Facultad de Ingeniería - Departamento de Ingeniería Electrónica – Universidad del Valle de Guatemala

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Abstract— This report explains the process of making the Project: Magnetic Levitation or Maglev, and belongs to the class of Electromagnetic theory II. On it, all the relevant aspects of the project are written. It has an introduction that mentions the purpose of it, the instruments used, the theory behind the practice. Then the experimental design is told, which highlights, step by step, all the processes performed to carry out the project. It was basically about implementing a system capable of levitating objects because of electromagnetic fields. In the discussion, the results are analyzed, and the reasons why certain events occurred or not are determined by comparing theoretical analysis with practical values. In the concluding section it is determined whether we arrived to comply with the main objective of this project or not and some thoughts are drawn based on the results obtained and the theory behind the practice.

Resumen—Este reporte explica la realización del Proyecto del curso: Levitación magnética y pertenece a la clase de Teoría electromagnética II. En el mismo, se redactan los aspectos relevantes del proyecto. Cuenta con una introducción en la que se menciona la finalidad del mismo, los instrumentos utilizados y la teoría detrás de la práctica. Luego se redacta el diseño experimental en el que se destaca, paso a paso, lo que se realizó para llevar a cabo el proyecto. El mismo trató básicamente de implementar levitación magnética a través de la generación de campos magnéticos. En la discusión se analizan los resultados obtenidos, y se determinan las razones por las cuales ocurrieron o no ciertos hechos, comparando el análisis teórico con los valores prácticos. En la sección de conclusiones se determina si llegó a cumplir con el objetivo principal de este proyecto y se redactan reflexiones en base a los resultados obtenidos y a la teoría detrás de la práctica.

I. INTRODUCCIÓN

l proyecto del curso: “Levitación magnética” tuvo como objetivo principal, crear una bobina, mediante la cual, con

el objeto a levitar, se generaran dos campos magnéticos, encontrando un equilibrio entre ellos para hacer que dicho objetivo levitara. Así mismo se creó un material ferromagnético líquido (ferrofluido) que se polariza en presencia de un campo magnético. Como antecedente, cabe destacar que en 1821, el físico danés Hans Christian Oersted observo la conexión existente entre los fenómenos eléctricos y magnéticos. Aparatos como la radio y la televisión se basan en muchos de los conocimientos y aplicaciones que, sobre electromagnetismo, se generaron en las primeras décadas del siglo XX. Hoy en día, se conocen unos cuantos mecanismos físicos que permiten “sostener” un objeto flotando sin contacto mecánico alguno con el suelo. La levitación magnética, también conocida por su acrónimo inglés Maglev, es un método por el cual un objeto es mantenido a flote por acción únicamente de un campo magnético. En otras palabras la presión magnética se contrapone a la gravedad. Cabe decir que cualquier objeto puede ser levitado siempre y cuando el campo magnético sea lo suficientemente fuerte.

Los materiales utilizados en esta práctica fueron los siguientes. Bobina, imanes, sensores de efecto Hall, opams, transistores, diodos y resistencias. Así mismo, cabe destacar que se creó un fluido ferromagnético y una base de madera para el embobinado y el circuito.

Ennio Guzman, 10115UVG

Proyecto

Levitador magnético

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II. DISEÑO EXPERIMENTAL

En la práctica, el proyecto se dividió en tres partes:

1. Diseño del levitador magnético.

a. El embobinado genera un campo magnético H1 entre sus polos.

b. El objeto a levitar posee un iman, que con el polo sur del embobinado, genera un campo H2.

c. Se buscó igualar estos campos magnéticos a través de la adición de una fuente de voltaje. H1 + V1 > H2, o de preferencia, ligeramente mayor para que el circuito conduzca.

d. Se conectó a un amplificador operacional, trabajando a una corriente de 3A.

2. Creación del ferro fluido magnético.

a. Se utilizó toner de impresoras y aceite vegetal. b. Se mezclaron las partes a las concentraciones

adecuadas, buscando que el ferro fluido fuera altamente magnetizable.

c. Se comprobó sometiéndolo a campos magnéticos a través de imanes.

3. Acople del ferrofluido con el levitador.

a. Así como se utilizaron objetos con imanes para comprobar el funcionamiento del levitador, se buscó ver como se comportaba el ferro fluido al ser sometido al magnetismo generado por el dicho levitador.

III. RESULTADOS

I. IMAGEN # 1 Generación de campos magnéticos, H1 y H2

El embobinado genera H1 a través de sus polos magnéticos y el H2 es

generado a través del objeto a levitar (con un imán adherido) y el polo sur del embobinado.

