A levitação magnética é um exemplo de levitação na física. Baseia-se apenas nas forças geradas pelos campos magnéticos para superar a gravidade. No momento, você provavelmente está pensando: a levitação com ímãs não é tão simples quanto a repulsa que ocorre entre ímãs de barra com pólos opostos? Lamento dizer, mas a resposta é não e nunca foi desde 1842, quando Samuel Earnshaw provou que nenhuma configuração estática de ímãs permanentes permite levitação estabilizada. O que queremos dizer com estabilização? Vamos começar a explicar.

O que é levitação magnética: estabilizando os ímãs

Queremos dizer com estabilização é que, se o objeto, ou neste caso o ímã, for deslocado por uma pequena quantidade, haverá uma força para neutralizar esse movimento e empurrar ou puxar o objeto de volta à sua posição de levitação. Se você tiver um par de ímãs à mão, tente usar a força repulsiva para equilibrá-los, como pode ser visto abaixo. Após algumas tentativas, você verá que, mesmo que uma flutue em relação à outra por uma fração de segundo, ela logo cairá.

Se a levitação com ímãs não pode ser feita, de acordo com Earnshaw, por que isso existe? Como físicos, encontramos maneiras de contornar a teoria de Earnshaw. Usando pequenos truques, como materiais diamagnéticos, supercondutores e sistemas de feedback, foi alcançada uma levitação magnética estável.

Aprender a teoria por trás de um princípio da física é especialmente divertido quando você pode vê-lo realmente sendo usado no mundo real. Sendo esse o caso, em vez de passarmos por derivações chatas sobre levitação magnética, vamos nos concentrar em uma aplicação importante, trens de alta velocidade, conhecidos como trens maglev.

O que são os trens Maglev?

Como você já deve ter percebido, olhando para a palavra maglev, os trens maglev são trens que usam levitação magnética. Além de aviões, o transporte rápido e comercial é limitado. Os trens Maglev podem ser a resposta para esse problema. Maglev não se refere apenas ao trem, mas também à pista na qual eles correm.

Ao usar ímãs poderosos tanto no trem quanto na guia, é possível não apenas levitar o trem, o que permite velocidades mais altas que as tradicionais locomotivas de roda e trilho, mas também acelerar o trem. Você pode ver que esses trens são aerodinâmicos para ajudar a reduzir o arrasto.

Atualmente, dois métodos comuns estão sendo usados ​​para levitar trens maglev: suspensão eletromagnética (EMS) e suspensão eletrodinâmica (EDS). Antes de discutir esses dois métodos, aprenderemos um pouco de física, especificamente a Lei de Indução de Faraday e a Lei de Lenz.

A Física por trás da levitação eletromagnética

Em termos simples, a Lei de Indução de Faraday diz que um campo magnético tem a capacidade de produzir um campo elétrico, por uma corrente induzida. Dizemos induzido, porque o campo magnético “faz” isso. A melhor maneira de entender o fenômeno é experimentalmente.

Imagine um laço de arame feito de um material que permita o fluxo de carga, um condutor. Agora conecte esse loop a um amperímetro para que qualquer corrente induzida possa ser medida. Inicialmente, o amperímetro indicará zero, mas o que acontece se um ímã de barra for empurrado em direção ou fora do loop, para uma proximidade suficientemente próxima?

Ao mover o ímã através de um loop ou fora do loop , uma corrente foi produzida (na forma de uma tensão). Mesmo se você colocar o ímã no loop, mas não o mover, nenhuma corrente será gerada.

Para resumir os pontos importantes acima:

1. A corrente aparece apenas quando há movimento relativo entre o loop e o ímã

2. A velocidade do movimento do ímã está relacionada à corrente

3. Ao mover o ímã em direções opostas, a corrente fluirá em direções opostas (isso corresponde a uma tensão positiva ou negativa).

Uma corrente é gerada e pode fluir no sentido horário ou anti-horário ao redor do loop, mas como sabemos sua direção? Para determinar a direção, a Lei de Lenz é necessária. Em geral, diz que a corrente produzida estará em uma direção que cria um campo magnético que se opõe ao campo magnético que causou a corrente induzida em primeiro lugar.

