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Os trens levantados magneticamente são comuns hoje em dia. Contudo, o trem maglev que a Central de A Pane Railway Company desenvolveu é bem único e superior aos outros trens. Percorrendo a mais de 600 km por hora, ele alcançou o status de trem mais rápido.
Esse trem usa ímãs supercondutores, por isso é chamado de SC maglev. Uma vez carregados com uma corrente de excitação, os ímãs supercondutores desse trem produzem uma cê circulante e um forte campo magnético externo com perda zero. Vamos entender mais sobre esta tecnologia de trem testada com sucesso, que é projetada para superar outras tecnologias de levitação magnética até o ano de 2027.
A mesma tecnologia deve conectar a cidade de Nova York a Washington DC em apenas uma hora até 2030. E agora, para operar com sucesso um trem levitado magneticamente, temos que atingir os três objetivos a seguir: um, propulsão; dois, levitação; e três, orientação.
Contudo, antes de entrarmos nos detalhes de como o trem SC maglev atinge esses objetivos, vamos estudar sobre o coração deste trem: os ímãs supercondutores.
Os trens de levitação requerem eletroímãs extremamente poderosos. Quanto mais fortes os ímãs, mais forças de sustentação e força de propulsão eles têm, resultando em maior velocidade do trem. Um eletroímã normal não é capaz de aumentar o valor da corrente além de um certo limite, devido ao problema de aquecimento.
Nos eletroímãs supercondutores, a temperatura do condutor é reduzida abaixo de um limite crítico. Depois disso, o material de repente produz uma grande quantidade de fluxo de corrente com resistência zero. Esse resultado é exatamente o que queremos. O interessante é que você só precisa carregar a bobina supercondutora uma vez usando uma corrente de excitação, para que as bobinas em curto-circuito produzam uma cê circulante externa sem perda de energia.
A corrente circulada pelas bobinas supercondutoras é enorme: 700 kg amperes, quase 10 mil vezes o valor da corrente dos fios convencionais de cobre para uso doméstico. Os eletroímãs supercondutores são obviamente os eletroímãs mais poderosos e eficientes.
O desafio é manter as bobinas em um estágio supercondutor. Para este propósito, um sistema de refrigeração com hélio líquido a bordo é usado. O supercondutor do trem SC maglev é uma liga de nióbio e titânio que tem uma temperatura crítica de 9,2 Kelvin. Para manter a temperatura da liga abaixo desse limite, o hélio líquido, a uma temperatura de 4,5 Kelvin, é circulado em torno dela.
Depois de passar pelo condutor, o hélio líquido evapora. Para trazê-lo de volta ao estágio inicial, utiliza-se um compressor de hélio e uma unidade de refrigeração. A unidade de refrigeração funciona segundo o princípio do ciclo de refrigeração Guifood McMahon.
Ainda assim, a tarefa de engenharia do departamento criogênico ainda não terminou. O supercondutor pode absorver calor de fora na forma de radiação. Para evitar que essa absorção ocorra, um escudo de radiação é adicionado ao seu redor. Contudo, durante a operação do trem, a formação de correntes parasitas e problemas de aquecimento podem acontecer nesta blindagem.
Para neutralizar esse aquecimento, o escudo de radiação também precisa de resfriamento, que é conseguido fornecendo o nitrogênio líquido para a unidade. Para evitar a transferência de calor por convecção, um vácuo é mantido dentro do escudo de radiação.
Quatorze desses supercondutores com polaridade de corrente oposta são dispostos em uma unidade. Embora em um SC maglev os eletroímãs funcionem sem qualquer fonte de alimentação, o departamento criogênico exige uma boa quantidade de energia. Muitas unidades são fixadas ao longo do comprimento do trem, em ambos os lados.
Como mencionado, a primeira tarefa é a propulsão. Proporcionar o trem para frente é uma tarefa fácil. Para isso, usamos uma série de eletroímãs normais chamados de bobinas de propulsão. As bobinas de propulsão são alimentadas de uma maneira alternada, conforme mostrado, e são colocadas dentro de uma guia.