II. IMAGEN # 2 Acople de los campos magnéticos

A una distancia x entre el objeto a levitar y el polo sur del embobinado: H2 >

H1. Por ello se añadió una fuente V1 a H1, tal que: H1+V1 > H2 o ligeramente mayor. Estos dos voltajes son restados produciendo V01 que debe ser ligeramente mayor a cero. (Tomar en cuenta que H1 y H2 se refieren a los

voltajes generados por dichos campos magnéticos, en este caso).

III. IMAGEN # 3 Conducción del circuito y conexión a un amplificador de

corriente

El cable a través del cual viaja V01 fue conectado al circuito que se ve en la imagen. Si es V01 <0 el circuito no conduce y el sistema no levita. Debe ser

mayor a cero para que esto ocurra (gracias a la colocación del diodo que se ve en la imagen). Luego, el sistema es conectado a un amplificador de corriente,

el cual establece que se trabaje con 3 A.

IV. IMAGEN # 4 Sistema de levitación implementado

En la parte superior, se puede observar el embobinado, y en la parte inferior,

el circuito implementado.

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V. IMAGEN #5 Bobina con sensores de efecto Hall

Se puede observar la bobina a la que se acoplaron los sensores de efecto Hall en sus polos, así como la base de soporte, que después fue unida a la base de

madera creada.

VI. IMAGEN #6 Sensores de efecto Hall en placa de cobre

Fueron dos los sensores implementados; uno en cada uno de los polos del

embobinado.

VII. IMAGEN #7 Circuito implementado

Se observa el circuito, y sus conexiones al embobinado.

VIII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

La parte de implementar el levitador magnético fue la que más trabajo y análisis requirió. Cabe resaltar que el embobinado fue realizado a mano. Se utilizó un alambre relativamente grueso. El embobinado genera un campo magnético H1 entre sus polos. A cada uno de ellos, se le implementó sensores de efecto hall para poder medir la magnitud del campo magnético. Para poder levitar los objetos, estos debieron llevar incluido un imán para poder producir un campo magnético H2. Si la distancia de separación x era lo suficientemente cercana para generar H2, era un hecho que H2 > H1 y que por lo tanto sus voltajes inducidos cumplían esta misma característica, siendo el Vfem de H2 mayor al de H1. Se necesitaba equilibrar estos voltajes para que el objeto, en consecuencia, levitara. Dado que H2 era mayor, en principio el objeto era atraído al polo sur de la bobina, pero no se mantenía a flote. Por lo tanto era requerido equilibrar los campos, siendo incluso el voltaje inducido de H1 mayor al de H2. Para esto, se midieron los voltajes con un multímetro o bien con un osciloscopio. De esta forma se determinó la cantidad de voltaje necesaria para equilibrarlos. Así, se implementó una fuente de voltaje V1 añadida al voltaje inducido de H1. Luego, se restó esta suma de voltajes con el de el voltaje inducido de H2. Esta resta produjo un voltaje V01. (Hacer referencia a la Imagen 2, en la sección de resultados). Este voltaje era llevado a un circuito con un diodo y un transistor. Por lo tanto, si el voltaje inducido de H2 era incluso mayor a la suma del voltaje inducido de H1 y la fuente V1, el circuito no conducía. Era necesario que ocurriera lo contrario, y que V01 fuera ligeramente mayor a cero para que el circuito pudiera conducir. De esta forma se equilibraban de forma correcta los campos magnéticos. (Hacer referencia a la imagen 3, sección de resultados). Sin embargo, era necesario, a través del transistor, conectar el circuito a un amplificador de corriente, para que el sistema de levitación fuera posible. Cabe resaltar, por lo investigado en internet, que anterior al amplificador, se había implementado un filtro pasa altas. Sin embargo, esto desestabilizaba el sistema, y el objeto no levitaba, únicamente se adhería al polo sur de la bobina. Esto lo atribuimos a dos posiblidades: la frecuencia de corte usada debía ser más pequeña o el filtro simplemente no era necesario, necesitando de frecuencias bajas para la estabilización del sistema. Por lo tanto, se eliminó esa parte del esquema. De esta forma, y trabajando con 3A, fue posible estabilizar el sistema, haciendo posible el fenómeno de levitación magnética.

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IX. CONCLUSIONES

• Se cumplió el objetivo general de la práctica, que era experimentar el fenómeno de levitación magnética, a través de la implementación de un sistema que tuvo como base, un embobinado.

• En nuestro caso, fue necesario trabajar con una corriente relativamente alta, 3 A, para que el sistema funcionara.

• El filtro pasa altas finalmente no resultó necesario y fue incluso inconveniente para nuestro sistema.

• Estabilizando los campos magnéticos, y amplificando los voltajes fue posible observar el fenómeno de levitación magnética.