Cuando se trata de empujar, yo.

Los campos magnéticos juegan un papel cada vez más crítico en nuestro mundo tecnológico, pero se encuentran entre los conceptos de física menos comprendidos. Son increíblemente parecidos a una cuerda con muchas propiedades del tejido muscular.

¡Imanes Effin! ¿Cómo trabajan?

Es posible que haya notado, posiblemente compartiendo la exasperación de Insane Clown Posse[*], que estamos en medio de una revolución de electrificación, aparte del uso de la electrónica para automatizar nuestros hogares. Más bien, se trata del hecho de que los motores eléctricos impulsan los compresores para calentar y enfriar nuestros espacios habitables, y mueven nuestros automóviles con más fuerza que nunca. Se están apoderando de los electrodomésticos de nuestro jardín, como cortadoras de césped, cortadoras de hilo y sopladores de hojas. Es posible que pronto se apoderen de camiones, barcos, aeronaves e incluso del acceso al espacio. Con baterías portátiles que almacenan casi tanto efectivoenergía como tanques de combustible a los que estamos acostumbrados, casi no hay nada que no sea alimentado de manera más eficiente y efectiva por la electricidad. Los dispositivos alimentados por gases en expansión que empujan los pistones para girar las manivelas y manipular los engranajes de las válvulas comienzan a parecer artefactos de museo pintorescos.

Una ventaja de los motores eléctricos es que se parecen más al giro simétrico y bien equilibrado de una turbina de gas, excepto que el "gas" son electrones que fluyen silenciosamente a través de cables. Pero la fuerza que ejerce todo ese par sobre el rotor de un motor eléctrico proviene de los campos magnéticos de los devanados de alambre que se encuentran en él. En algunos motores, también puede haber imanes permanentes incorporados. Pero el punto es que los enormes pares que hacen girar los motores eléctricos son de naturaleza magnética, y en su mayoría tiran en lugar de empujar.

Todo el mundo está lo suficientemente familiarizado con los imanes como para entender que ejercen fuerzas que empujan y/o tiran, llamadas repulsión y atracción para equipos eléctricos. Cualquiera que tenga experiencia con materiales magnéticos fuertes ha aprendido cuán poderosamente pueden unir las cosas. Personalmente, tengo un premio Corazón Púrpura por la extracción de sangre mientras intentaba ineptamente ensamblar un imán muy fuerte antes de pensar con suficiente cuidado sobre cómo organizar las herramientas y palancas adecuadas.

La experiencia cotidiana con las fuerzas eléctricas es generalmente modesta en comparación. Hemos visto los pelos de punta cuando un objeto se carga al frotarlo. Experimentamos una descarga eléctrica que neutraliza los objetos y elimina cualquier atracción débil que puedan haber estado experimentando, por ejemplo, al acercarse a un picaporte después de caminar sobre una alfombra. Esas descargas evitan que las fuerzas eléctricas lleguen al punto en que luchamos para manipular objetos cargados todos los días. En pocas palabras: es muy difícil acumular suficiente carga eléctrica en un lugar para ejercer fuerzas fuertes.

Sin embargo, la fuerza magnética es solo la fuerza eléctrica producida por el movimiento de cargas eléctricas positivas y negativas, entre sí y con el observador. Y es fácil mover las cargas eléctricas siempre y cuando no se acumulen demasiado en un solo lugar. Cada corriente eléctrica que fluye (cargas eléctricas en movimiento) crea un campo magnético en nuestro marco de referencia. Todos somos conscientes del poder de las baterías capaces de generar grandes corrientes eléctricas. Pero la mayoría de nosotros nunca hemos tratado con una batería más grande que la que se usa para arrancar un motor que funciona con combustible, lo que nos libera de la necesidad de arrancar ese motor. Incluso una batería tan modesta se considera bastante peligrosa cuando se permite que objetos conductores como un destornillador entren en contacto sin cuidado con sus terminales.

