Levitação electromagnética
Pode um íman levitar ou flutuar acima de outro íman? Porque não – parece que deve funcionar!
Sadly, não se pode fazer um íman flutuar magicamente no ar acima de outro íman. Pelo menos, isso é verdade se você estiver usando apenas um par de ímãs fortes. No nosso artigo básico sobre ímanes, mencionámos o Teorema de Earnshaw, uma prova que data do século XIX e que prova que não vai funcionar, independentemente de quantos ímanes adicionar ao sistema.
Mas e se os ímanes tiverem a forma de uma tigela? Ou se outro íman for adicionado na lateral? Não. Earnshaw.
Vamos examinar um sistema que, de alguma forma, contorna o Earnshaw antigo, e consegue manter um íman a flutuar constantemente no ar. Ele pode até segurar uma pequena quantidade de peso!
Pera aí – as coisas ficam mais complicadas daqui.
Primeiro, vamos ver em ação!
Produtos baseados neste sistema
Vimos uma série de produtos que usam este sistema. Estas coisas parecem chamar a atenção das redes sociais. Já vimos globos levitantes, onde a terra levita no ar de alguma forma.
Vimos até a mesma técnica usada para levitar uma pequena árvore de bonsái! Tão fixe.
Como é que funciona? Vamos quebrá-lo passo a passo.
Inicie simples
A ideia básica é fazer flutuar um íman, segurando-o com a força repelente de outro íman. Os ímãs podem repelir um ao outro com força suficiente. Ter força suficiente para levitá-lo não é o problema.
O problema é que esta configuração não é estável. O íman flutuante tende a rodar, girando para atrair para o outro íman.
Isto é verdade mesmo que você forre uma tigela com um monte de ímanes, porque Earnshaw.
Estabilidade, estilo engenheiro
Vamos tirar um momento para definir o que queremos dizer com estabilidade. Um sistema estável é algo que é equilibrado, mas também tende a voltar para a posição centrada e equilibrada se você bater um pouco.
Como exemplo, considere um pau ou poste longo, segurado a partir do topo. É estável pendurado diretamente para baixo. Se empurrarmos a parte de baixo para longe de uma posição direita para baixo, a gravidade tenderá a puxá-la de volta para a posição estável.
Certo, ela pode não se encaixar no primeiro balanço. Ela irá balançar para trás e para a frente por um pouco, com balanços sucessivamente mais curtos à medida que ela se instala. Tende a voltar eventualmente.
Um sistema instável é algo que pode ser equilibrado, mas se se desequilibrar, tende a ficar mais desequilibrado. Considere segurar o mesmo bastão com a mão na parte de baixo. É possível equilibrá-lo, mas quando o stick se desequilibra, tende a cair mais desequilibrado.
Você pode segurar um stick como este, mas apenas ajustando constantemente a posição da sua mão para mantê-lo equilibrado. Você observa e sente de que maneira está caindo, reage movendo a mão para contrabalançá-la. Você observa e reage, repetindo continuamente. Curiosamente, o ajuste do íman de levitação funciona da mesma maneira.
Electromagnetos, Sensores, Feedback e Controlo
Vamos voltar a levitar um íman. Como é que este dispositivo o mantém estável?
Para além de repelir ímanes, este levitador tem quatro ímanes. Se o íman flutuante se inclinar para um lado, pode ligar rapidamente um electroíman para o repelir de volta à posição centrada. Se o sistema puder reagir suficientemente rápido, os eletroímãs podem ser ligados e desligados conforme necessário para manter o ímã estável. O bom dos eletroímãs é que eles são executados com uma corrente através do fio. Se você sabe como ligar e desligar as coisas com a eletrônica, você tem um meio de controlar o eletroímã com rapidez e precisão.
Este sistema não viola o teorema de Earnshaw porque ele não está usando algum número de ímãs permanentes (sempre ligados) para segurar o ímã flutuante. Ele tem ímãs ativamente controlados que são ligados e desligados, respondendo ao desalinhamento e corrigindo a instabilidade.
