Física

Electrodinámica: Electroimán. Tren de levitación magnética MAGLEV.

ELECTROMAGNETISMO

El movimiento de la aguja de una brújula en las proximidades de un conductor por el que circula una corriente indica la presencia de un campo magnético alrededor del conductor. Cuando dos conductores paralelos son recorridos cada uno por una corriente, los conductores se atraen si ambas corrientes fluyen en el mismo sentido y se repelen cuando fluyen en sentidos opuestos. El campo magnético creado por la corriente que fluye en una espira de alambre es tal que si se suspende la espira cerca de la Tierra se comporta como un imán o una brújula, y oscila hasta que la espira forma un ángulo recto con la línea que une los dos polos magnéticos terrestres.

Puede considerarse que el campo magnético en torno a un conductor rectilíneo que transporta corriente se extiende desde el conductor igual que las ondas creadas cuando se tira una piedra al agua. Las líneas de fuerza del campo magnético tienen sentido antihorario cuando se observa el conductor en el mismo sentido en que se desplazan los electrones. El campo en torno al conductor es estacionario mientras la corriente fluya por él de forma uniforme.

Cuando un conductor se mueve de forma que atraviesa las líneas de fuerza de un campo magnético, este campo actúa sobre los electrones libres del conductor desplazándolos y creando una diferencia de potencial y un flujo de corriente en el mismo. Se produce el mismo efecto si el campo magnético es estacionario y el cable se mueve, que si el campo se mueve y el cable permanece estacionario. Cuando una corriente empieza a circular por un conductor, se genera un campo magnético que parte del conductor. Este campo atraviesa el propio conductor e induce en él una corriente en sentido opuesto a la corriente que lo causó (según la llamada regla de Lenz). En un cable recto este efecto es muy pequeño,pero si el cable se arrolla para formar una bobina, el efecto se amplía ya que los campos generados por cada espira de la bobina cortan las espiras vecinas e inducen también una corriente en ellas. El resultado es que cuando se conecta una bobina así a una fuente de diferencia de potencial, impide el flujo de corriente cuando empieza a aplicarse la diferencia de potencial. De forma similar, cuando se elimina la diferencia de potencial, el campo magnético se desvanece, y las líneas de fuerza vuelven a cortar las espiras de la bobina. La corriente inducida en estas circunstancias tiene el mismo sentido que la corriente original, y la bobina tiende a mantener el flujo de corriente. Debido a estas propiedades, una bobina se resiste a los cambios en el flujo de corriente, por lo que se dice que posee inercia eléctrica o autoinducción. Esta inercia tiene poca importancia en circuitos de corriente continua, ya que no se observa cuando la corriente fluye de forma continuada, pero es muy importante en los circuitos de corriente alterna.

Electroimán

Dispositivo que consiste en un solenoide (una bobina cilíndrica de alambre recubierta de una capa aislante y arrollado en forma de espiral), en cuyo interior se coloca un núcleo de hierro. Si una corriente eléctrica recorre la bobina, se crea un fuerte campo magnético en su interior, paralelo a su eje. Al colocar el núcleo de hierro en este campo los dominios microscópicos que forman las partículas de hierro, que pueden considerarse pequeños imanes permanentes, se alinean en la dirección del campo, aumentando de forma notable la fuerza del campo magnético generado por el solenoide. La imantación del núcleo alcanza la saturación cuando todos los dominios están alineados, por lo que el aumento de la corriente tiene poco efecto sobre el campo magnético. Si se interrumpe la corriente, los dominios se redistribuyen y sólo se mantiene un débil magnetismo residual.

Los electroimanes se utilizan mucho en tecnología; son los componentes fundamentales de cortacircuitos y relés y se aplican a frenos y embragues electromagnéticos. En los ciclotrones se utilizan enormes electroimanes con núcleos de varios metros de diámetro; también se utilizan potentes electroimanes para levantar hierro y chatarra.

Tren de levitación magnética MAGLEV

Vehículo de alta velocidad que levita sobre un carril guía e impulsado por campos magnéticos. La tecnología de trenes de levitación magnética puede utilizarse para recorridos urbanos a velocidades medias (menos de 100 km/h). El mayor interés recae sobre los sistemas maglev de alta velocidad. En Japón se han alcanzado velocidades de 517 km/h en trenes maglev completos, mientras que en Alemania un tren maglev alcanzó la velocidad de 435 km/h aproximadamente.

Se distinguen dos aproximaciones diferentes respecto a los sistemas de trenes de levitación magnética. La primera, denominada suspensión electromagnética (E.M.S.), usa electroimanes convencionales situados en los extremos de un par de estructuras debajo del tren; las estructuras envuelven por completo cada lado del carril guía. Los imanes son atraídos hacia los raíles de hierro laminado en el carril guía y elevan el tren. Sin embargo, este sistema es inestable; la distancia entre los electroimanes y el carril guía, que es de cerca de 10 mm, debe estar controlada y ajustada por ordenador para evitar que el tren golpee el carril guía.

El segundo diseño, denominado suspensión electrodinámica (E.D.S.), usa la fuerza de oposición que se produce entre los imanes del vehículo y las bandas o bobinas eléctricas del carril guía para levitar el tren. Esta aproximación es estable, y no necesita un control y un ajuste continuos; también se produce una distancia relativamente grande entre el carril guía y el vehículo, por lo general entre 100 y 150 mm. Sin embargo, un sistema maglev E.D.S. utiliza imanes superconductores, mucho más caros que los electroimanes convencionales, y necesitan un sistema de refrigeración que los mantenga a bajas temperaturas.

Tanto el sistema E.M.S. como el E.D.S. utilizan una onda magnética que se desplaza a lo largo del carril guía para proporcionar energía al tren maglev mientras se encuentra suspendido sobre el raíl.

Los sistemas maglev ofrecen un número de ventajas sobre los trenes convencionales que utilizan ruedas de acero sobre raíles de acero. Debido a que los trenes de levitación magnética no tocan el carril guía, los sistemas maglev superan la principal limitación de los trenes con ruedas, lo oneroso de mantener una precisa alineación de los raíles que evite la excesiva vibración y el deterioro del raíl a altas velocidades. Los trenes maglev pueden proporcionar considerables velocidades, superiores a 500 km/h, limitados sólo por el coste de energía que supone superar la resistencia del viento. El hecho de que los trenes maglev no toquen los carriles guía tiene además otras ventajas: aceleración y frenado más rápidos, mayor capacidad de subida en cuestas, funcionamiento mejorado en situaciones de lluvia intensa, nieve y hielo, y ruido reducido. Los sistemas maglev también aprovechan al máximo la energía en rutas de longitudes de varios miles de kilómetros, puesto que utilizan alrededor de la mitad de energía por pasajero que los aviones comerciales convencionales. Como otros sistemas de transporte eléctrico, también reducen el uso de petróleo y contaminan el aire menos que los aviones, locomotoras diesel y automóviles.

Editor: Fisicanet ®

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