humo y fuego

Cuando pensamos en las fuerzas verdaderamente temibles de la Naturaleza, lo primero que nos viene a la mente son quizás los terremotos y los volcanes. Imágenes de columnas de humo, flujos de lava, tsunamis oceánicos, deslizamientos de tierra y ondas de choque vienen a la mente como los resultados tangibles de estas fuerzas. Las únicas fuerzas generadas por humanos que se acercan son las de las armas nucleares. Pero, por supuesto, explotamos las fuerzas de la naturaleza en nuestra vida cotidiana, a menor escala, cuando usamos explosivos, aprovechamos el fuego, el vapor y el humo para hacer girar maquinaria recíproca, incluidos los motores de combustión interna que se utilizan para todo, desde el transporte hasta las herramientas de jardín. Nissan hizo una vez un anuncio cómico [*] para sus autos eléctricos en los que pequeños motores alimentados, como los que impulsan modelos de aviones, también accionaban despertadores, tostadoras, reproductores de CD, máquinas de oficina como fotocopiadoras y otros electrodomésticos.

El punto aquí es que, en gran medida, nos hemos decidido por la expansión de gases calientes para empujar pistones como la forma más efectiva de aprovechar las fuerzas de la naturaleza para nuestro beneficio. Antes de que domináramos esta tecnología, nosotros mismos, nuestras bestias de carga o el flujo de agua cuesta abajo éramos pilares como fuentes de energía, alimentando molinos en todo el mundo. Más tarde, se introdujeron las máquinas de vapor para realizar una función similar, pero impulsadas por la quema de combustibles. El hilo común en gran parte de nuestra tecnología y maquinaria energética más poderosa siempre ha sido el uso de fluidos para empujar todo lo que necesitábamos mover. Hasta el día de hoy, nuestros requerimientos energéticos más exigentes se satisfacen mediante la quema de combustibles. Los casos en cuestión incluyen plantas de energía para barcos grandes, para aviones, ferrocarriles (con cierta hibridación), automóviles, equipos agrícolas, y cohetes para lanzar naves espaciales al espacio. Cuando necesitamos mover cosas, buscamos combustibles que puedan quemarse y los empujamos, como primer impulso. Hay muchas otras fuentes de energía, todas las cuales se derivan del Sol, pero los defensores de los combustibles fósiles sostienen que solo los combustibles ofrecen una fuente de energía solar suficientemente concentrada y adecuada para alimentar nuestras aplicaciones más exigentes.

Plasma y Alambre

A medida que la electricidad fue descubierta y desarrollada como tecnología, ha crecido en importancia y ubicuidad. Inicialmente se pensó que era más útil para la iluminación, en lugar de las llamas, rápidamente se descubrió que la electricidad era adecuada para todo tipo de requisitos de energía en interiores de la fabricación, donde la combustión no era práctica. Los molinos se convirtieron para generar electricidad que luego podría usarse para hacer girar motores y operar todo tipo de maquinaria rotativa. Se descubrió que las descargas eléctricas generan más luz y menos calor que las bombillas incandescentes, por lo que la eficiencia de la iluminación mejoró mucho una vez que se demostró y comprendió la conducción eléctrica de los plasmas ionizados calientes (un cuarto estado de la materia). Más recientemente,

Aún así, hasta el día de hoy, parece justo decir que la electricidad ha sido relegada en cierto sentido a aplicaciones de tecnología de baja potencia, siendo el fuego y el humo el rey y la reina reconocidos de las aplicaciones de energía de alta potencia y fuera de la red. Los tomacorrientes domésticos están limitados a 1 o 2 kilovatios (kW), con algunas excepciones para cocinas y secadoras de ropa. Los electrodomésticos para exteriores no requieren una potencia mucho mayor que esa, pero las baterías de más de 1 kW-hora de capacidad han sido raras hasta hace muy poco tiempo. Las baterías recargables para nuestros aparatos electrónicos son generalmente mucho más pequeñas que eso y no requieren mucha energía para cargarse. Aún así, la miniaturización de cámaras, teléfonos y computadoras incentivó el desarrollo de baterías diminutas que necesariamente deben tener altas densidades de energía, lo que llevó en la década de 1990 a la comercialización de baterías de iones de litio.