Imãs Temporários
Primeiro, vamos dar uma olhada mais de perto na estranha configuração usada na base desta coisa. Com a energia desligada, onde estão os ímanes e de que lado estão virados? Há três lugares diferentes onde devemos olhar para a direcção da magnetização:
- Vemos uma série de ímanes dispostos num anel à volta do exterior. Estão todos orientados com os seus pólos sul virados para cima.
- Existe um único íman de disco no fundo do íman flutuante, orientado com o seu pólo norte virado para baixo.
- Existem quatro electroímanes, bobinas de fio isolado enroladas em torno de eixos de aço. Devido ao campo do anel de ímãs próximo, estes núcleos de aço são temporariamente magnetizados, agindo como ímãs com seus pólos norte voltados para cima.
Espera, o que está acontecendo nessa última parte? Não são ímanes mas são?
Aço ou ferro pode actuar como um íman temporário. Quando lhe é aplicado um campo magnético (colar um íman a ele ou perto dele), o campo canaliza através do aço, fazendo o aço agir como um íman (desde que esse íman esteja lá). Isto é como o truque das cordas de papel, onde um clipe de papel com um íman colado a ele pode pegar outro clipe de papel, porque está a agir como um íman. Podemos olhar para o clipe de aço e dizer que tem um pólo norte e um pólo sul.
Um parafuso de aço actua como um íman quando um íman de neodímio lhe está a tocar. Um parafuso de aço também pode agir como um ímã só por ter um ímã de neodímio perto dele. Isso é o que se passa aqui neste dispositivo. Esses núcleos de aço agem como ímãs com seus pólos norte voltados para cima, repelindo o pólo norte do ímã flutuante.
Quando ligados, os eletroímãs podem aumentar a força desses ímãs conforme necessário.
O sistema não é estável por si só. Se você tentar equilibrar o ímã flutuante sem ligar o dispositivo, ele se solta rapidamente para o lado.
Por que foi escolhida uma configuração tão aparentemente complexa para este projeto? Boa pergunta. Pensamos que pode ter algo a ver com fazer uma área mais ampla onde o íman flutuante possa ser quase estável, colocado na “tigela” do campo magnético indo dos pólos norte no meio, para cima e para baixo para os pólos sul no exterior.
Sensores
Para controlar correctamente os electroímanes, o dispositivo necessita de uma forma de detectar com precisão a posição do íman flutuante. Ele precisa notar a menor alteração de posição para que possa reagir rapidamente.
Neste dispositivo, são utilizados três sensores de efeito Hall ratiométricos. Em um artigo anterior sobre sensores de efeito Hall, nós olhamos para dispositivos simples que são essencialmente interruptores on/off. Se eles “vêem” um campo magnético que está acima de uma certa força, eles ligam.
Os sensores ratiométricos usados aqui são diferentes. Em vez de um sensor que se liga ou desliga com uma determinada intensidade de campo, os pequenos chips fornecem uma tensão que varia com a intensidade do campo magnético que vê. Se o campo magnético ficar mais forte, a voltagem sobe. Eles são ótimos para detectar pequenas mudanças na intensidade do campo magnético.
Existem três desses sensores localizados no centro do dispositivo. Eles são orientados para sentir o campo magnético em cada direção: para cima e para baixo, esquerda e direita, para frente e para trás. Armados com um pouco de conhecimento magnético, as leituras destes três sensores fornecem informação suficiente sobre a altura e posição do íman flutuante.
Quando o íman flutuante se inclina para o lado, o sistema pode senti-lo a partir destas entradas e ligar o íman direito para lhe dar um empurrão correcto.
Controle
Este dispositivo tem três sensores e quatro eletroímãs controlados separadamente. Vamos dar uma olhada em apenas uma pequena parte do sistema para ter uma idéia do que está acontecendo. Ligamos um osciloscópio a dois pontos interessantes:
- A voltagem de um dos sensores apontando lateralmente (não o sensor para cima), e
- A voltagem em uma das bobinas (naquela mesma direção).
O sinal do sensor, mostrado em amarelo, é muito ruidoso. Ignore o ruído, no entanto, e olhe apenas para o nível geral de voltagem. Vimos que ele fica mais alto ou mais baixo dependendo da posição do ímã. Ele fica em torno de 1,75 volts, mas muda uma pequena quantidade quando pressionamos o ímã. As mudanças são apenas alguns milivolts, mesmo quando estamos empurrando drasticamente o ímã em torno de.
