Os proponemos como realizar un montaje (paso a paso) para
comprobar experimentalmente el fenómeno de levitación diamagnética.
Nuestro experimento consistirá en hacer levitar una lámina de grafito
pirolítico sobre una red de imanes cúbicos de neodimio.Esta experiencia requiere ciertas precauciones pues vamos a utilizar unos imanes muy potentes (imanes de Neodimio) que pueden ocasionarnos lesiones (pinzamientos y cortes en la piel) así como inutilizar distintos aparatos electrónicos (smartphones, tabletas). En la red podéis encontrar similares experiencias pero en prácticamente ninguna se describe como realizar la malla de imanes para que el experimento resulte.
La levitación del grafito se fundamenta en una propiedad que
poseen muchos materiales: el diamagnetismo.
En 1778 S. J. Bergman observó, por primera vez, que el bismuto y el antimonio eran repelidos por los imanes en vez de ser atraídos. Tiempo después Faraday (Imagen 1) estudió estos materiales y definió el fenómeno con el nombre de diamagnetismo.
En 1778 S. J. Bergman observó, por primera vez, que el bismuto y el antimonio eran repelidos por los imanes en vez de ser atraídos. Tiempo después Faraday (Imagen 1) estudió estos materiales y definió el fenómeno con el nombre de diamagnetismo.
Imagen 1. Faraday en una de sus célebres charlas de divulgación para niños,
realizada en la Royal Institution. Wikimedia Commons.
Debemos
tener en cuenta que, al girar en una órbita, los electrones de un átomo generan
un magnetismo orbital, de forma
análoga al campo magnético generado por la corriente circulando por una espira
de cobre.
Pero el electrón también tiene otro movimiento de rotación o giro sobre sí mismo (spin) que puede ser contrario a las agujas del reloj (spin up) o en sentido de las agujas del reloj (spin down). Debido a que el electrón es una partícula con carga, el spin también produce un campo magnético. De esta forma podemos considerar a un electrón girando sobre sí mismo como un imán (Imagen 2) y podemos hablar de magnetismo de spin.
Pero el electrón también tiene otro movimiento de rotación o giro sobre sí mismo (spin) que puede ser contrario a las agujas del reloj (spin up) o en sentido de las agujas del reloj (spin down). Debido a que el electrón es una partícula con carga, el spin también produce un campo magnético. De esta forma podemos considerar a un electrón girando sobre sí mismo como un imán (Imagen 2) y podemos hablar de magnetismo de spin.
Imagen 2. Momento magnético o momento bipolar debido al spin del electrón.
Modificado de López Sancho et al. (2005).
En definitiva el magnetismo es una propiedad de los
electrones. De la disposición y del número de éstos se derivan las propiedades
magnéticas de los materiales.
Se habla de spines paralelos (o apareados) cuando dos electrones giran en sentido opuesto.
Aquellos materiales con un número par de electrones y en los que todos se encuentran apareados se definen como diamagnéticos. Los principales elementos diamagnéticos son el mercurio, el bismuto, el carbón, la plata y el cobre.
El
material de nuestro experimento, el
grafito pirolítico (carbono) tiene una estructura laminar, que podemos
exfoliar con un cúter, y, en la dirección perpendicular a las láminas, es más diamagnético que el bismuto.
Cuando
no reciben la influencia de un campo magnético exterior, los átomos de estos
materiales no tienen momento magnético. Pero al aplicarles un campo magnético
los electrones (de por ejemplo el grafito) modifican su movimiento hasta
producir un campo magnético (más débil) en la dirección opuesta al aplicado.
Así podemos observar la aparición de una fuerza de repulsión entre el grafito y
los imanes causantes del campo.
En
nuestro experimento podemos observar
como el fenómeno de la levitación solo se produce en la dirección donde el
campo es más intenso, esta es una de las razones por las que conviene colocar,
de forma alterna, la polaridad de los imanes de neodimio (Imagen 3), y por ser éstos tan
potentes conviene ayudarse de una brújula, tal y como se explica en el vídeo.
Imagen 3. Fotograma
del vídeo. Polaridad alterna en los imanes de neodimio.
Para terminar, unas palabras sobre los imanes de neodimio:
son unos imanes que generan un intenso campo magnético, formados por la
aleación de hierro, neodimio y boro.
En la actualidad China produce la gran mayoría de dichos imanes muy utilizados
en la industria tecnológica y en la energética (aerogeneradores).
No son muy difíciles de conseguir pero por su gran potencia requieren un uso
precavido y cuidadoso, el que les escribe ha tenido más de un percance. : (
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