Levitação magnética


4a738e8c052d21a17810fe9b71e31ee2_originalVocê alguma vez levitou? Talvez não, nem possa… mas os seus objectos podem!

O aparecimento e generalização dos poderosos ímanes de neodimio, alguma electrónica e uma dose elevada de imaginação, permitiram a imensa criatividade que se traduziu no aparecimento de variados objectos parecem fazer levitar objectos. Alguns são tão simples que por isso mesmo parecem mágicos. Outros são objectos surpreendentes e quase misteriosos.

O vídeo mostra alguns dos mais interessantes. Objectos para a casa, objectos de prazer, gadjets sem utilidade… o filão é imenso e irá até onde a imaginação o permitir!

Quando vemos algum destes objectos é impossível não nos surpreendermos. E as mentes mais inquisitivas perguntarão como funciona.

Sob um ponto de vista físico é relativamente simples. O facto é que se baseia tão simplesmente na repulsão entre os pólos semelhantes de dois ímanes. E desse facto físico quase todos estamos conscientes, quanto mais não seja por alguma vez termos brincado com dois ímanes. E é precisamente essa força de repulsão que é usada para contrariar a gravidade!

Para criar um efeito de levitação necessitamos de contrariar a força da gravidade, sem um contacto físico. Esse contacto físico que contraria a força da gravidade é o que acontece, por exemplo, quando um objecto (que tem a sua massa, e por isso sofre a atracção gravítica da Terra, que se traduz numa força que o atrai para si, e a que chamamos “peso”) é “pousado”, por exemplo, numa mesa. Pela terceira lei de Newton, ou seja a também chamada lei da acção e reacção, a mesa exerce sobre o objecto em contacto consigo, uma força de igual módulo e direcção, mas sentido contrária, a essa força que o objecto exerce sobre a mesa devido à sua massa e à atracção gravitica da Terra, a que chamámos peso. Ora a soma das duas forças que se exercem sobre o objecto (peso e reacção da mesa) é zero, e portanto o objecto imóvel em cima da mesa permanecerá imóvel na mesma posição.

Fácil se torna agora imaginar que se para o mesmo objecto substituirmos a reacção da mesa por uma outra qualquer força igual, conseguiremos a imobilização do objecto. E indo ainda mais longe, e sabendo que o campo magnético nos permite criar e aplicar essa força  sem contacto físico, temos o fenómeno explicado: um imane no objecto, um imane na nossa base, orientados por forma a que fiquem com o mesmo pólo virado um para o outro, e que exerçam uma força de repulsão entre si perfeitamente na vertical (que é a direcção da força gravítica) e aí temos o objecto a levitar!

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Mas é assim tão simples?!!! Sim, em principio é. E a prova pode ser obtida por qualquer um, como no objecto que vemos na foto ao lado e no vídeo seguinte, a que se chama Levitron.

 

 

 

Porém, na prática, não é fácil obter o mesmo efeito para objectos maiores, ou de outras formas, e que criem campos magnéticos de diferentes configurações, já que o efeito do Levitron depende fortemente da dimensão e peso reduzido do pequeno pião, e da configuração particular do campo magnético, dado pelo toroide magnético,

É que dois imanes assim colocados, com outras formas e dimensões, provavelmente não permanecerão numa situação estável por muito tempo…  Isso exige portanto um pouquinho mais de engenharia.

As razões são simples, até: é difícil (e de certo modo impossível) criar um campo magnético exactamente com a distribuição espacial que pretendemos; por essa razão não conseguimos facilmente criar “um equivalente magnético de uma mesa”, ou seja um campo magnético que “tenha um tampo plano”. O campo magnético criado por um imane provoca sistematicamente o equivalente a um “tampo curvo”, de onde o objecto pode “escorregar” com toda a facilidade… Aliás, já a Física o prediz, a partir das próprias equações que definem os campos e forças estáticas quadráticas inversas clássicas (gravidade, campo eléctrico e campo magnético): a levitação é simplesmente impossível (ver Teorema de Earnshaw). Mas isso aplica-se apenas a sistemas com campos estáticos! Então e se não fosse o caso?!

Informalmente, a impossibilidade do equilíbrio estável de uma carga pontual num campo eléctrico estável arbitrário (e o seu equivalente para o campo magnético) é uma simples consequência da Lei de Gauss que o define fisicamente (Gauss’s law). Para uma partícula estar em equilíbrio estável, pequenas perturbações (ou “empurrões”) da partícula em qualquer direcção não deveriam quebrar o equilíbrio; a partícula deveria retornar automaticamente à sua posição de equilíbrio.

Isto significa que as linhas do campo de força em volta da posição de equilíbrio da partícula, deveriam todas apontar “para dentro”, em direcção a essa posição. Ora, se todas as linhas de campo circundantes apontam em direcção ao ponto de equilíbrio, a divergência (divergence) do campo nesse ponto seria negativa (i.e. esse ponto actuaria como um “poço”, nesse campo).

Contudo física e matematicamente, a Lei de Gauss afirma que a divergência de qualquer possível campo de força eléctrico é zero, no espaço livre. Assim sendo não há máximos ou mínimos locais do potencial de um campo no espaço livre mas, eventualmente, apenas pontos de sela. Daqui resulta que o equilíbrio estável de uma partícula nesse campo não é possível, resultando na sua instabilidade pelo menos numa direcção.

Outros pequenos problemas relacionam-se com coisas menos triviais como por exemplo o facto de a terra rodar, de ter ela própria um campo magnético, ou de um campo magnético poder induzir correntes em materiais condutores, que criam eles próprios os seus campos magnéticos que desequilibrariam eles próprios o objecto a levitar.

CULTURA/LEDTEC2 TECNOLOGIA DE LEVITAÇÃO DA LEDTEC CRÉDITO: DIVULGAÇÃOFelizmente um campo magnético não necessita de ser um campo estático, e é bem mais manipulável que um tampo de mesa… e facilmente gerado também por meios eléctricos. Acresce que o efeito dos campos magnéticos originados por dois ou por vários ímanes (ou electroíman) se somam no espaço, sendo assim possível que a manipulação (comandada por electrónica) desses campos magnéticos adicionais, permita estabilizar o objecto flutuante (e até possivelmente criar outros efeitos interessantes).

Assim sendo podemos usar uns quantos electroíman (além do íman da base) para corrigir “activamente” a posição do objecto flutuante! Assim sempre que ele “desliza” numa direcção, a electrónica de controlo deteta-o (sensores de efeito de Hall) e pode encarregar-se de activar uns quantos pequenos electroíman adicionais (visíveis no centro da fotografia ao lado) que corrijam a posição do íman “flutuante”!

E está explicado como o objecto “flutua” no espaço.

A explicação da electrónica (e poderia ser ainda mais simples, pois poderiamos fazê-lo apenas com um controlo proporcional, ou seja, dispensando o controlo diferencial apresentando), está no vídeo seguinte.

Referência

Physics behind the Levitron

Levitron: the amazinf anti-gravity top

Spin stabilized magnetic levitation – UCLA

Wikipedia – pin-stabilized magnetic levitatio

Wikipedia – Earnshaw’s theorem

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