Levitação eletromagnética em uso

A levitação eletromagnética é usada em brinquedos, utensílios de decoração e em muitos eletrônicos hoje em dia. (Foto: Youtube)

Levitação estável do trem Maglev

Como mencionado anteriormente, os dois principais métodos atualmente usados ​​para a levitação maglev são a suspensão eletromagnética (EMS) e a suspensão eletrodinâmica (EDS).

Suspensão eletromagnética (EMS)

O primeiro tipo de levitação de maglev, EMS, requer duas coisas: retirar o trem do solo e estabilizar o trem enquanto ele se move. O primeiro requisito é atendido pelo uso de forças atrativas entre ímãs. Atualmente, as práticas de levitação EMS estão sendo aplicadas na Alemanha em um sistema conhecido como Transrapid. Este sistema separa levitação e orientação, facilitando a distinção.

Se o ímã na pista de orientação for atraído pelo ímã no material rodante, o trem levitará do chão. Deve-se notar que nenhum contato entre os ímãs é feito, já que a força da atração é suficiente para tirar o trem do chão. Os ímãs comumente usados ​​são conhecidos como eletroímãs. Eletroímãs são ímãs que requerem corrente elétrica para produzir um campo magnético.

O exemplo clássico é o loop atual familiar. A corrente viaja em uma direção que gera um campo magnético que permite a atração. Quando você faz um monte de voltas, obtém uma bobina, um eletroímã comum. O benefício desses ímãs é que aumentar ou diminuir a força da corrente ajusta facilmente a força do campo. Para estabilidade, eletroímãs adicionais são usados ​​que podem ser facilmente modificados quando os sensores detectam o trem se afastando de sua posição de equilíbrio.

Suspensão Eletrodinâmica (EDS)

O segundo tipo de levitação de maglev, EDS, usa as consequências da Lei de Faraday e da Lei de Lenz. Diferentemente do EMS, o EDS conta com uma combinação de forças repulsivas e atraentes ou, em alguns casos, apenas uma força repulsiva. Nos dois casos, é o resultado de uma interação entre bobinas na guia e ímãs no trem. À medida que o ímã de bordo se move em relação às bobinas da guia, uma corrente é induzida pela Lei de Faraday. Ao usar uma bobina especial com a forma do número oito, a corrente induzida pode fornecer forças atraentes e repulsivas que levitam o trem. As ilustrações abaixo fornecem uma maneira fácil de retratá-lo.

Às vezes, bobinas de orientação adicionais são usadas, mas como a corrente nas bobinas depende da posição dos ímãs no trem, quaisquer deslocamentos geralmente são auto-corrigíveis. Se você entende a Lei de Faraday, pode estar se perguntando, não haverá corrente nas bobinas quando o trem não estiver em movimento? A resposta é sim e, por isso, é necessária uma velocidade mínima para retirar o trem do solo. A baixas velocidades, o comboio está equipado com rodas.

Impulsionando o trem Maglev

Agora que temos o trem no ar, como devemos movê-lo? Existem alguns métodos alternativos para acelerar o trem, mas aqui apenas forneceremos uma ideia básica.

Um método usa bobinas de propulsão, eletroímãs sofisticados, que, ao usar uma corrente alternada, que muda de polaridade após um determinado período de tempo, pode empurrar e puxar o trem. O ímã que pode ter puxado o trem inicialmente por atração pode empurrá-lo à medida que passa mais tarde, simplesmente alterando sua propriedade magnética. Lembre-se de que os eletroímãs permitem isso, pois a corrente pode ser controlada eletronicamente.

Com a tecnologia melhorando constantemente no mundo, é provável que um dia você veja ou até pegue um trem maglev. Já deve ter visto até brinquedos usando a levitação magnética de forma mais básica.

Lembre-se de que todo o sistema é baseado nos princípios básicos de física dos ímãs. O movimento em alta velocidade é resultado da levitação magnética, enquanto a propulsão é fornecida pelo posicionamento fino dos eletroímãs na forma de bobinas. A suspensão eletromagnética e a suspensão eletrodinâmica são apenas dois tipos de levitação magnética e existem muitas outras formas e ainda é provável que ainda mais sejam desenvolvidas.

Ficou alguma dúvida? Que tal fazer um experimento eletromagnético de ciências agora?