Ciencias de los materiales

Pandilla Kids (3ro., 4to., 5to. y 6to. Año de primaria)

TREN DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA

Asesor: JESSICA DANIELA CERVANTES MARTÍNEZ

Autor: ROBERTO ROMUALDO TLACUAHUAC

Resumen

Mi proyecto trata sobre el uso de energías alternas aplicadas al transporte, con la finalidad de reducir la contaminación generada al medio ambiente. Para este proyecto se utilizan imanes de ferrita conociendo, así como funcionan y la aplicación que se le da para tener una levitación magnética sin generar fricción y teniendo movimiento. Por lo que se realizara un prototipo para ver su funcionamiento.

Pregunta de Investigación

Cómo utilizar imanes para poder generar movimiento en un tren de juguete

Planteamiento del Problema

Actualmente los tipos de transporte terrestre, ferroviario, marítimos y aéreos para su funcionamiento utilizan principalmente gasolina y diesel. No obstante, existen fuentes alternativas capaces de suministrar energía, algunas de las más utilizadas son biodiesel, gas natural, alcohol, electricidad y vapor de agua.

Sin embargo, estos suministros generan demasiados contaminantes al medio ambiente, por lo que se hará un medio de transporte capaz de eliminar la emisión de contaminantes a la atmosfera, tendrá menor contaminación acústica y una mayor vida útil.

Antecedentes

En la actualidad, los imanes y los electroimanes nos sirven para realizar gran variedad de trabajos o actividades. Entre sus muchas aplicaciones en el campo industrial, se encuentra su uso en la fabricación de instrumentos de precisión, motores, sensores, micrófonos, altavoces, juguetes, maquinaria para tratamientos de aguas, controladores de temperatura, sistemas de pesado, dispositivos electrónicos.

IMANES

Los imanes son materiales que tienen la capacidad, además de atraerse entre sí, de atraer el hierro y/o el acero. Existen dos tipos de imanes: naturales y artificiales.

Los imanes Naturales son minerales de hierro con propiedades magnéticas, que se conocen con el nombre de magnetitas, y provienen de una ciudad de Asia menor llamada Magnesia

 

Los imanes Artificiales son los que se pueden fabricar. Para su elaboración se utiliza el hierro, el cobalto, el níquel y aleaciones de estos entre sí o con otros materiales.

Hoy en día en la industria se fabrican imanes con distintas formas geométricas, según el uso que se planee darles; sin embargo, los más comunes son los de barra, los de herradura, los cilíndricos, los circulares y los de aguja.

 

TIPOS DE MATERIALES MAGNETICOS

  • Ferromagnéticos. Se consideran materiales el hierro, el cobalto y el níquel. Sus electrones giran, alineándose en presencia de un campo magnético exterior, e incluso su imantación permanece al separarse del campo. El material se convierte, entonces, en un imán permanente, son permanentes los imanes de ferrita o cerámicos, cuyos componentes son ferrita de bario y estroncio; los imanes de tierras raras, compuestos por neodimio, samario y cobalto, y los imanes de alnico cuyos componentes son una aleación de aluminio, níquel y cobalto.
  • Paramagnéticos. Materiales que adquieren sus propiedades magnéticas en la dirección de un campo magnético exterior pero su imantación desaparece cuando se retira dicho campo.
  • Diamagnéticos. Materiales con una débil magnetización, por lo que la imantación temporal se produce en la dirección opuesta al campo exterior.

 

¿Qué es un campo Magnético?

El campo magnético es la zona que se encuentra alrededor de los imanes y donde se manifiestan mejores las fuerzas de atracción y repulsión. Estos campos se presentan mediante unas líneas de fuerza que suelen ir del polo norte al polo sur. Cuanto más juntas aparecen estas líneas, más intenso es el campo.

Todos los imanes tienen dos polos: uno polo norte y otro polo sur. Generalmente, cada uno de estos polos se encuentran en una cara de imán y manifiestan propiedades opuestas. Dos polos iguales (dos polos norte o dos polos sur) se repelen, dos polos diferentes (polo norte y un polo sur) se atraen.

ELECTROIMANES

Un electroimán es imán artificial basado en los efectos magnéticos que provoca la corriente eléctrica. Cuando esta circula a través de un conductor, de forma de un campo magnético a su alrededor, por lo que si formamos una bobina enrollando hilo conductor y conectado sus extremos a una pila o fuente de alimentación de corriente continua, los campo magnéticos que se forman en cada una de las vueltas que se suma en su interior, consiguiendo así un campo magnético similar al de un imán rectangular con sus polos norte y sur.

La fuerza de electroimán de depender de: el tamaño y diámetro de alambre, la forma de enrollarlo, el número de vueltas, el espacio que haya entre cada vuelta, la forma de la bobina y el número de capas.

Solenoide. Es un conductor eléctrico enrollado en forma de bobina y que tiene el eje bastante largo en comparación con su diámetro. Su fuerza aumenta cuando: A) Se disminuye el número de capas y se conserva la misma longitud de alambre; B) Se disminuye el espacio entre cada dos espiras y se sigue manteniendo la misma longitud del cable; C) Se disminuye el diámetro del cilindro sobre el que estaba bobinado, y D) Cuando el bobinado se realiza sobre un cilindro recto.

