Levitación electromagnética
¿Puede un imán levitar o flotar sobre otro imán? ¿Por qué no? ¡Parece que debería funcionar!
Lamentablemente, no se puede hacer que un imán flote mágicamente en el aire por encima de otro imán. Al menos, eso es cierto si usted está usando sólo un par de imanes fuertes. En nuestro artículo Fundamentos de los imanes, mencionamos el teorema de Earnshaw, una prueba que se remonta a la década de 1800 y que demuestra que no funcionará sin importar cuántos imanes se añadan al sistema.
¿Pero qué pasa si los imanes tienen forma de cuenco? O se añade otro imán en el lateral? No. Earnshaw.
Examinemos un sistema que, de alguna manera, esquiva al viejo Earnshaw, y se las arregla para mantener un imán flotando firmemente en el aire. ¡Incluso puede sostener una pequeña cantidad de peso!
Agárrate – las cosas se complican a partir de aquí.
Primero, veámoslo en acción!
Productos basados en este sistema
Hemos visto una serie de productos que utilizan este sistema. Estas cosas parecen llamar la atención de las redes sociales. Hemos visto globos que levitan, donde la tierra levita en el aire de alguna manera.
¡Incluso hemos visto la misma técnica utilizada para hacer levitar un pequeño árbol bonsái! Genial.
¿Cómo funciona? Vamos a desglosarlo paso a paso.
Empieza por lo más sencillo
La idea básica es hacer flotar un imán sosteniéndolo con la fuerza de repulsión de otro imán. Los imanes pueden repelerse entre sí con suficiente fuerza. Tener suficiente fuerza para levitarlo no es el problema.
El problema es que esta configuración no es estable. El imán flotante tiende a girar alrededor, volteándose para atraer al otro imán.
Esto es cierto incluso si forras un cuenco con un montón de imanes, porque Earnshaw.
Estabilidad, estilo ingeniería
Tomemos un momento para definir lo que entendemos por estabilidad. Un sistema estable es algo que está equilibrado, pero que también tiende a volver a la posición centrada y equilibrada si lo golpeas un poco.
Como ejemplo, considera un palo largo o una vara, sostenida desde arriba. Es estable colgando directamente hacia abajo. Si empujamos la parte inferior desde una posición recta hacia abajo, la gravedad tenderá a tirar de él de nuevo a la posición estable.
Claro, puede que no encaje en su lugar en la primera oscilación. Se balanceará hacia adelante y hacia atrás durante un tiempo, con oscilaciones sucesivamente más cortas a medida que se asienta. Al final tiende a retroceder.
Un sistema inestable es algo que puede estar equilibrado, pero si se desequilibra, tiende a desequilibrarse más. Considera la posibilidad de sostener el mismo palo con la mano en posición horizontal en la parte inferior. Es posible equilibrarlo, pero cuando el palo se inclina fuera del equilibrio, tiende a desequilibrarse más.
Puedes sostener un palo así, pero sólo ajustando constantemente la posición de tu mano para mantenerlo equilibrado. Observas y sientes hacia dónde cae, reaccionas moviendo la mano para contrarrestarlo. Observas y reaccionas, repitiendo continuamente. Curiosamente, la configuración del imán levitante funciona de manera muy similar.
Electroimanes, sensores, retroalimentación y control
Volvamos a la levitación de un imán. ¿Cómo lo mantiene estable este dispositivo?
Además de imanes repelentes, este levitador tiene cuatro electroimanes. Si el imán flotante se inclina hacia un lado, puede encender rápidamente un electroimán para repelerlo a la posición centrada. Si el sistema puede reaccionar con suficiente rapidez, los electroimanes pueden encenderse y apagarse según sea necesario para mantener el imán estable. Lo bueno de los electroimanes es que funcionan con una corriente a través del cable. Si usted sabe cómo encender y apagar las cosas con la electrónica, usted tiene un medio de controlar el electroimán de forma rápida y precisa.
Este sistema no viola el teorema de Earnshaw porque no está utilizando un número de imanes permanentes (siempre en) para sostener el imán flotante. Tiene imanes controlados activamente que se encienden y apagan, respondiendo a la desalineación y corrigiendo la inestabilidad.