Então, precisamos descobrir a força que as bobinas de propulsão estão produzindo nos ímãs supercondutores do trem. Observe que, para entender a direção da força que um ímã produz no outro, você apenas precisa considerar os polos mais próximos.
Dessa forma, vamos analisar a força que atua nas bobinas supercondutoras devido às bobinas de propulsão. Se você pegar o resultado de todas essas forças, a força resultante estará na direção para frente. Então, o trem se moverá para frente. Assim que o trem alcança a próxima posição, mude as bobinas de propulsão para a polaridade alternada, de modo que a força resultante esteja novamente na direção para frente.
Apenas controlando a frequência dessa comutação, você pode controlar a velocidade do trem. Vamos agora para a parte mais interessante dessa tecnologia: a levitação dos trens SC maglev. Você pode se surpreender ao saber que a levitação do trem SC maglev é alcançada com a ajuda dessas bobinas simples em forma de oito, que nem são alimentadas.
Muitas dessas bobinas em forma de oito estão dispostas na guia. Para entender a tecnologia de levitação, devemos primeiro aprender algo sobre a natureza de um par de ímãs supercondutores SC.
Esse trem usa ímãs supercondutores, por isso é chamado de SC maglev. Uma vez carregados com uma corrente de excitação, os ímãs supercondutores desse trem produzem uma cê circulante e um forte campo magnético externo com perda zero. Vamos entender mais sobre esta tecnologia de trem testada com sucesso, que é projetada para superar outras tecnologias de levitação magnética até o ano de 2027.
A mesma tecnologia deve conectar a cidade de Nova York a Washington DC em apenas uma hora até 2030. E agora, para operar com sucesso um trem levitado magneticamente, temos que atingir os três objetivos a seguir: um, propulsão; dois, levitação; e três, orientação.
Contudo, antes de entrarmos nos detalhes de como o trem SC maglev atinge esses objetivos, vamos estudar sobre o coração deste trem: os ímãs supercondutores.
Os trens de levitação requerem eletroímãs extremamente poderosos. Quanto mais fortes os ímãs, mais forças de sustentação e força de propulsão eles têm, resultando em maior velocidade do trem. Um eletroímã normal não é capaz de aumentar o valor da corrente além de um certo limite, devido ao problema de aquecimento.
Nos eletroímãs supercondutores, a temperatura do condutor é reduzida abaixo de um limite crítico. Depois disso, o material de repente produz uma grande quantidade de fluxo de corrente com resistência zero. Esse resultado é exatamente o que queremos. O interessante é que você só precisa carregar a bobina supercondutora uma vez usando uma corrente de excitação, para que as bobinas em curto-circuito produzam uma cê circulante externa sem perda de energia.
A corrente circulada pelas bobinas supercondutoras é enorme: 700 kg amperes, quase 10 mil vezes o valor da corrente dos fios convencionais de cobre para uso doméstico. Os eletroímãs supercondutores são obviamente os eletroímãs mais poderosos e eficientes.
O desafio é manter as bobinas em um estágio supercondutor. Para este propósito, um sistema de refrigeração com hélio líquido a bordo é usado. O supercondutor do trem SC maglev é uma liga de nióbio e titânio que tem uma temperatura crítica de 9,2 Kelvin. Para manter a temperatura da liga abaixo desse limite, o hélio líquido, a uma temperatura de 4,5 Kelvin, é circulado em torno dela.
Depois de passar pelo condutor, o hélio líquido evapora. Para trazê-lo de volta ao estágio inicial, utiliza-se um compressor de hélio e uma unidade de refrigeração. A unidade de refrigeração funciona segundo o princípio do ciclo de refrigeração Guifood McMahon.
Ainda assim, a tarefa de engenharia do departamento criogênico ainda não terminou. O supercondutor pode absorver calor de fora na forma de radiação. Para evitar que essa absorção ocorra, um escudo de radiação é adicionado ao seu redor. Contudo, durante a operação do trem, a formação de correntes parasitas e problemas de aquecimento podem acontecer nesta blindagem.
