Existen muchas aplicaciones del magnetismo adicionales a las descritas en entregas anteriores; ejemplos son las cerraduras y rodamientos magnéticos, tarjetas de crédito y sistemas de frenado de todo tipo.
Una drop tower (torre de caída) es un aparato común en los parques de diversiones; el frenado tiene lugar sobre la base de la ley de Lenz. Durante la caída de los asientos, el campo magnético de un imán potente induce una corriente en una bobina cerrada que, a su vez, genera otro campo que se opone a la causa que lo produce, y aparecen fuerzas intensas de repulsión.
Estas fuerzas magnéticas son más fuertes cuanto más rápido varíe el campo; es decir, cuanto más rápida sea la caída de los asientos. Las fuerzas se anulan cuando los asientos se detienen por completo. Los vagones de las montañas rusas en los parques de diversiones también emplean frenos magnéticos.
Los dispositivos más recientes (e importantes) que funcionan sobre la base del magnetismo son los electroimanes superconductores. Se aplican principalmente en la levitación y propulsión de algunos trenes del tipo maglev (del inglés magnetic levitation), y en los reactores experimentales que estudian la fusión nuclear.
La superconductividad es una propiedad de algunos materiales que anula su resistencia eléctrica cuando la temperatura es cercana al cero absoluto. Esta característica es imprescindible cuando se requieren electroimanes de gran potencia. Las corrientes que deben circular en la bobina para producir los fuertes campos magnéticos necesarios son muy grandes; la superconductividad se necesita para evitar la disipación de energía por el calentamiento de los alambres conductores (efecto Joule).
Trenes magnéticos
La exigencia de transportar con mayor rapidez y eficacia, tanto a las personas como a cualquier tipo de carga, aumenta día a día, pues la población y la cantidad de usuarios se incrementan de continuo en casi todo el mundo. Además, siempre será válido el antiguo dicho ‘el tiempo es oro’ (time is money, versión inglesa); una vez perdido, el tiempo no se puede recuperar.
Desde más de 20 años aparecieron los primeros prototipos comerciales del nuevo método de transportación mediante trenes con raíles o vías electromagnéticas.
Se denomina levitación magnética o maglev (del inglés magnetic levitation). Existen dos tipos fundamentales de maglev: el EMS, del inglés electromagnetic suspension (suspensión electromagnética) y el EDS, del inglés electrodynamic suspensión (suspensión electrodinámica).
El primer maglev comercial, comenzó a circular en Shangai en 2004; hoy día también funcionan trenes maglev de diversos tipos en Japón y Surcorea. Son mucho más rápidos y seguros que los trenes convencionales, aunque su principal inconveniente es el alto costo de la infraestructura necesaria para el soporte de la vía, junto al sistema eléctrico necesario y su mantenimiento; esto ha limitado mucho su uso comercial.
Otro problema no menos importante es el gran consumo de energía, aunque los modelos más recientes reducen un poco este inconveniente.
Suspensión electromagnética EMS
En ese tipo de suspensión, electroimanes controlados desde el tren por vía electrónica, ubicados al fondo de unas pinzas laterales, son atraídos hacia una viga de acero que está fija a un raíl o soporte de hormigón para hacen ‘flotar’ el tren sobre campos magnéticos.
El tren posee sensores que miden de continuo la separación de la vía (10-15 mm), y sistemas electrónicos ajustan la corriente para mantener la separación. Es necesario energizar los electroimanes incluso cuando el tren está parado, pero puede avanzar a velocidad casi cero o detenerse.
Los sistemas más recientes suelen adicionar superimanes de NdFeB (Neodimio-Hierro-Boro) para una mayor eficiencia. Los imanes crean un campo de ‘polarización’ que aumenta la estabilidad del tren y reduce el gasto energético de los electroimanes.
El movimiento hacia delante se logra mediante un segundo conjunto de electroimanes activos ubicados en la vía, fuera del tren (ver figura). Esos electroimanes interaccionan con bobinas no energizadas, ubicadas en los laterales de las pinzas del tren.
Al ser magnetizadas por los electroimanes en la vía, y gracias a la ley de Lenz, las bobinas pasivas generan fuerzas de repulsión que mueven el tren a la vez que impiden que toque las paredes. El conjunto de bobinas activas/pasivas conforman un motor lineal sincrónico, que es quien impulsa el tren.
Motor lineal sincrónico. Un motor lineal se puede considerar como una sección de un motor convencional con radio infinito (ver figura). En un motor convencional un enrollado primario (agente activo) se encuentra en el estator, mientras que el rotor incluye un enrollado secundario no energizado (agente pasivo). Al energizar el primario con corriente alterna trifásica se crean corrientes inducidas en el secundario, que de acuerdo a las leyes del electromagnetismo, se oponen a la causa que las produce. El proceso genera fuerzas de repulsión que hacer girar el rotor. En el motor lineal sucede lo mismo, pero ahora el rotor avanza en línea recta.