Relé. Es un electroimán que al ser conectado atrae una lámina magnética, permitiendo abrir o cerrar un circuito eléctrico.

Materiales que forman un electroimán.

 

  • Hilo de bobinado de cobre. Es un conductor de pequeño diámetro (los hay que son muy finos, menos de una décima de milímetro). Este hilo esta recubierto de una fina de capa de barniz que actúa como aislante, y que debe de limarse para hacer las conexiones.
  • Núcleo. En función del material que coloquemos en el interior de la bobina, electroimán tendrá más o menos fuerza. Si cambiamos un núcleo de hierro por un de cobre, la fuerza del electroimán disminuirá, pero si cambiamos el de cobre por uno de aire, la fuerza aumentará.

 

 Funcionamiento del tren de levitación

Llamamos “levitación magnética” al fenómeno por el cual un dado material puede, literalmente, levitar gracias a la repulsión existente entre los polos iguales de dos imanes o bien debido a lo que se conoce como “Efecto Meissner”, propiedad inherente a los superconductores. La superconductividad es una característica de algunos compuestos, los cuales, por debajo de una cierta temperatura crítica, no oponen resistencia al paso de la corriente; es decir: son materiales que pueden alcanzar una resistencia nula. En estas condiciones de temperatura no solamente son capaces de transportar energía eléctrica sin ningún tipo de pérdidas, sino que además poseen la propiedad de rechazar las líneas de un campo magnético aplicado. Se denomina “Efecto Meissner” a esta capacidad de los superconductores de rechazar un campo magnético que intente penetrar en su interior; de manera que si acercamos un imán a un superconductor, se genera una fuerza magnética de repulsión la cual es capaz de contrarrestar el peso del imán produciendo así la levitación del mismo. Hoy día el uso más extendido del fenómeno de levitación magnética se da en los trenes de levitación magnética. Un tren de levitación magnética es un vehículo que utiliza las ondas magnéticas para suspenderse por encima del carril (algunos de estos trenes van a 1 cm por encima de la vía y otros pueden levitar hasta 15 cm) e impulsarse a lo largo de un carril-guía. Si bien existen otras aplicaciones como, por ejemplo, las montañas rusas de levitación magnética o, lo que en la actualidad se encuentra bajo investigación, la propulsión de naves espaciales mediante este mismo fenómeno (lo que se menciona más adelante), estas se basan en los mismos principios que los trenes tanto para mantenerse levitando como para impulsarse a lo largo de un carril-guía. Por esta razón este trabajo se centrará en los trenes de levitación magnética y más aún, en el principio de funcionamiento de estos, dándole menos importancia a otros aspectos como: impacto ecológico, viabilidad económica (excepto en el caso de la propulsión de naves espaciales, donde se convierte en tema prioritario), confort, tendido estratégico de vías, diferentes diseños, etc.

Principio de levitación magnética

La levitación en un tren maglev, se consigue mediante la interacción de campos magnéticos que dan lugar a fuerzas de atracción o repulsión, dependiendo del diseño del vehículo, es decir, según si el tren utilice un sistema EMS (electromagnetic suspension o suspensión electromagnética) o EDS (electrdynamic suspension o suspensión electrodinámica). La principal diferencia entre un sistema EMS y un EDS es que en el primero la levitación del tren es producida por la atracción entre las bobinas colocadas en el vehículo y la vía, y en el segundo se consigue la levitación gracias a fuerzas de repulsión entre estas

Objetivo

Construir un tren con imanes permanentes capaz de realizar una trayectoria corta debido al campo magnético generado.

Justificación

Este proyecto ayudara a comprender la importancia de utilizar energías alternas que no dañen al medio ambiente y nos intereso el proyecto para saber como funcionan los imanes y el campo magnético que generan.

Hipótesis

Si alineamos los imanes de tal forma que se repelan los campos magnéticos podremos generar levitación generando movimiento.

Método (materiales y procedimiento)

MATERIALES

  • Imanes de ferrita redondos
  • Canaleta
  • Base de cartón
  • Lexan
  • Pegamento

PROCEDIMIENTO

  1. Se cortan Guías para hacer riel
  2. Se colocan imanes orientados con la misma polaridad
  3. Se corta lexan para hacer guías laterales
  4. Se realiza base de tren con la misma polaridad de la parte superior del riel para que se repelan los polos
  5. Se arma y se prueba su funcionamiento

Galería Método

Resultados

Se realizan pruebas con el prototipo y se tiene levitación ya que son polos opuestos la parte superior de la pista y la inferior de la base haciendo que se repelan debido a que tienen la misma polaridad. Sin embargo, necesita tener impulso para que se mueva por lo que se hace empujándolo con la mano.

 

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

La idea del proyecto es conocer energías alternas que podrían ser utilizadas en diferentes tipos de transportes que generen menos contaminantes al medio ambiente. Con este proyecto aprendí el funcionamiento de los imanes, la polaridad que tienen y el campo magnético. Me gusto realizar un prototipo y ver como levita debido a los campos magnéticos.

Bibliografía

Electricidad objetiva 2

Moreno, Guillermo Jacobo MEXICO  Trillas 1989O

 

Electricidad y Magnetismo

Editor: Jesús Araujo Séptima edición 2014 Parramón

Badalona, España

 

ELECTROMAGNETISMO

Jaime Vega Pérez, Grupo Editorial Parra 2012

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography