Este artigo trata do fenômeno físico. Para o sistema de transporte, veja Maglev.
miniatura|alt=disco magnético flutuando sobre um dispositivo eletromagnético|Dispositivo de levitação eletromagnética com um ímã permanente responsável pela força principal, o grande anel cinza-escuro, e eletroímãs usados para estabilização, as bobinas de cobre no centro. miniatura|Um experimento feito com componentes comuns usa um ímã colado à extremidade de uma ferramenta rotativa. A rotação faz com que um segundo ímã levite a poucos milímetros do primeiro. miniatura|A levitação magnética pode ser estabilizada por técnicas diferentes. Neste caso, usa-se a rotação.
Levitação magnética, também chamada de suspensão magnética, é um método pelo qual um objeto permanece suspenso sem outro apoio além de campos magnéticos. A força magnética contrabalança a gravidade e as demais forças que atuam sobre o objeto.
Os dois problemas básicos da levitação magnética são a sustentação, que exige uma força ascendente suficiente para compensar a gravidade, e a estabilidade, necessária para impedir que o sistema deslize ou gire espontaneamente para uma configuração em que a sustentação desapareça.
A levitação magnética é empregada em trens maglev, fusão sem contato, mancais magnéticos e na exposição de produtos.
Sustentação miniatura|Um supercondutor levitando um ímã permanente.
Materiais e sistemas magnéticos podem atrair ou repelir uns aos outros. A força depende da intensidade e da distribuição espacial do campo, da geometria dos corpos e de suas propriedades magnéticas. Um exemplo simples de sustentação é um ímã dipolar colocado no campo de outro, com polos iguais voltados um para o outro, de modo que a força entre os ímãs os afaste.
Praticamente todos os tipos de ímãs e fenômenos magnéticos já foram empregados para gerar sustentação por levitação magnética, entre eles ímãs permanentes, eletroímãs, ferromagnetismo, diamagnetismo, ímãs supercondutores e o magnetismo produzido por correntes induzidas em condutores.
Em determinadas geometrias, a força pode ser calculada a partir de uma pressão magnética. Para uma superfície ideal que exclui o campo de seu interior, como a de um supercondutor no estado Meissner, a pressão local exercida pelo campo tangencial imediatamente externo é:
Nessa expressão, é a força por unidade de área, em pascais, e é o campo imediatamente externo à superfície, em teslas. A força total depende da distribuição dessa pressão e da orientação da superfície. A permeabilidade magnética do vácuo vale aproximadamente .
Estabilidade O teorema de Earnshaw e suas extensões à magnetostática impedem a levitação estática estável, em todas as direções livres, de um corpo sustentado apenas por ímãs permanentes fixos ou por materiais paramagnéticos e ferromagnéticos, sob as condições do teorema. A gravidade, por si só, não elimina essa instabilidade.
O caso simples de dois ímãs dipolares que se repelem é instável, pois o ímã superior pode deslizar lateralmente ou virar. Equilibrar a força magnética e o peso em uma posição não basta para garantir que o objeto retorne a ela após uma perturbação.
Servomecanismos, rotação, materiais diamagnéticos, supercondutividade e sistemas que envolvem correntes de Foucault permitem obter estabilidade por mecanismos que não se limitam à configuração estática abrangida pelo teorema.
Em alguns sistemas, a sustentação vem da repulsão magnética, mas a estabilidade é dada por um apoio mecânico que suporta apenas uma pequena carga. Essa configuração é chamada de pseudolevitação.
Estabilidade estática Estabilidade estática significa que um pequeno deslocamento em relação à posição de equilíbrio produz uma força restauradora. Quando também é necessário manter a orientação do objeto, devem ser considerados os torques produzidos por pequenas rotações.
Nas condições do teorema de Earnshaw, combinações de campos gravitacionais, campos eletrostáticos e campos magnetostáticos não fornecem esse efeito restaurador em todas as direções livres. Um equilíbrio pode existir, mas ser instável em pelo menos uma delas. A estabilização eletrônica modifica o campo em resposta ao movimento, enquanto materiais diamagnéticos têm uma resposta magnética diferente da dos materiais atraídos para regiões de campo mais intenso.
Materiais diamagnéticos, cuja permeabilidade magnética relativa é menor que um, podem apresentar equilíbrio estável em uma geometria de campo adequada. O diamagnetismo, isoladamente, não garante a estabilidade de qualquer arranjo. Condutores submetidos a campos alternados também podem produzir uma resposta de oposição ao campo por meio de correntes induzidas, permitindo configurações passivamente estáveis.
Estabilidade dinâmica A estabilidade dinâmica diz respeito à evolução do movimento após uma perturbação. Em um sistema estável, perturbações suficientemente pequenas não provocam afastamento crescente da configuração de levitação. O objeto pode oscilar sem retornar ao repouso. Para que essas oscilações diminuam, é necessário algum mecanismo de amortecimento.
Em um modelo ideal, com campo estático e magnetização reversível, a interação magnética pode ser representada por uma força conservativa e não produz amortecimento por si só. Sistemas de suspensão eletrodinâmica podem apresentar oscilações pouco amortecidas e, em certas condições, amortecimento negativo. Nesse último caso, a amplitude cresce e a levitação pode se tornar instável. O comportamento depende da configuração e das condições de operação, não sendo uma consequência inevitável da levitação magnética.
A estabilidade também pode resultar do movimento de rotação. Em uma configuração experimental, um ímã acionado por um motor produz um campo girante que mantém um segundo ímã suspenso. Uma pequena inclinação ou um deslocamento adequado do ímã acionado fornece uma componente de campo que permite a formação do estado de levitação. O ímã suspenso gira de forma sincronizada com o campo.
