Levitación Magnética y Superconductividad

Levitación Magnética y Superconductividad
'13
A. Badı́a Majós
Departamento de Fı́sica de la Materia Condensada–I.C.M.A.,
C.S.I.C., Universidad de Zaragoza, ESPAÑA
La levitación. . .
Superconductividad
En el ICMA. . .
Inicio
JJ
II
J
I
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Índice
1. La levitación
• Concepto.
• El problema de la estabilidad.
• Métodos de levitación.
'13
La levitación. . .
Superconductividad
En el ICMA. . .
2. Superconductividad
• Propiedades básicas.
• Modelos fı́sicos mı́nimos.
• Sistemas de levitación.
Inicio
JJ
II
J
I
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3. En el ICMA
• Investigación teórica.
• Investigación aplicada y desarrollo.
• Grupo de Superconductividad Aplicada.
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1. La levitación
'13
1.1. Concepto
La levitación. . .
Superconductividad
En el ICMA. . .
Inicio
JJ
II
J
I
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Evitar el contacto con la superficie mediante
una fuerza que compense la acción de la gravedad
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F~levitación + M~g = 0
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1. La levitación
1.1 Concepto
'13
La levitación. . .
Superconductividad
En el ICMA. . .
Inicio
JJ
II
J
I
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Evitar el contacto con la superficie mediante
una fuerza que compense la acción de la gravedad
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F~levitación + M~g = 0
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1.2. El problema de la estabilidad
En un campo de fuerzas F~ la condición matemática de equilibrio
estable en un punto P es divF~ < 0
'13
F
divF~ ≡ lim
∆V →0
H
~ s
S F · d~
∆V
S
La levitación. . .
Superconductividad
P
En el ICMA. . .
V
Inicio
JJ
II
J
I
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ESTABLE
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in ESTABLE
1.3. Métodos de levitación
'13
1. Propulsión aerodinámica
La levitación. . .
Superconductividad
En el ICMA. . .
2. Pinza láser
Inicio
3. Fuerzas magnéticas
JJ
II
J
I
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4. Estabilización dinámica
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5. Estabilización activa
Levitación magnética
'13
N
S
m
m
I
La levitación. . .
S. Earnshaw, 1842
Superconductividad
En el ICMA. . .
La energı́a en un campo magnético
~ ≡ −k B·
~ B
~
~ B
U=-m·
divF~ = −div gradU = k∆B 2
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JJ
II
J
I
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Con carácter general
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∆B 2 ≥ 0
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divF~ < 0 ⇒ k < 0
(Diamagnetismo)
Imanes permanentes
'13
Levitación inestable
La levitación. . .
Superconductividad
En el ICMA. . .
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JJ
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J
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Inestabilidad lateral
Inestabilidad vertical
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Esquivando a Earnshaw: imanes permanentes
'13
Estabilización dinámica
La levitación. . .
Superconductividad
En el ICMA. . .
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II
J
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Roy Harrigan, 1976
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'13
Esquivando a Earnshaw: diamagnetos
La levitación. . .
Superconductividad
En el ICMA. . .
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II
J
I
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Diamagnetismo intrı́nseco:k peque~
no
Superconductividad:
k máximo
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2. Superconductividad
2.1. Propiedades básicas: resumen
'13
La levitación. . .
Superconductividad
En el ICMA. . .
H. Kammerling Onnes, 1911
F. London, 1948
W. Meissner, 1933
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JJ
II
J
I
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R
B=0
R=0
~ · d~s = nΦ0
B
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n = 0, 1, 2, . . .
h
Φ0 =
2e
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2.2. Propiedades básicas: fundamentos
'13
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Superconductividad
En el ICMA. . .
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II
J
I
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Cuantización de flujo
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Electrones vs. Superelectrones
R 6= 0 vs. R = 0
2.3. Propiedades básicas: SC tipo-II
'13
La levitación. . .
Superconductividad
En el ICMA. . .
A.A. Abrikosov, 1957
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II
J
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Red de Vórtices
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2.4. Levitación con superconductores: tipo-I
'13
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Superconductividad
En el ICMA. . .
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II
J
I
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Levitación inestable
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Levitación estable
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Levitación con superconductores tipo I: inicios
'13
La levitación. . .
Superconductividad
En el ICMA. . .
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II
J
I
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V. K. Arkadiev, 1947
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2.5. Levitación con superconductores tipo II
'13
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Superconductividad
En el ICMA. . .
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Levitación estable
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Estabilidad lateral
'13
Levitación con superconductores tipo II: presente
La levitación. . .
Superconductividad
En el ICMA. . .
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II
J
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Southwest Jiaotong University,
Chengdu, China
Technische Universität,
Dresden, Alemania
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Levitación con superconductores: futuro
'13
Confidential: not for distribution. Submitted to IOP Publishing for peer review 22 January 2013
Development of Superconducting Maglev and
Promotion of Chuo Shinkansen - Motoaki Terai,
Central Japan Railway Company
The Environmental Challenge – Central Japan
Railway Company (JR Central) is a passenger railway
with its commencement on 1987 upon the privatization
and division of the Japanese National Railways (JNR).
