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 Página 1 de 25 Volver Pantalla completa Cerrar Salir web 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 Página 2 de 25 3. En el ICMA • Investigación teórica. • Investigación aplicada y desarrollo. • Grupo de Superconductividad Aplicada. Volver Pantalla completa Cerrar Salir web 1. La levitación '13 1.1. Concepto La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Inicio JJ II J I Página 3 de 25 Volver Evitar el contacto con la superficie mediante una fuerza que compense la acción de la gravedad Pantalla completa Cerrar Salir F~levitación + M~g = 0 web 1. La levitación 1.1 Concepto '13 La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Inicio JJ II J I Página 3 de 25 Evitar el contacto con la superficie mediante una fuerza que compense la acción de la gravedad Volver Pantalla completa Cerrar Salir F~levitación + M~g = 0 web 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 Página 4 de 25 Volver Pantalla completa Cerrar Salir ESTABLE web 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 Página 5 de 25 Volver 4. Estabilización dinámica Pantalla completa Cerrar Salir web 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 Inicio JJ II J I Página 6 de 25 Volver Con carácter general Pantalla completa Cerrar ∆B 2 ≥ 0 Salir web divF~ < 0 ⇒ k < 0 (Diamagnetismo) Imanes permanentes '13 Levitación inestable La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Inicio JJ II J I Página 7 de 25 Volver Pantalla completa Cerrar Inestabilidad lateral Inestabilidad vertical Salir web Esquivando a Earnshaw: imanes permanentes '13 Estabilización dinámica La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Inicio JJ II J I Página 8 de 25 Volver Pantalla completa Cerrar Salir Roy Harrigan, 1976 web '13 Esquivando a Earnshaw: diamagnetos La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Inicio JJ II J I Página 9 de 25 Volver Diamagnetismo intrı́nseco:k peque~ no Superconductividad: k máximo Pantalla completa Cerrar Salir web 2. Superconductividad 2.1. Propiedades básicas: resumen '13 La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . H. Kammerling Onnes, 1911 F. London, 1948 W. Meissner, 1933 Inicio JJ II J I Página 10 de 25 Volver R B=0 R=0 ~ · d~s = nΦ0 B Pantalla completa Cerrar Salir n = 0, 1, 2, . . . h Φ0 = 2e web 2.2. Propiedades básicas: fundamentos '13 La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Inicio JJ II J I Página 11 de 25 Cuantización de flujo Volver Pantalla completa Cerrar Salir web 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 Inicio JJ II J I Página 12 de 25 Volver Pantalla completa Cerrar Salir Red de Vórtices web 2.4. Levitación con superconductores: tipo-I '13 La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Inicio JJ II J I Página 13 de 25 Volver Pantalla completa Cerrar Levitación inestable Salir Levitación estable web Levitación con superconductores tipo I: inicios '13 La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Inicio JJ II J I Página 14 de 25 Volver V. K. Arkadiev, 1947 Pantalla completa Cerrar Salir web 2.5. Levitación con superconductores tipo II '13 La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Inicio JJ II J I Página 15 de 25 Volver Pantalla completa Levitación estable Cerrar Salir web Estabilidad lateral '13 Levitación con superconductores tipo II: presente La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Inicio JJ II J I Página 16 de 25 Southwest Jiaotong University, Chengdu, China Technische Universität, Dresden, Alemania Volver Pantalla completa Cerrar Salir web 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 Página 17 de 25 Volver 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) Pantalla completa Cerrar 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 Salir web 3. En el ICMA '13 Divulgación / Investigación La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Inicio JJ II J I Página 18 de 25 Volver Pantalla completa Cerrar Simulación numérica Salir Prototipos experimentales web '13 Divulgación: American Association of Physics Teachers La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Inicio JJ II J I Página 19 de 25 Volver Pantalla completa Cerrar Salir web 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 Página 20 de 25 Mijx = Mijy ≡ 1 + 2 [min {i, j}] 1 y x Mii = Mii ≡ 2 +i−1 4 Volver Pantalla completa Cerrar Salir web 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 J I Página 21 de 25 Volver 0.1 d 3 4 5 6 Pantalla completa Cerrar 0 − Salir web −0.1 d −w 0 Investigación aplicada '13 La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Alimentación 600A (CERN) Inicio JJ II J I Página 22 de 25 Volver Pantalla completa Cerrar Salir Voltio patrón espa~ nol Superconductores flexibles web Colaboración con el Departamento de IE '13 La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Inicio JJ II J I Página 23 de 25 Volver Pantalla completa Rotor magnético levitante Cerrar J. Letosa, M. Samplón, C. López, A. Usón, J. Mur, A. Pardina Salir web 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 La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Inicio JJ II J I Página 24 de 25 Volver * DEPARTAMENTO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE MATERIALES Y FLUIDOS ⁑ DEPARTAMENTO DE FÍSICA DE LA MATERIA CONDENSADA ⁂ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y COMUNICACIONES Pantalla completa Cerrar Salir Además: Carlos López (UAH), Conrado Rillo, Agustín Camón (CSIC) web '13 La levitación. . . Superconductividad En el ICMA. . . Inicio JJ II J I Página 25 de 25 Volver Pantalla completa Cerrar Salir web