A retroalimentação negativa de um sistema de controle pode estabilizar o movimento e acrescentar amortecimento, mas não é necessária em todas as formas de levitação. Conforme a configuração, o amortecimento pode ser obtido por:
meios mecânicos, como amortecedores viscosos nos suportes ou arrasto do ar; correntes de Foucault em metais condutores submetidos a variações do campo; amortecedores de massa sintonizada no objeto levitado; eletroímãs controlados eletronicamente.
Métodos Uma classificação distingue sistemas de suspensão por atração magnética, frequentemente estabilizados por controle ativo, de sistemas eletrodinâmicos nos quais campos variáveis ou movimento relativo induzem correntes em condutores. Há ainda métodos baseados no diamagnetismo, na supercondutividade ou na estabilização por rotação.
Quando se deseja controlar completamente a posição e a orientação de um corpo rígido, devem ser considerados seis graus de liberdade, três translacionais e três rotacionais. Podem ser usadas combinações de ímãs permanentes, eletroímãs, diamagnetos ou supercondutores. Nem todo dispositivo de levitação precisa restringir todos esses movimentos, como ocorre quando a rotação de um eixo deve permanecer livre.
Os dois métodos mais usados em trens maglev são a suspensão eletromagnética, ou EMS, estabilizada por servocontrole, e a suspensão eletrodinâmica, ou EDS.
Restrição mecânica (pseudolevitação) miniatura|Exemplo de pseudolevitação magnética em que uma guia mecânica, uma haste de madeira, produz a estabilidade.
Com uma pequena restrição mecânica destinada à estabilidade, a pseudolevitação pode ser obtida de maneira relativamente simples.
Se dois ímãs forem mecanicamente limitados a um único eixo e dispostos de modo que se repelam fortemente, um deles pode permanecer suspenso acima do outro.
Outra geometria usa ímãs que se atraem, mas são impedidos de se tocar por um elemento submetido a tração, como um fio ou cabo.
Um exemplo adicional é a centrífuga do tipo Zippe, na qual um cilindro fica suspenso sob um ímã que o atrai e é estabilizado por um mancal de agulha situado abaixo.
Outra configuração emprega um conjunto de ímãs permanentes instalado em um perfil ferromagnético em forma de U e acoplado a um trilho ferromagnético. O fluxo atravessa o trilho e fecha seu percurso pelo perfil. A geometria produz uma posição de equilíbrio ao longo de uma direção, relacionada à relutância magnética do circuito, permitindo sustentar uma carga. Os movimentos que não são estabilizados magneticamente precisam ser limitados por meios mecânicos, como rodas.
Servomecanismos miniatura|O sistema Transrapid usa servomecanismos para puxar o trem para cima a partir da parte inferior da via e manter uma distância constante enquanto ele se desloca em alta velocidade. miniatura|Globo flutuante por levitação magnética com uma malha de retroalimentação.
Em uma suspensão simples por atração, a força exercida por um ímã de intensidade fixa aumenta quando o objeto se aproxima e diminui quando ele se afasta. Um pequeno deslocamento pode, assim, aumentar o desequilíbrio. Para haver estabilidade, o sistema precisa produzir uma resposta que leve o objeto de volta à posição desejada.
Uma levitação magnética estável pode ser produzida medindo-se a posição e estimando-se ou medindo-se a velocidade do objeto levitado. Uma malha de retroalimentação ajusta continuamente um ou mais eletroímãs para corrigir seu movimento. O conjunto forma um servomecanismo.
Muitos desses sistemas usam atração magnética para puxar o objeto para cima contra a gravidade. Dependendo da geometria, a atração também pode fornecer forças restauradoras laterais. Outros combinam atração e repulsão magnéticas.
Essas configurações são exemplos de suspensão eletromagnética, ou EMS. Em demonstrações simples de mesa, a posição do objeto pode ser medida quando ele interrompe um feixe de luz ou por um sensor de efeito Hall. O eletroímã fica acima do objeto. Quando o objeto chega perto demais, sua corrente é reduzida ou desligada. Quando o objeto cai e se afasta, ela é aumentada ou ligada novamente. Sistemas mais elaborados regulam a corrente de forma contínua para controlar as oscilações e manter o afastamento desejado.
Os trens de suspensão eletromagnética se baseiam nesse tipo de levitação. No Transrapid, parte da estrutura do trem envolve a via, e eletroímãs situados abaixo dela são atraídos para cima. O controle mantém a distância entre os eletroímãs e a superfície da via.
Correntes induzidas
Quando o fluxo magnético através de um circuito condutor varia, uma força eletromotriz pode produzir correntes induzidas. Pela lei de Lenz, essas correntes se opõem à variação do fluxo que as produz. Em geometrias e condições de operação adequadas, a interação entre as correntes e o campo aplicado gera uma força de sustentação. A lei de Lenz, isoladamente, não implica que toda interação desse tipo seja repulsiva.
Sistemas desse tipo podem apresentar forças restauradoras sem controle ativo da sustentação, embora seu comportamento dinâmico possa exigir amortecimento adicional.
Movimento relativo entre condutores e ímãs Quando um bom condutor elétrico, como cobre, alumínio ou prata, se move em relação a um campo magnético não uniforme, podem ser induzidas correntes de Foucault. A interação dessas correntes com o campo pode produzir uma força de sustentação e uma força de arrasto que se opõe ao movimento. A sustentação depende da velocidade relativa e das propriedades do circuito condutor.