Para neutralizar esse aquecimento, o escudo de radiação também precisa de resfriamento, que é conseguido fornecendo o nitrogênio líquido para a unidade. Para evitar a transferência de calor por convecção, um vácuo é mantido dentro do escudo de radiação.
Quatorze desses supercondutores com polaridade de corrente oposta são dispostos em uma unidade. Embora em um SC maglev os eletroímãs funcionem sem qualquer fonte de alimentação, o departamento criogênico exige uma boa quantidade de energia. Muitas unidades são fixadas ao longo do comprimento do trem, em ambos os lados.
Como mencionado, a primeira tarefa é a propulsão. Proporcionar o trem para frente é uma tarefa fácil. Para isso, usamos uma série de eletroímãs normais chamados de bobinas de propulsão. As bobinas de propulsão são alimentadas de uma maneira alternada, conforme mostrado, e são colocadas dentro de uma guia.
Então, precisamos descobrir a força que as bobinas de propulsão estão produzindo nos ímãs supercondutores do trem. Observe que, para entender a direção da força que um ímã produz no outro, você apenas precisa considerar os polos mais próximos.
Dessa forma, vamos analisar a força que atua nas bobinas supercondutoras devido às bobinas de propulsão. Se você pegar o resultado de todas essas forças, a força resultante estará na direção para frente. Então, o trem se moverá para frente. Assim que o trem alcança a próxima posição, mude as bobinas de propulsão para a polaridade alternada, de modo que a força resultante esteja novamente na direção para frente.
Apenas controlando a frequência dessa comutação, você pode controlar a velocidade do trem. Vamos agora para a parte mais interessante dessa tecnologia: a levitação dos trens SC maglev. Você pode se surpreender ao saber que a levitação do trem SC maglev é alcançada com a ajuda dessas bobinas simples em forma de oito, que nem são alimentadas.
Muitas dessas bobinas em forma de oito estão dispostas na guia. Para entender a tecnologia de levitação, devemos primeiro aprender algo sobre a natureza de um par de ímãs supercondutores SC.
O campo magnético resultante produzido por este par de ímãs SC é muito semelhante a um ímã permanente longo. Para simplificar a análise, vamos substituir este par por uma barra magnética longa. Se uma barra magnética se mover paralelamente a essas bobinas em forma de oito, você pode prever o que acontecerá.
O fluxo magnético variável irá induzir CM em ambos os loops, de acordo com a Lei de Faraday. Esses campos eletromagnéticos estão na mesma direção. Observe que esta é uma bobina torcida. Somente quando a desenrolarmos entenderemos a direção certa. É claro que os CM induzidos são opostos na direção, o que significa que o CM líquido induzido nesta bobina devido ao movimento do ímã em barra é zero e nenhuma corrente fluirá através do loop.
Resumindo, uma barra magnética movendo-se através do centro do loop não terá qualquer efeito no loop. Agora, considere o mesmo caso, mas desta vez o ímã está ligeiramente deslocado para o loop. Como mostrado, o loop inferior enfrenta um fluxo magnético de força maior, o que significa que o CM induzido no loop inferior será maior do que no topo.
Essa força mais alta também significa que uma corrente resultante fluirá pelo circuito. Este fluxo de corrente produz um polo sul no loop superior e um polo norte no loop inferior. Se você analisar a interação de força entre os polos magnéticos, é claro que uma força ascendente resultante é imposta ao ímã supercondutor.
Se essa força for maior do que a atração gravitacional, o ímã se moverá para cima. Sim, o movimento de um ímã supercondutor paralelo e deslocado a uma bobina em forma de oito produz levitação. Conforme o ímã se move para cima, a diferença entre os valores do CM e o fluxo de corrente no loop diminui, o que significa que a força no loop também diminui.
Finalmente, quando a força para cima se torna igual à atração gravitacional, o ímã se equilibra e o trem alcança a levitação. Os engenheiros japoneses alcançaram a levitação de 3,9 polegadas usando essa tecnologia.