Imanes temporales
Primero, echemos un vistazo a la extraña configuración utilizada en la base de esta cosa. Con la energía apagada, ¿dónde están los imanes y hacia dónde están orientados? Hay tres lugares diferentes donde debemos mirar la dirección de magnetización:
- Vemos una serie de imanes dispuestos en un anillo alrededor del exterior. Todos ellos están orientados con sus polos sur hacia arriba.
- Hay un solo imán de disco en la parte inferior del imán flotante, orientado con su polo norte hacia abajo.
- Hay cuatro electroimanes, bobinas de alambre aislado envueltas en ejes de acero. Debido al campo del anillo de imanes cercano, estos núcleos de acero se magnetizan temporalmente, actuando como imanes con sus polos norte orientados hacia arriba.
Espera, ¿qué pasa en esa última parte? No son imanes, pero lo son?
El acero o el hierro pueden actuar como imanes temporales. Cuando se le aplica un campo magnético (pegar un imán a él o cerca de él), el campo se canaliza a través del acero, haciendo que el acero actúe como un imán (siempre y cuando ese imán esté allí). Esto es como el truco de la cadena de clips, en el que un clip con un imán pegado puede recoger otro clip, porque está actuando como un imán. Podemos mirar el clip de acero y decir que tiene un polo norte y un polo sur.
Un perno de acero actúa como un imán cuando un imán de neodimio lo toca. Un perno de acero también puede actuar como un imán con sólo tener un imán de neodimio cerca. Eso es lo que sucede aquí en este dispositivo. Esos núcleos de acero actúan como imanes con sus polos norte hacia arriba, repeliendo el polo norte del imán flotante.
Cuando se enciende, los electroimanes pueden añadir la fuerza de esos imanes según sea necesario.
El sistema no es estable por sí mismo. Si se intenta equilibrar el imán flotante sin encender el dispositivo, éste se desplaza rápidamente hacia un lado.
¿Por qué se eligió una configuración tan aparentemente compleja para este diseño? Buena pregunta. Creemos que podría tener algo que ver con hacer un área más amplia donde el imán flotante puede ser casi estable, establecido en el «tazón» del campo magnético que va desde los polos norte en el centro, hacia arriba y hacia abajo en los polos sur en el exterior.
Sensores
Para controlar correctamente los electroimanes, el dispositivo necesita una forma de detectar con precisión la posición del imán flotante. Necesita notar el más mínimo cambio de posición para poder reaccionar rápidamente.
En este dispositivo se utilizan tres sensores ratiométricos de efecto Hall. En un artículo anterior sobre los sensores de efecto Hall, vimos dispositivos simples que son esencialmente interruptores de encendido y apagado. Si «ven» un campo magnético que está por encima de una determinada intensidad, se encienden.
Los sensores ratiométricos utilizados aquí son diferentes. En lugar de un sensor que se enciende o apaga a una determinada intensidad de campo, los pequeños chips suministran un voltaje que varía con la intensidad del campo magnético que ve. Si el campo magnético es más intenso, el voltaje aumenta. Son ideales para detectar pequeños cambios en la intensidad del campo magnético.
Hay tres de estos sensores situados en el centro del dispositivo. Están orientados para detectar el campo magnético en cada dirección: arriba y abajo, izquierda y derecha, delante y detrás. Armados con un poco de conocimiento magnético, las lecturas de estos tres sensores proporcionan suficiente información sobre la altura y la posición del imán flotante.
Cuando el imán flotante se inclina hacia un lado, el sistema puede detectarlo a partir de estas entradas y encender el electroimán derecho para darle un empujón corrector.
Control
Este dispositivo tiene tres sensores y cuatro electroimanes controlados por separado. Echemos un vistazo a una pequeña parte del sistema para hacernos una idea de lo que ocurre. Conectamos un osciloscopio a dos puntos interesantes:
- El voltaje que sale de uno de los sensores apuntando lateralmente (no el sensor de arriba a abajo), y
- El voltaje en una de las bobinas (en esa misma dirección).
La señal del sensor, mostrada en amarillo, es muy ruidosa. Ignora el ruido, sin embargo, y sólo mira el nivel de voltaje general. Hemos visto que aumenta o disminuye dependiendo de la posición del imán. Se sitúa en torno a los 1,75 voltios, pero cambia una pequeña cantidad a medida que presionamos el imán. Los cambios son sólo unos pocos milivoltios, incluso cuando estamos empujando drásticamente el imán alrededor.