La figura más abajo muestra un esquema de la ubicación de imanes y bobinas en las pinzas de un tren EMS. La energía necesaria para el movimiento la suministran subestaciones eléctricas auxiliares colocadas a lo largo de la vía, que se controlan desde tierra.
Los tramos de línea lateral se van energizando consecutivamente de forma adecuada para impulsar el tren. El sistema permite ajustar la velocidad al variar la frecuencia de la corriente alterna. Si se invierte la dirección de los campos, el motor actúa como freno para detener el tren. En caso de un eventual fallo de energía eléctrica en las subestaciones, el movimiento se puede mantener mediante baterías colocadas a bordo del tren.
Suspensión electrodinámica EDS
Usada en la actualidad por los trenes japoneses, la EDS es bastante similar a la EMS. Se diferencia esencialmente en que todos los electroimanes van sobre el tren y están construidos con superconductores, lo que proporciona algunas ventajas y desventajas en comparación con el EMS.
A diferencia del sistema EMS, levita mediante fuerzas repulsivas. Los electroimanes superconductores en el tren inducen corrientes en bobinas pasivas externas. La altura de levitación es mayor que el sistema EMS (de 100 a 150 mm), su geometría es autoestable y posee más tolerancia a irregularidades en las vías; tampoco necesita sensores ni electrónica de estabilización adicional. También posee mayor potencial que el sistema EMS para alcanzar grandes velocidades.
Sin embargo, necesita ruedas para comenzar a moverse, pues necesita alcanzar velocidades de al menos 100 km/h para levitar. Otras desventajas son la necesidad de tener sobre el tren sistemas criogénicos para los superconductores, un mayor consumo inicial de energía y necesita vías son más complejas.
En resumen:
| EMS vs. EDS | ||
| Principio de funcionamiento | Atracción electromagnética | Repulsión electrodinámica |
| Velocidad de levitación | 0 km/h | 100 km/h |
| Altura sobre la vía | 10-15 mm | 100-150 mm |
| Regulación adicional | Sensores + electrónica + imanes permanentes | No necesita |
| Imanes | Convencionales | Superconductores |
| Ruedas | No necesita | Necesita |
| Uso | Preferible para aplicaciones urbanas con paradas frecuentes | Más adecuado para conexiones de alta velocidad entre ciudades. |
Confinamiento magnético
La figura muestra dos tipos experimentales de sistemas de confinamiento magnético para reactores de fusión nuclear. Estos reactores investigan la posibilidad de generar energía a partir de procesos similares a los que tienen lugar en el sol.
Para conseguir vencer la repulsión de los núcleos cargados eléctricamente, y acercarlos lo suficiente como para que la reacción tenga lugar, la cámara de reacción se debe calentar a temperaturas del orden de la solar, no menos de 1500-2500 millones de grados.
A esa temperatura los núcleos se separan de la envoltura y se forma un estado de la materia llamado plasma, donde los átomos se convierten en iones y los núcleos quedan desnudos.
No hay material capaz de soportar esa temperatura sin volatilizarse; de aquí la necesidad de confinar el plasma mediante campos magnéticos. Algunos detalles se muestran en la figura.
La tecnología necesaria para construir la cámara de reacción es extremadamente complicada, ya que para poder trabajar los electroimanes necesitan una temperatura de casi cero absoluto, que debe ser mantenida a unos pocos centímetros de una temperatura cercana a la del sol.
Bibliografía
How Maglev Works | Department of Energy, https://www.energy.gov/articles/how-maglev-works
Do MAGLEV trains use superconductors to float or electromagnets in the train? | ResearchGate, https://www.researchgate.net/post/Do-MAGLEV-trains-use-superconductors-to-float-or-electromagnets-in-the-train
Magnetic levitation system of the Transrapid maglev train. | Download Scientific Diagram, https://www.researchgate.net/figure/Magnetic-levitation-system-of-the-Transrapid-maglev-train_fig1_281861536
Tren Maglev | Infoaphics90, https://infographics90.com/es/como_usan/tren-maglev-0
Maglev | Facts, Operation, & Systems | Britannica, https://www.britannica.com/technology/maglev-train
Prasad N. et al, Urban Rail Transit, (2019) 5(2):67–79. https://doi.org/10.1007/s40864-019-0104-1
High-Tech for Flying on the ground. https://web.archive.org/web/20141229021017/http://www.thyssenkrupp.com/documents/transrapid/TRI_Flug_Hoehe_e_5_021.pdf