É claro que, quanto maior a velocidade do trem, maior a força de levitação, o que significa que, quando o trem está em repouso, ele não pode levitar. É por isso que o trem SC maglev usa pneus normais para a partida e operação em baixa velocidade. Quando o trem atinge uma velocidade crítica, os pneus se retraem, pois a força eletromagnética é forte o suficiente para levitar o trem.
Em seguida vem a questão da orientação do trem. Orientação significa que o trem deve estar sempre centrado. Ele deve se mover sem bater nas paredes laterais. Em outras palavras, ele deve atingir estabilidade lateral.
Os engenheiros japoneses alcançaram essa estabilidade facilmente, interconectando as bobinas em forma de oito que vimos anteriormente, como mostrado. Se o trem estiver no centro, os CM induzidos nas bobinas direita e esquerda serão iguais e nenhuma corrente fluirá pelas bobinas de interconexão.
Contudo, suponha que o trem tenha se movido ligeiramente para a direita. Essa mudança causará uma interferência no CM entre as bobinas direita e esquerda, resultando em um fluxo de corrente nas bobinas de interconexão. O fluxo de corrente através das bobinas de interconexão afetará drasticamente o fluxo de correntes em ambos os loops inferiores e, assim, a força do polo de cada loop.
Vamos analisar as forças que atuam no trem. Agora, você pode ver que os componentes verticais das forças permanecem os mesmos, mas um componente horizontal resultante se manifesta para a esquerda, o que força o trem a se mover de volta para o centro. Conforme o trem se aproxima do centro, as correntes nos loops de interconexão diminuem e, finalmente, o componente horizontal da força desaparece.
É um mecanismo fácil e brilhante para estabilizar o trem, não é? Com base na discussão até agora, você pode entender que o sistema criogênico do trem e outros aparelhos elétricos requerem uma grande quantidade de energia elétrica.
E como você transfere energia elétrica para um trem de alta velocidade? A Central de A Pane Railway usou uma técnica chamada coleta de energia indutiva para este propósito. Aqui, usando o princípio da indução eletromagnética, a energia elétrica é transferida das bobinas de aterramento para a bobina de coleta de energia no trem, sem nenhum contato com o material.
O forte campo magnético produzido pelos ímãs supercondutores pode ser prejudicial à saúde dos passageiros. Para evitar esse efeito indesejado, escudos magnéticos são usados no material circulante e nas instalações de embarque de passageiros, mantendo assim a intensidade do campo magnético abaixo das diretrizes da ISCMSP.
Os passeios de teste do trem SC maglev começaram em 1997 na linha de teste Yamanashi Maglev. Os passeios de teste foram bem-sucedidos e continuaram por dez anos consecutivos, sem perder um único dia. Um recorde mundial de velocidade de 603 km por hora foi alcançado durante esse tempo.
Esses resultados altamente positivos encorajaram as autoridades japonesas e elas consideram permissão para conduzir operações comerciais do SC maglev entre Tóquio e Nagoya até o ano de 2027, com mais trens SC maglev a seguir. Antes de sair, por favor, não se esqueça de fazer parte da nossa equipe. Obrigado.
O fluxo magnético variável irá induzir CM em ambos os loops, de acordo com a Lei de Faraday. Esses campos eletromagnéticos estão na mesma direção. Observe que esta é uma bobina torcida. Somente quando a desenrolarmos entenderemos a direção certa. É claro que os CM induzidos são opostos na direção, o que significa que o CM líquido induzido nesta bobina devido ao movimento do ímã em barra é zero e nenhuma corrente fluirá através do loop.
Resumindo, uma barra magnética movendo-se através do centro do loop não terá qualquer efeito no loop. Agora, considere o mesmo caso, mas desta vez o ímã está ligeiramente deslocado para o loop. Como mostrado, o loop inferior enfrenta um fluxo magnético de força maior, o que significa que o CM induzido no loop inferior será maior do que no topo.
