Marc teòric
Introducció
En aquest treball es toquen alguns temes no molt coneguts, de manera que el marc teòric té com a utilitat donar la informació i coneixement necessaris per a qualsevol possible lector. Espero que s'entengui tot el que intentaré explicar.
Magnetisme
El magnetisme és una força, i junt amb la força elèctrica és una de les quatre forces elementals. Aquestes quatre forces elementals són la gravetat, la força nuclear feble, la força nuclear forta i la força electromagnètica. A nosaltres ens interessen les forces magnètiques i elèctriques, les quals es consideren una mateixa degut a que estan molt relacionades i s’afecten la una a la altra (ho va demostrar Maxwell amb les seves equacions). Un exemple són els electroimants, els quals creen un camp magnètic al fer passar corrent elèctrica per un cable enrotllat (una bobina).
La força magnètica és la que més ens interessa en aquest treball, i és una força que atrau o repel dos objectes amb camp magnètic. Tots els objectes magnètics tenen dos pols, el positiu i el negatiu. Aquests pols tenen una força d’atracció envers el pol oposat de l’altre objecte, i una força de repulsió respecte el mateix pol de l’altre objecte. De manera que, per exemple, el pol nord de la terra té una força d’atracció respecte el pol sud d’una brúixola, i una força de repulsió respecte el pol nord de la brúixola, és per això que aquesta ens indica on està el nord.
Aquests pols són deguts a l’alineació dels electrons de l’objecte, de manera que si els electrons no estan alineats, l’objecte no té un camp magnètic. Per exemple, el ferro pot magnetitzar-se (alinear electrons) i que tingui un camp magnètic, o pot no tenir-ne cap, més endavant en parlarem més a fons. Una cosa molt important i interessant és que, si aquest imant es talla per la meitat, cada meitat continua sent un imant amb pol nord i pol sud, ja que en el fons aquest imant està fet per moltíssims imants, els electrons, que tenen un pol nord i un pol sud. Això fa que un imant es pugui anar fent petit, fins a arribar a ser tant petit com un electró. Una possible manera d’entendre-ho és que varis imants s’uneixen per a fer-ne un de més gran, i de la mateixa manera aquest imant gran està fet d’imants petits, aquests imants petits estan fets d’imants més petits encara.
Una altra cosa interessant del magnetisme és com responen els materials a una força magnètica. Hi ha materials que reaccionen de diferentes maneres:
Ferromagnètics:
Els materials ferromagnètics són aquells que al estar sota l'influència d'un camp magnètic es magnetitzen i poden quedar magnetitzats un temps (és així com es fan els imants). El camp magnètic que creen, és oposat al del camp magnètic exterior, de manera que es senten atrets cap al camp magnètic. Es pot veure clarament en aquesta imatge:
Alguns materials ferromagnètics són el ferro, el manganès, el níquel, i totes les aleacions amb el ferro.
Diamagnetisme:
Els materials diamagnètics també reaccionen a un camp magnètic, però la seva reacció és molt més fluixa. A més, la seva reacció és crear un camp magnètic amb la mateixa polaritat que el camp magnètic extern, de manera que es repel·len. Un d'aquests materials és l'aigua, i això ha permès que en laboratoris amb electroimants molt potents s'hagi aconseguit fer levitar éssers vius com granotes, ja que estan formades principalment per aigua.
Paramagnetisme:
Els materials paramagnètics són similars als ferromagnètics, però la seva reacció és molt més fluixa. Alguns d'aquests materials són l'alumini i l'oxigen.
Tipus d'imants
Hi ha dos tipus d’imants, els permanents i els temporals. Els temporals, com ja hem vist abans, són electroimants que generen un camp magnètic al passar corrent elèctrica per una bobina. El imants permanents, són aquells que tenen un camp magnètic constant. D’imants permanents n’hi ha de varis tipus, els quals tenen diferents propietats en els seus camps magnètics. Els que es jo he pensat en utilitzar en el meu treball de recerca són els imants de ferrita i els de neodimi, junt amb els electroimants per a fer que el tren es desplaci.
Imants de ferrita:
Els imants de ferrita són els més utilitzats en productes magnètics senzills, com per exemple un imant per a la nevera de la cuina. Tenen un camp magnètic fluix, de manera que requereixen més espai (i per tant, pes) per a fer la mateixa feina que un imant de neodimi. Tot i així, són els imants més barats, i això és el que els fa més atractius a la hora d’escollir un tipus d’imant.
Estan fets a partir d’una barreja de ceràmica amb òxid de ferro, i és per això que també se’ls pot conèixer com a imants permanents ceràmics. Són ferrimagnètics, de manera que es poden imantar per a fer un imant, però per l’altra banda també poden perdre el seu camp magnètic si estan molt temps en contacte amb altres imants permanents més potents, com els imants de neodimi.
Jo he decidit provar-los per a veure si els acabo fent servir en el meu projecte, principalment per dos raons:
La primera és el seu preu, i és que són significativament més barats que els imants de neodimi. La segona és que no tenen un camp magnètic tant fort, i això pot ser útil a la hora de fer el meu tren: tot i que sembli contradictori, tampoc vull que hi hagi una gran força de repulsió entre el tren i la via, ja que d’aquesta manera el tren està menys elevat i és més estable.
