisas de pessoas são o conjunto de dados mais importante alguma vez recolhido na psique humana. Portanto, este livro é um produto vivo, e constantemente atualizado por cada vez mais respostas para novas perguntas sobre Levitação Magnética, feitas por pessoas, tal como tu e eu, a questionarem-se sobre esta nova tecnologia emergente e gostariam de saber mais sobre isso.

A abordagem para escrever este livro é obter um nível mais profundo de compreensão de como as pessoas procuram em torno da Levitação Magnética, revelando perguntas e perguntas que eu não pensaria necessariamente fora da minha cabeça, e respondendo a estas perguntas em palavras super fáceis e digestivas, e para navegar o livro de uma forma simples.

Por isso, quando se trata de escrever este livro, assegurei-me de que está o mais otimizado e direcionado possível. Este propósito do livro está a ajudar as pessoas a compreender e a desenvolver os seus conhecimentos sobre a Levitação Magnética. Estou a tentar responder as perguntas das pessoas o mais de perto possível e a mostrar muito mais.

É uma forma fantástica e bonita de explorar questões e problemas que as pessoas têm e responder diretamente, e adicionar insights, validação e criatividade ao conteúdo do livro – até mesmo pitchs e propostas. O livro revela áreas ricas, menos aglomeradas e, por vezes, surpreendentes, de procura de investigação que eu não alcançaria de outra forma. Não há dúvida de que, espera-se que aumente o conhecimento da mente dos potenciais leitores, depois de ler o livro usando esta abordagem.

Apliquei uma abordagem única para tornar o conteúdo deste livro sempre fresco. Esta abordagem depende de ouvir as mentes das pessoas, utilizando as ferramentas de escuta de pesquisa. Esta abordagem ajudou-me a:

Conheça os leitores exatamente onde estão, para que eu possa criar conteúdo relevante que atinge um acorde e impulsiona mais compreensão ao tema.

Mantenha o meu dedo firmemente no pulso, para que eu possa obter atualizações quando as pessoas falam sobre esta tecnologia emergente de novas maneiras, e monitorizar as tendências ao longo do tempo.

Descobrir tesouros ocultos de perguntas precisa de respostas sobre a tecnologia emergente para descobrir insights inesperados e nichos ocultos que impulsionam a relevância do conteúdo e lhe dão uma vantagem vencedora.

O bloco de construção para escrever este livro inclui o seguinte:

(1) Deixei de perder tempo com a intuição e a adivinhação sobre os conteúdos desejados pelos leitores, preenchi o conteúdo do livro com o que as pessoas precisam e despedi-me das intermináveis ideias de conteúdo baseadas em especulações.

(2) Tomei decisões sólidas e tomei menos riscos, para conseguir lugares na primeira fila para o que as pessoas querem ler e querem saber - em tempo real - e utilizar dados de pesquisa para tomar decisões ousadas, sobre quais os tópicos a incluir e quais os tópicos a excluir.

(3) Racionalizei a minha produção de conteúdos para identificar ideias de conteúdo sem ter de analisar manualmente as opiniões individuais para poupar dias e até semanas de tempo.

É maravilhoso ajudar as pessoas a aumentar os seus conhecimentos de uma forma simples, respondendo apenas às suas perguntas.

Penso que a abordagem da escrita deste livro é única à medida que se colide, e acompanha as questões importantes que os leitores fazem sobre os motores de busca.

Agradecimentos

Escrever um livro é mais difícil do que pensava e mais gratificante do que alguma vez poderia imaginar. Nada disto teria sido possível sem o trabalho concluído por investigadores de prestígio, e gostaria de reconhecer os seus esforços para aumentar o conhecimento do público sobre esta tecnologia emergente.

Dedicatória

Para os esclarecidos, aqueles que vêem as coisas de forma diferente, e querem que o mundo seja melhor. Podes discordar demasiado deles, e podes discutir ainda mais com eles, mas não podes ignorá-los, e não podes subestimá-los, porque mudam sempre as coisas... empurram a raça humana para a frente, e enquanto alguns podem vê-los como os loucos ou amadores, outros vêem génio e inovadores, porque aqueles que são iluminados o suficiente para pensar que podem mudar o mundo, são os que o fazem, e levam as pessoas à iluminação.

Epígrafe

Uma técnica conhecida como levitação magnética (às vezes escrita maglev) ou suspensão magnética é aquela em que um item é mantido em suspensão usando apenas campos magnéticos e sem suporte externo. Os efeitos da força gravitacional e de quaisquer outras forças podem ser anulados usando a força magnética como contra-força.

Tabela de Conteúdos

Direitos autorais

Bónus

Prefácio

Introdução

Agradecimentos

Dedicatória

Epígrafe

Tabela de Conteúdos

Capítulo 1: Levitação magnética

Capítulo 2: Ferromagnetismo

Capítulo 3: Autorreplicação

Capítulo 4: Íman

Capítulo 5: Efeito meissner

Capítulo 6: Electroímane

Capítulo 7: Suscetibilidade magnética

Capítulo 8: Íman supercondutor

Capítulo 9: Corrente Eddy

Capítulo 10: Teorema de Earnshaw

Capítulo 11: Suspensão eletrodinâmica

Capítulo 12: Levitação

Capítulo 13: Travagem regenerativa

Capítulo 14: Permeabilidade (eletromagnetismo)

Capítulo 15: Maglev

Capítulo 16: Escudos eletromagnéticos

Capítulo 17: Carbono pirólptico

Capítulo 18: Suspensão eletromagnética

Capítulo 19: SCMaglev

Capítulo 20: Levitação magnética estabilizada por centrifugação

Capítulo 21: Bombagem de fluxo

Epílogo

Sobre o Autor

Brevemente

Apêndices: Tecnologias Emergentes em Cada Indústria

Capítulo 1: Levitação magnética

Uma técnica conhecida como levitação magnética (às vezes escrita maglev) ou suspensão magnética é aquela em que um item é mantido em suspensão usando apenas campos magnéticos e sem suporte externo. Os efeitos da força gravitacional e os impactos de quaisquer outras forças são atenuados com a ajuda da força magnética.

Os dois aspetos mais importantes da levitação magnética são a estabilidade e as forças de elevação. Estabilidade refere-se ao processo de assegurar que o sistema não deslize ou vire espontaneamente para uma configuração na qual o elevador é anulado. As forças de elevação envolvem fornecer uma força ascendente suficiente para contrariar a gravidade.

O conceito de levitação magnética tem uma variedade de aplicações, incluindo comboios maglev, derretimento sem contacto, rolamentos magnéticos e exibição de produtos.

Os componentes magnéticos e os conjuntos são capazes de exercer uma força uns sobre os outros que podem afastá-los ou aproximá-los, dependendo da força do campo magnético e das áreas de superfície dos ímanes. Por exemplo, um íman de dipólo básico poderia ser usado para demonstrar o elevador se estivesse posicionado dentro dos campos magnéticos de outro íman dipólo e orientado com polos semelhantes virados uns para os outros. Nesta configuração, a força que existe entre os ímanes agiria para repelir os dois ímanes.

Ímanes permanentes, eletroímanes, ferromagnetismo, diamagnetismo, ímanes supercondutor, e magnetismo devido a correntes induzidas nos condutores são apenas alguns dos tipos de ímanes que foram utilizados para criar elevação para levitação magnética.

É possível especificar uma pressão magnética, que pode ser usada para calcular a quantidade de elevação.

A pressão magnética exercida por um campo magnético num supercondutor, por exemplo, pode ser determinada através da fórmula::

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

onde está a força por unidade de área em pascals, é o campo magnético logo acima do supercondutor em teslas, e = 4π×10 {\displaystyle P_{\text{mag}}} B \mu _{0} −7 N· A−2 é a permeabilidade do vácuo.

O teorema de Earnshaw demonstra que é impossível para um sistema estático levitar de forma apunhalada contra a força da gravidade ao utilizar apenas materiais paramagnéticos (tal ferromagnético), uma vez que estes materiais não têm um momento magnético.

Acontece que não há configuração de ímanes que possam gerar estabilidade, portanto, mesmo o exemplo mais simples de elevação, que envolve dois ímanes básicos de dipólo repelindo uns aos outros, é muito instável. Isto deve-se ao facto de o íman superior ser capaz de se mover para o lado ou virar.

No entanto, a estabilidade pode ser conseguida através do emprego de servomecanismos, da utilização de materiais diamagnéticos, supercondução ou sistemas que incluam correntes eddy.

Noutros casos, a levitação magnética é responsável por fornecer a força de elevação, enquanto um suporte mecânico que transporta muito pouca carga é responsável por proporcionar estabilidade. Este fenómeno é referido como pseudo-levitação.