Essa força mais alta também significa que uma corrente resultante fluirá pelo circuito. Este fluxo de corrente produz um polo sul no loop superior e um polo norte no loop inferior. Se você analisar a interação de força entre os polos magnéticos, é claro que uma força ascendente resultante é imposta ao ímã supercondutor.
Se essa força for maior do que a atração gravitacional, o ímã se moverá para cima. Sim, o movimento de um ímã supercondutor paralelo e deslocado a uma bobina em forma de oito produz levitação. Conforme o ímã se move para cima, a diferença entre os valores do CM e o fluxo de corrente no loop diminui, o que significa que a força no loop também diminui.
Finalmente, quando a força para cima se torna igual à atração gravitacional, o ímã se equilibra e o trem alcança a levitação. Os engenheiros japoneses alcançaram a levitação de 3,9 polegadas usando essa tecnologia.
É claro que, quanto maior a velocidade do trem, maior a força de levitação, o que significa que, quando o trem está em repouso, ele não pode levitar. É por isso que o trem SC maglev usa pneus normais para a partida e operação em baixa velocidade. Quando o trem atinge uma velocidade crítica, os pneus se retraem, pois a força eletromagnética é forte o suficiente para levitar o trem.
Em seguida vem a questão da orientação do trem. Orientação significa que o trem deve estar sempre centrado. Ele deve se mover sem bater nas paredes laterais. Em outras palavras, ele deve atingir estabilidade lateral.
Os engenheiros japoneses alcançaram essa estabilidade facilmente, interconectando as bobinas em forma de oito que vimos anteriormente, como mostrado. Se o trem estiver no centro, os CM induzidos nas bobinas direita e esquerda serão iguais e nenhuma corrente fluirá pelas bobinas de interconexão.
Contudo, suponha que o trem tenha se movido ligeiramente para a direita. Essa mudança causará uma interferência no CM entre as bobinas direita e esquerda, resultando em um fluxo de corrente nas bobinas de interconexão. O fluxo de corrente através das bobinas de interconexão afetará drasticamente o fluxo de correntes em ambos os loops inferiores e, assim, a força do polo de cada loop.
Vamos analisar as forças que atuam no trem. Agora, você pode ver que os componentes verticais das forças permanecem os mesmos, mas um componente horizontal resultante se manifesta para a esquerda, o que força o trem a se mover de volta para o centro. Conforme o trem se aproxima do centro, as correntes nos loops de interconexão diminuem e, finalmente, o componente horizontal da força desaparece.
É um mecanismo fácil e brilhante para estabilizar o trem, não é? Com base na discussão até agora, você pode entender que o sistema criogênico do trem e outros aparelhos elétricos requerem uma grande quantidade de energia elétrica.
E como você transfere energia elétrica para um trem de alta velocidade? A Central de A Pane Railway usou uma técnica chamada coleta de energia indutiva para este propósito. Aqui, usando o princípio da indução eletromagnética, a energia elétrica é transferida das bobinas de aterramento para a bobina de coleta de energia no trem, sem nenhum contato com o material.
O forte campo magnético produzido pelos ímãs supercondutores pode ser prejudicial à saúde dos passageiros. Para evitar esse efeito indesejado, escudos magnéticos são usados no material circulante e nas instalações de embarque de passageiros, mantendo assim a intensidade do campo magnético abaixo das diretrizes da ISCMSP.
Os passeios de teste do trem SC maglev começaram em 1997 na linha de teste Yamanashi Maglev. Os passeios de teste foram bem-sucedidos e continuaram por dez anos consecutivos, sem perder um único dia. Um recorde mundial de velocidade de 603 km por hora foi alcançado durante esse tempo.
Esses resultados altamente positivos encorajaram as autoridades japonesas e elas consideram permissão para conduzir operações comerciais do SC maglev entre Tóquio e Nagoya até o ano de 2027, com mais trens SC maglev a seguir. Antes de sair, por favor, não se esqueça de fazer parte da nossa equipe. Obrigado.