Imants de neodimi:
Els imants de neodimi, també són tant populars com els imants de ferrita, però en productes més complexos o seriosos. El seu camp magnètic és més fort que el dels imants de ferrita, i a diferència d’ells, casi no perden força al llarg del temps o a causa d’una llarga exposició a un camp magnètic fort. Tot i així, tenen dos desavantatges respecte els imants de ferrita: una és el preu, i l’altre és que a partir de temperatures properes als 80º C comencen a perdre facultats magnètiques (els imants de ferrita a 250º C). Ara bé, si els volgués refredar a temperatures molt baixes per a que tinguéssin un camp magnètic més estable, serien millors els imants de neodimi, ja que els imants de ferrita a partir de -40º C perden part de la seva magnetització.
Se’ls coneix com a imants de terres rares, ja que un dels elements del qual estan formats (neodimi) pertany al grup d’elements coneguts com a terres rares. També estan formats per ferro i bor, i normalment estan recoberts de níquel per a que no s’oxidin. Hi ha dos processos diferents per a obtenir imants de neodimi, la sinterització i la solidificació ràpida. La principal diferència és que el procés de solidificació ràpida permet fer formes complexes, però els imants són menys potents. És per això que els imants que jo he comprat estan fets a partir de la sinterització, degut a que tenen unes formes geomètriques molt senzilles.
Jo he decidit provar-los en aquest projecte principalment pel seu reduït volum, que pot ser molt útil a l’hora de posar imants al tren, ja que d’aquesta manera serà més lleuger, haurà de ser menys voluminós per a encabir els imants.
Imants superconductors:
Tot i que no he pensat en utilitzar-los al meu treball de recerca, he pensat que és important mencionar-los, ja que són els que s’utilitzen en els trens de levitació magnètica actuals. Aquests imants són materials a molt baixes temperatures (4º C per sobre el zero absolut com a màxim), que com a conseqüència són molt bons conductors (de manera resumida: els seus àtoms vibren menys, i als electrons els hi costa menys desplaçar-se). A partir d’aquí hi ha dos tipus d’imants diferents:
Uns imants són bastant similars als electroimants, excepte que el cable del que estan formats és d’un material superconductor refredat per hidrogen o heli líquid. Això fa que el seu camp magnètic sigui molt més potent que els dels electroimants normals, i a més siguin molt més eficients, ja que casi no es perd energia al passar electricitat pel cable. Són els que s’utilitzen en trens amb suspensió electrodinàmica. El fet de que siguin elèctrics i creïn un camp magnètic que es pot controlar, és un gran avantatge, ja que gràcies a la computació aquests imants poden canviar i adaptar el seu camp magnètic constantment per a que el tren no es desequilibri, com es pot veure al model SCMaglev del Japó.
Els altres tipus d’imants superconductors són materials diamagnètics refrigerats també amb algun gas (heli o hidrogen) en estat líquid. Al ser diamagnètics, responen a un camp magnètic proper creant-ne un que el canceli, de manera que leviten. Això es coneix com a efecte Meissner, i no s’utilitza per a fer trens de levitació magnètica ja que el camp magnètic de l’imant és molt feble, i no pot aguantar molt pes.
Arduino
Arduino és una placa de circuit feta open source, això vol dir que no té ànim de lucre, tothom pot utilitzar el seu disseny sense pagar-ne els drets d'autor. Hi ha diversos tipus de plaques, però la que jo utilitzaré és la Arduino UNO. Aquesta placa té diferents pins (entrades on hi pots connectar un cable) que li permeten rebre informació (input) i enviar informació (output). A més, té un processador on pot processar informació (dels inputs) i a partir d'aquesta informació activar o desactivar elements connectats a la placa. Alguns d'aquests elements poden ser leds, sensors, relays, i un llarg etc. El llenguatge de programació que s'utilitza està inspirat un anomenat Processing, el qual és molt semblant al llenguatge C.
En aquesta imatge podem veure l'esquema d'un Arduino UNO, i el que es veu a primera vista és la gran quantitat de coses que té. Jo només n'utilitzaré unes quantes, i són les següents:
1)
Aquí és on es connecta un cable que acaba amb USB, i això es connecta a un ordinador. Això alimenta l'Arduino amb 5V, i també li pot enviar informació i rebre'n. Per exemple, és per aquí per on es s'envia el programa a l'Arduino.
2)
Aquests són els pins analògics, això vol dir que només poden rebre informació (input).
3)
Si un element electrònic necessita corrent, es connecta a aquest pin (5V). Si hi ha més elements que ho necessitin, el que es fa és utilitzar una placa de proves.
4)
Aquests pins (GND) es fan servir per a tancar el circuit d'un element electrònic que estigui connectat a l'Arduino. És a dir, és on es connecta el cable negatiu.
5)
Aquests pins (del 2 al 13) serveixen tant per a rebre informació (input) com per a enviar-ne (output), es coneixen com a pins digitals.
6)
Aquests dos pins (0 i 1) poden utilitzar-se per al mateix que la resta de pins digitals, però també envien i reben informació, com l'USB (1). Per això, quan aquests s'utilitzen com a pins digitals, no es pot enviar o rebre informació de l'ordinador, ja que es barrejarien les dades, sent inútils i fent que l'element electrònic connectat al pin 0 i/o 1 no funcionés de la manera desitjada.