Quando algo é dito ter estabilidade estática, indica que se se mover mesmo uma pequena distância de um equilíbrio estável, haverá uma força que age para a puxar de volta para o ponto de equilíbrio.

O teorema de Earnshaw forneceu provas irrefutáveis de que não é viável levitar continuamente usando apenas campos paramagnéticos estáticos macroscópicos. As forças que são exercidas sobre qualquer objeto paramagnético por qualquer combinação de campos gravitacionais, eletrostáticos e magnetostáticos tornarão a posição do item instável ao longo de pelo menos um eixo, e é possível que o objeto esteja num equilíbrio instável ao longo de todos os eixos. É possível demonstrar que os materiais diamagnéticos são estáveis ao longo de pelo menos um eixo, e que podem ser estáveis ao longo de todos os eixos. Uma das muitas possibilidades que existem para tornar possível a levitação é a utilização da estabilização electrónica. Outra possibilidade é o uso de materiais diamagnéticos, que têm uma permeabilidade magnética relativa que é inferior a um. Os condutores podem ter uma permeabilidade relativa a alternar campos magnéticos que são inferiores a um, o que significa que certas configurações que usam eletroímanes básicos alimentados por CA podem ser auto-estáveis.

Quando o sistema de levitação é capaz de atenuar eficazmente qualquer movimento semelhante a vibração que possa ocorrer, é alcançada estabilidade dinâmica.

Os campos magnéticos são forças conservadoras; como resultado, em teoria eles não têm qualquer amortecimento incorporado. Com efeito, porém, muitos dos regimes de levitação estão sub-amortecidos e, em algumas circunstâncias, estão mesmo a atenuar-se negativamente. Por isso, é possível que os modos de vibração possam formar-se, o que levará a que o item saia da sua zona estável.

Existem várias técnicas diferentes para reduzir os efeitos do movimento:

amortecimento mecânico aplicado a partir do exterior (no suporte), tais como traços, arrasto de ar, e assim por diante.

amortecimento das correntes eddy (metal condutor influenciado pelo campo)

amortecedores de massa ajustado dentro do item que está sendo levitado

campos eletromagnéticos manipulados através de circuitos elétricos

Uma combinação de ímanes permanentes e eletroímanes ou diamagnets ou supercondutores, bem como campos atraentes e repulsivos podem ser utilizados para levitação e controlo bem sucedidos dos seis eixos (graus de liberdade; três traducionais e três rotativos). Isto pode ser conseguido utilizando campos atraentes e repulsivos. De acordo com o teorema de Earnshaw, o sistema tem de ter pelo menos um eixo estável para poder levitar corretamente; no entanto, o ferromagnetismo pode ser usado para estabilizar qualquer um dos outros eixos.

A suspensão eletromagnética estabilizada por servo (EMS) e a suspensão eletrodinâmica são os dois tipos que são mais utilizados nos comboios maglev (EDS).

Para alcançar a pseudo-levitação, tudo o que é necessário é um mínimo de contenção mecânica para a estabilidade. Isto torna o procedimento extremamente descomplicado.

Se, por exemplo, dois ímanes forem mecanicamente restringidos ao longo de um único eixo e estiverem configurados para se repelirem fortemente uns aos outros, isso funcionará para levitar um dos ímanes sobre o outro. Os ímanes também podem ser projetados para resistir uns aos outros de várias maneiras.

Outro tipo de geometria é aquele em que os ímanes são atraídos uns pelos outros, mas eles são impedidos de entrar em contacto físico uns com os outros por um elemento de tração, como uma corda ou cabo.

Uma outra ilustração deste conceito é a centrifugadora do tipo Zippe, na qual um cilindro é mantido no lugar por um íman de atração enquanto é suportado por baixo por um rolamento de agulha.

Num arranjo diferente, há um conjunto de ímanes permanentes que estão ligados a um trilho ferromagnético e são montados na forma de um perfil em forma de U feito de material ferromagnético. Um loop completo é produzido no perfil em forma de U como resultado do fluxo magnético que passa pelo trilho numa direção perpendicular ao primeiro eixo. Este desenho resulta na geração de um equilíbrio estável ao longo do primeiro eixo, que mantém o trilho centrado no ponto de passagem do fluxo (resultando na menor resistência magnética possível) e permite transportar uma carga magnética. O outro eixo do sistema é limitado e centrado por métodos mecânicos, como rodas, e este eixo é controlado pelo sistema.