La señal azul muestra el voltaje a una de las bobinas del electroimán. Sube hasta unos 2,5 V y vuelve a cero. Se enciende o se apaga. Se enciende cada 1/100.000 de segundo.
En lugar de ajustar la fuerza, el circuito de control varía el tiempo que deja esa bobina encendida durante esa 1/100.000 de segundo. Si no necesita mucho empuje, está encendida tal vez el 5% del tiempo. Cuando tocamos el imán flotante, se enciende más tiempo. Puedes ver esto en el ancho de la señal de tiempo de subida.
Este control del electroimán se enciende y apaga a 100 kHz. Eso es 100 kiloHertz, o 100.000 veces por segundo. ¡Esto es realmente rápido!
Teníamos la esperanza de conectar esta señal a un altavoz para poder escucharla como sonido. Sería genial escuchar esa retroalimentación de audio interactiva. Lamentablemente, 100 kHz está muy por encima de la frecuencia más alta que los humanos pueden oír. Incluso está por encima de la capacidad de un perro para oírla. Tendríamos que reducir el muestreo de la señal, o preguntar a algunos delfines lo que piensan al respecto.
Eso es un vistazo a sólo un sensor y uno de los cuatro electroimanes. Los otros tres trabajan de forma similar para contrarrestar las inclinaciones en las otras direcciones.
Además de utilizar los cuatro electroimanes individualmente para evitar que el imán flotante se incline en cualquier dirección, el sistema completo también debe controlar el nivel de señal general a los cuatro electroimanes. Eso va a influir en la altura del imán flotante sobre la base.
Conclusiones
Nos hemos divertido mucho intentando averiguar cómo funciona este dispositivo. Cuanto más averiguamos, más encontramos temas enteros que ni siquiera habíamos considerado. Por ejemplo:
- El sistema es sensible al peso del imán flotante. Si es demasiado ligero, no funcionará bien. Necesita un peso mínimo para la forma en que está configurado.
- Hay una arandela de acero por encima del delgado imán flotante. Esto obviamente proporciona el lastre, pero también tiene un efecto real en la forma del campo magnético. En algunas pruebas, descubrimos que no podíamos conseguir que el imán flotara sin este disco de acero en la parte superior, aplanando el campo. ¿Por qué funciona tan bien esta disposición? ¿Por qué no simplemente un imán con un lastre no ferroso?
A menudo hemos intentado explicar lo complicada que puede ser la levitación magnética, ¡no teníamos ni idea de cuánto más implicaba!
Addendum: Un sistema mucho más sencillo
Tenemos un kit de levitación que adquirimos hace años que tiene una configuración mucho más sencilla. Echa un vistazo al kit de levitación magnética ART TEC de Guy Marsden.
Esta configuración invierte el sistema, haciendo las cosas mucho más fáciles. Tiene un solo electroimán colocado por encima del imán flotante. El electroimán se enciende y apaga para controlar la posición vertical del imán.
Como el imán está «colgado» abajo, tiende a ser naturalmente estable de lado a lado. Como un poste largo colgando, se obtiene una estabilidad natural en esta configuración. El sistema no tiene que hacer nada del otro mundo para controlar el movimiento lateral.
También conectamos este al osciloscopio y encontramos un esquema de control diferente. En lugar de encender y apagar el electroimán a intervalos fijos, se enciende y apaga según sea necesario, reaccionando a la medición del sensor. Cuando el imán empieza a bajar demasiado, se enciende para subirlo. Cuando el imán empieza a estar demasiado alto, se apaga.
La frecuencia de este encendido y apagado varía en función de lo que diga el sensor. Descubrimos que la frecuencia cambiaba a medida que probábamos a colgar diferentes imanes y/o diferentes pesos de él.
Cuando ves productos electrónicos que hacen levitar algo utilizando una de estas dos configuraciones básicas, normalmente puedes averiguar cuál es. Si hay algo por encima del objeto flotante, es este segundo sistema más simple. Si no hay nada por encima del flotador, es el primero.