O sinal azul mostra a voltagem para uma das bobinas do eletroímã. Ele vai até cerca de 2,5 V e volta a zero. Ou está ligado ou desligado. Ele liga a cada 1/100.000ésimo de segundo.
A cada vez que ajusta a força, o circuito de controle varia quanto tempo deixa aquela bobina ligada durante aquele 1/100.000ésimo de segundo. Se não precisar de muito empurrão, está ligado talvez 5% do tempo. Quando tocamos no íman flutuante, ele permanece ligado por mais tempo. Você pode ver isso na largura do sinal de up-time.
Este controle do eletroímã liga e desliga a 100 kHz. Isso é 100 kiloHertz, ou 100.000 vezes por segundo. Isso é muito rápido!
Tínhamos esperado ligar este sinal a um altifalante para nos permitir ouvi-lo como som. Seria bom ouvir esse feedback áudio interactivo. Infelizmente, 100 kHz está muito acima da mais alta frequência que os humanos podem ouvir. Está mesmo acima da capacidade de um cão de o ouvir! Teríamos que fazer uma amostra do sinal, ou perguntar a alguns golfinhos o que pensam sobre ele.
Isso é um olhar sobre apenas um sensor e um dos quatro eletroímãs. Os outros três estão trabalhando de forma similar para contrabalançar as inclinações nas outras direções.
Além de usar os quatro eletroímãs individualmente para evitar que o ímã flutuante se incline em qualquer direção, todo o sistema também deve controlar o nível geral do sinal para todos os quatro eletroímãs. Isso vai influenciar a altura do íman flutuante acima da base.
Conclusões
Tivemos muita diversão ao tentar descobrir como este dispositivo funciona. Quanto mais descobrimos, mais encontramos tópicos inteiros que não tínhamos sequer considerado. Por exemplo:
- O sistema é sensível ao peso do íman flutuante. Se for muito leve, não vai funcionar bem. Ele precisa de algum peso mínimo para a forma como está configurado.
- Existe uma arruela de aço acima do magneto flutuante fino. Isto obviamente fornece lastro, mas também tem um efeito real sobre a forma do campo magnético. Em alguns testes, descobrimos que não conseguíamos obter um íman para flutuar sem este disco de aço no topo, achatando o campo. Porque é que este arranjo funciona tão bem? Porque não apenas um íman com lastro não ferroso?
Tentamos muitas vezes explicar o quão complicada pode ser a levitação magnética, não tínhamos ideia do quanto mais ela envolvia!
Addendum: Um sistema muito mais simples
Temos um kit de levitação que adquirimos há anos que tem uma configuração muito mais simples. Veja o Kit de Levitação Magnética ART TEC de Guy Marsden.
Esta configuração vira o sistema de cabeça para baixo, tornando as coisas muito mais fáceis. Ele tem um único eletroímã posicionado acima do ímã flutuante. O eletroímã liga e desliga para controlar a posição vertical do ímã.
Desde que o ímã está “pendurado” abaixo, ele tende a ser naturalmente estável de um lado para o outro. Como um poste longo pendurado para baixo, você obtém estabilidade natural nesta configuração. O sistema não tem que fazer nada de extravagante para controlar o movimento lateral.
Ligamos este também ao osciloscópio e encontramos um esquema de controle diferente. Ao invés de ligar e desligar o eletroímã em intervalos fixos, ele liga e desliga conforme necessário, reagindo à medição do sensor. Quando o ímã começa a ficar muito baixo, ele se liga para puxá-lo para cima. Quando o íman começa a ficar demasiado alto, desliga-se.
A frequência deste ligar e desligar varia dependendo do que o sensor diz. Descobrimos que a frequência mudou quando tentamos pendurar ímãs diferentes e/ou pesos diferentes.
Quando você vê produtos eletrônicos que levitam algo usando uma destas duas configurações básicas, normalmente você pode descobrir qual deles é. Se houver algo acima do objeto flutuante, é este segundo sistema, mais simples. Se não há nada acima do objeto flutuante, é o primeiro.