A atração exercida por um íman de uma dada intensidade mostra-se a enfraquecer com uma distância crescente ainda a fortalecer quando os dois objetos magnetizados são aproximados. Esta é uma situação instável. É necessário que o contrário aconteça para que um sistema seja estável; quaisquer partidas de um estado estável devem levá-lo de volta para a posição desejada.

A levitação magnética estável pode ser conseguida medindo primeiro a posição e a velocidade do objeto que está sendo levitado, e depois utilizando um ciclo de feedback que ajusta continuamente um ou mais eletroímanes para corrigir o movimento do objeto, formando assim um servomechanchanismo. Este processo pode ser repetido até que o nível de estabilidade desejado seja atingido.

Muitos destes sistemas utilizam a atração magnética para desenhar para cima contra a gravidade, uma vez que proporciona alguma estabilidade lateral inerente, mas outros deles empregam uma mistura de atração magnética e repulsa magnética para empurrar para cima.

Qualquer um destes sistemas pode ser considerado casos de suspensão eletromagnética (EMS). Esta abordagem é utilizada em certas demonstrações de levitação do tampo de mesa, por exemplo, onde a localização do item é determinada medindo o quão bem corta um feixe de luz ou utilizando um método de sensor de efeito Hall. Este é um exemplo bastante simples. O eletroíman está posicionado acima do item que está a ser levitado; o eletroíman é desligado se o objeto se aproximar demasiado, e é ligado quando o objeto cai mais longe. Este tipo de sistema fundamental não é particularmente robusto; há outros métodos de controlo que são muito mais eficazes, mas este exibe a noção básica.

Estes dois tipos de levitação constituem a base para o sistema de levitação magnética em EMS: O comboio viaja em movimento circular em torno da via antes de ser transportado para cima por baixo. Os controlos de servo mantêm sempre uma distância segura e consistente entre ele e a pista.

Estas abordagens são bem sucedidas porque a repulsão ocorre como resultado da lei de Lenz. As correntes elétricas são estabelecidas num condutor quando são submetidas a um campo magnético variável no tempo. Estas correntes elétricas produzem um campo magnético dentro do condutor, que tem um efeito repelente em outros condutores.

Na maioria dos casos, este tipo de sistemas apresentam uma estabilidade inerente, apesar de, por vezes, ser necessário um amortecimento adicional.

Se se mover uma base feita de um condutor elétrico muito bom, como cobre, alumínio ou prata perto de um íman, uma corrente conhecida como uma corrente eddy será induzida no condutor. Esta corrente irá opor-se às mudanças no campo e criar um campo oposto, o que fará com que o íman seja repelido pela base (lei de Lenz). Se a velocidade do movimento for suficientemente rápida, um íman que é suspenso acima do metal flutuará por cima dele, e vice-versa para o metal que está pendurado acima de um ímã. O fio litz, que é composto por um fio mais fino do que a profundidade da pele para as frequências percebidas pelo metal, funciona muito mais eficazmente do que os condutores sólidos. As bobinas figura 8 são uma ferramenta que pode ser usada para reter qualquer coisa na sua posição adequada.

Levitação magnética e estabilização de giroscópios, eixos elétricos do motor e do gerador são mais duas aplicações que beneficiam muito da utilização de matrizes de Halbach.

Quando uma corrente alternada flui através de um condutor, o condutor pode ser feito para levitar acima de um eletroíman (ou vice-versa), dependendo da direção da corrente. Devido às correntes eddy que são criadas dentro do condutor, isto faz com que qualquer condutor comum aja da mesma forma que uma diamagnet. Como as correntes eddy geram os seus próprios campos que estão em oposição ao campo magnético, o item condutor é repelido do eletroíman, e a maioria das linhas de campo do campo magnético já não são capazes de perfurar o objeto condutor.

Como os materiais ferromagnéticos também são fortemente atraídos pelo electroímano (embora em altas frequências o campo ainda possa ser expulso), e porque os materiais ferromagnéticos tendem a ter uma resistência mais elevada, dando correntes mais baixas, este efeito requer materiais não ferromagnéticos que são altamente condutivos. Exemplos de tais materiais incluem alumínio e cobre. Mais uma vez, o fio litz produz os resultados mais desejáveis.

O efeito pode ser utilizado para uma variedade de truques, tais como fazer uma lista telefónica levitar inserindo uma placa de alumínio no seu interior.

Utilizando o derretimento da levitação, pequenas quantidades de metais podem ser levitadas e derretidas em altas frequências