El principal obstáculo para la electrificación al aire libre fuera de la red han sido las limitaciones de tales baterías químicas portátiles para almacenar energía de manera compacta y eficiente a alta densidad. Una vez que se desarrollaron baterías de alta densidad para baterías pequeñas en computadoras y electrodomésticos, se hizo posible construir baterías más grandes con muchos kW-hora de capacidad de energía, y Tesla Motors explotó este enfoque al conectar miles de celdas de computadora en una batería del tamaño de un automóvil de aproximadamente Capacidad de 50 kWh. Pero la masa de electrolitos y electrodos es una gran sobrecarga con la que los combustibles combustibles simplemente no están cargados. El problema con las baterías es que, cuando se extrae toda la energía, nada se destruye y se agota como desecho, por lo que aún queda toda la masa en la que se había almacenado químicamente la energía.

Pero queda la impresión de que la energía eléctrica simplemente no está a la altura de las demandas de las que son capaces el humo y el fuego. Podemos exigir decenas a cientos de kW de nuestros dispositivos que funcionan con gasolina, mientras que los aparatos eléctricos tienden a alcanzar un máximo de alrededor de diez kW. Los aviones pueden transportar a cientos de pasajeros miles de millas en un ala llena de combustible, mientras que los primeros autos eléctricos lucharon en un momento para viajar 100 km antes de necesitar una recarga. Las baterías de iones de litio se han ampliado más recientemente a más de 600 km. Pero, ¿es incluso esta limitación tan absoluta y severa como parece?

Considere que el motor de combustión interna más grande del mundo tiene una potencia de salida de: 80 MW o 108,000 HP. Es tan grande como una manzana de la ciudad, pesa @ 2300 toneladas y está diseñado para tener un gran barco construido a su alrededor. [*]

Considerando que: el motor eléctrico más potente tiene aproximadamente la mitad de esa potencia a 36,5 MW o 49.000 HP. También está diseñado para propulsar un barco grande, pero es mucho más eficiente en masa con 75 toneladas. [*]

Por lo tanto, los motores eléctricos ciertamente pueden competir con la combustión interna, especialmente en términos de potencia y eficiencia de masa, aunque la masa relativa de combustible y baterías ciertamente iguala el puntaje más que un poco, especialmente después de que se agota todo el combustible y solo queda un tanque.

Empujar y jalar

Ahora, solo para ampliar nuestra perspectiva, considere el poder de la interacción del viento solar con el campo magnético de la Tierra: el poder de la magnetosfera varía mucho según la fuerza y ​​el magnetismo del viento solar, pero a menudo está en el rango de 100-500 MW o 125,000 –625.000 CV. Entonces, la interacción espacial de la Tierra es más poderosa que el motor de combustión más grande jamás construido, y varias veces más poderosa cuando está al máximo, alimentando todas las auroras y cinturones de radiación del mundo, entre otros fenómenos.

La magnetosfera y la Tierra son mucho más grandes que cualquier barco que navegue por nuestros mares, pero considere también que el viento que lo impulsa generalmente se aproxima a un *vacío* y ciertamente no contiene nada tan sustancial como el agua del océano o incluso el aire. Entonces, ¿cómo genera todo ese poder?

El viento solar consiste en un flujo de ionizado, en su mayoría hidrógeno y helio, lo suficientemente caliente como para ser plasma conductor de electricidad, que se aleja del Sol en todas las direcciones hacia el exterior a través del sistema solar. Incrustado en el viento solar hay un campo magnético creado por las corrientes eléctricas que fluyen en la atmósfera del Sol a medida que se extiende a través del sistema solar más allá de la Tierra y mucho más allá.