The core of JR Central’s operation is the Tokaido
Shinkansen, the world’s first high speed railway. JR
Central is also actively working on technological
development of high speed railway. The Tokaido
Shinkansen is the main artery linking Japan’s two
largest metropolitan areas, Tokyo and Osaka. Through
various efforts to maximize its transport capacity, the
Tokaido Shinkansen now carries 390 thousand
passengers daily and 143 million passengers yearly,
and it is gaining annual operation revenues of 1 trillion
JPY (12 billion US$). (FY 2011)
La levitación. . .
Superconductividad
En el ICMA. . .
Figure 1 - Superconducting Maglev
Inicio
JJ
II
J
I
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High speed railway
is environmentally
friendly. For
Volkswagen’s
hover
car concept
example, CO2 emission of the Tokaido Shinkansen,
total distance of about 515km with journey time of
around 2.5 hours, is approximately one-tenth of
airplane’s emission. Nevertheless, airplane takes
considerable portion of the market share between
Tokyo and Osaka (keeping 16% market share; 100
departures per day). To attract more passengers from
airplane, the current maximum speed has to be
increased (270km/h to 500km/h) so that the journey
time will be shortened to an hour. However, further
speed increase by conventional high speed railway will
create various problems such as increase of noise and
vibration by interaction between wheel - rail or
overhead catenary – pantograph, and increase of power
Figure 2 - Superconducting Maglev (general description)
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Chuo
Japan
Overview
and Shinkansen,
status – Research on next
generation
ultra high speed transport system began in Japan from
1962, two years before inauguration of the Tokaido
Shinkansen. It was aimed to realize mass transport
system that will connect Tokyo and Osaka in about an
hour. This target has not been changed since then.
During the first phase of the research, which was
conducted at the Railway Technical Research Institute
of JNR, various types of high speed railway
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3. En el ICMA
'13
Divulgación / Investigación
La levitación. . .
Superconductividad
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J
I
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Simulación numérica
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Prototipos experimentales
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'13
Divulgación: American Association of Physics Teachers
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Superconductividad
En el ICMA. . .
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I
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Investigación teórica: métodos variacionales discretos
Min
X
1X
ξi,n+1 Mijx ξj,n+1 −
ξi,n Mijx ξj,n+1
2 i,j
i,j
'13
X
1X
+
ψi,n+1 Mijy ψj,n+1 −
ψi,n Mijy ψj,n+1
2 i,j
i,j
+ µ0
P
+ µ0
P
i ξi,n+1 (hx0,n+1
i
− hx0,n )
ψi,n+1 (hy0,n+1 − hy0,n )
La levitación. . .
Superconductividad
En el ICMA. . .
2
para (1 − h2x,i )ξi2 + (1 − h2y,i )ψi2 − 2hx,i hy,i ξi ψi ≤ jc⊥
2
y h2x,i ξi2 + h2y,i ψi2 + 2hx,i hy,i ξi ψi ≤ jck
Inicio
JJ
II
J
I
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Mijx = Mijy ≡ 1 + 2 [min {i, j}]
1
y
x
Mii = Mii ≡ 2
+i−1
4
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Método de Elementos Finitos, Teorı́a de Control Óptimo
? Los vórtices se mueven como “Sidewinders”
'13
La levitación. . .
Superconductividad
En el ICMA. . .
3
2
1
Inicio
+
JJ
II
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0.1 d
3
4
5
6
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0
−
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web
−0.1 d
−w
0
Investigación aplicada
'13
La levitación. . .
Superconductividad
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Alimentación 600A (CERN)
Inicio
JJ
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Voltio patrón espa~
nol
Superconductores flexibles
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Colaboración con el Departamento de IE
'13
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Superconductividad
En el ICMA. . .
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J
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Rotor magnético levitante
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J. Letosa, M. Samplón, C. López, A. Usón, J. Mur, A. Pardina
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Grupo de Superconductividad Aplicada
Rafael Navarro Linares *
Hippolyte Amaveda *
Luis Alberto Angurel Lambán *
Antonio Badía Majós ⁑
Francisco Lera García ⁂
Mª Antonieta Madre Sediles *
Elena Martínez Fernández *
Mario Mora Alonso *
José Antonio Rojo Martínez *
Andrés Sotelo Mieg *
'13
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Superconductividad
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JJ
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I
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* DEPARTAMENTO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE MATERIALES Y FLUIDOS
⁑ DEPARTAMENTO DE FÍSICA DE LA MATERIA CONDENSADA
⁂ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y COMUNICACIONES
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Además:
Carlos López (UAH), Conrado Rillo, Agustín Camón (CSIC)
web
'13
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Superconductividad
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