Las fuerzas electromagnéticas son mucho más poderosas que la gravedad. La gravedad es la fuerza que forma las estrellas, los planetas y todos los demás cuerpos celestes. Pero es fofo y débil en comparación con la fuerza magnética. Una forma de apreciar esto es considerar que las fuerzas magnéticas en el Sol son responsables de vencer la gravedad y catapultar "Eyecciones de Masa Coronal" al espacio desde la corona del Sol. Estos equivalen aproximadamente a lanzar mil millones de toneladas de materia a un millón de millas por hora lejos de la gravedad del Sol. Solo por estos motivos, parece razonable considerar los campos magnéticos como los "músculos del universo". Para ser claros, una cantidad significativa de energía magnética se convierte en térmica, es decir, energía explosiva como parte de una llamarada solar. Pero incluso esta energía no se produce “quemando combustible” en ningún sentido.

Así que los campos magnéticos son lo más poderoso de nuestro sistema solar y son impulsados ​​desde su raíz por el horno de fusión nuclear dentro del sol y los movimientos resultantes de agitación y vuelco de su atmósfera. Esos movimientos hacen que el campo magnético del Sol acumule energía con el tiempo y ocasionalmente libere esa energía de manera abrupta y explosiva, sin ningún cambio correspondiente en el horno solar. Desde una perspectiva externa, las erupciones solares y las eyecciones de masa son eventos magnéticos transitorios que empequeñecen brevemente el poder constante e incesante del Sol.

músculos magnéticos

En el estudio serio de los campos magnéticos en el espacio, el primer principio provino de un ganador del Premio Nobel llamado Hannes Alfvén. Se llama el teorema del "campo congelado", que es un nombre algo inapropiado considerando las altas temperaturas que debe tener un gas para ser un plasma conductor. Sin embargo, dice que un material eléctricamente conductor lleno de líneas de campo magnético se comporta como si esas líneas de campo fueran fuertes fibras de tracción incrustadas o fijadas ("congeladas") en el medio, y que las líneas de campo ejercen fuerzas de tensión y presión sobre el medio, tal como lo harían las fibras materiales. En lugar de un medio amorfo que fluye libremente en cualquier dirección, como una masa de agua, el campo magnético agrega una estructura al medio muy parecida a la de un músculo. Un músculo puede ser blando y flexible en algunas direcciones, pero sus fibras lo unen en un objeto parecido a una cuerda bajo tensión. Las fibras magnéticas ejercen tensión a lo largo de su longitud y ejercen presión hacia afuera a lo largo de su longitud, tal como lo hacen los músculos.

Entonces, un plasma o fluido magnetizado es como un músculo que está conectado a la fuente del campo magnético, que puede ser un circuito eléctrico que transporta corriente eléctrica, o un flujo de fluido conductor que actúa como una dínamo que genera corrientes eléctricas a través del fluido, o un material diamagnético que transporta corrientes de magnetización sin fricción. Los tejidos musculares vivos están hechos para contraerse y expandirse, o aflojarse y contraerse, mediante impulsos eléctricos que viajan a través de un sistema nervioso. Los músculos magnéticos están hechos para contraerse o expandirse mediante corrientes eléctricas que fluyen a través de conductores, incluido el medio conductor en el que están incrustadas las fibras magnéticas. La analogía entre los campos magnéticos en un fluido conductor y un tejido muscular de fibras que están bajo tensión y compresión sugiere una visión de los campos magnéticos como "los músculos del universo".

Estén atentos a la parte II de este artículo, que se centrará en cómo se utilizan los músculos magnéticos para hacer girar motores potentes para tecnologías humanas.

Notas:

Insane Clown Posse:
Agua, fuego, aire y suciedad / Imanes Effin', ¿cómo funcionan?
https://nymag.com/intelligencer/2020/04/insane-clown-posses-miracles-video-is-ten-years-old.html

Anuncio de Nissan LEAF:
https://www.youtube.com/watch?v=Nn__9hLJKAk

Motor de combustión más potente:
https://www.throttlextreme.com/worlds-biggest-powerful-combustion-engine/.

Motor eléctrico más potente:
https://actionelectricmotorandpump.com/2018/07/what-is-the-most-powerful-electric-motor-in-the-world/