Diamagnetismo

Los materiales diamagnéticos son repelidos por ambos polos de un imán. Las sustancias diamagnéticas poseen capas completas de electrones. El diamagnetismo está presente en todas las sustancias. Sin embargo, en la mayoría de los casos, el diamagnetismo tan débil que no se observa normalmente si están presentes otras propiedades magnéticas.

El grafito pirolítico* es un material que tiene un diamagnetismo especialmente alto. En la figura se observa una capa fina de grafíto pirolítico (en color gris oscuro) que levita por repusión sobre un campo magnético suficientemente intenso (generado por el imán, en color gris claro). Otros materiales diamagnéticos son el agua, el cobre o el helio.

*El grafito pirolítico, una forma única de grafito fabricada mediante la descomposición de un gas de hidrocarburos a temperaturas muy altas dentro de un horno de deposición de vapores químicos.

Aplicaciones del diamagnetismo.

• Trenes bala

Se denomina tren de alta velocidad (TAV), tren rápido o tren bala a aquel que alcanza velocidades superiores a 200 km/h sobre líneas existentes actualizadas, y 250 km/h sobre líneas específicamente diseñadas para tal efecto. 

Actualmente, el tren bala más rápido del mundo es el "Maglev", el cual ha sido desarrollado por la Central Japan Railway Company y por el Railway Technical Research Institute desde la década de los 70. Su funcionamiento se basa en el principio de repulsión magnética, capaz de crear un potente campo magnético que actúe entre los coches del tren y la propia vía. La palabra maglev, de hecho, es la combinación de dos palabras: “magnético” y “levitación”. Esta levitación magnética, o lo que es lo mismo, que el tren flote en el aire, se consigue por un sistema de suspensión electrodinámica.

Los raíles contienen dos sets de bobinas de metal cruzadas en forma de “ocho” que crean un modelo electromagnético. El tren, por su parte, lleva unos imanes superconductores llamados “bogies”. Cuando está parado, el tren descansa sobre unas ruedas de caucho. Al comenzar el movimiento, el tren avanza lentamente sobre ellas haciendo posible que los imanes situados bajo el tren interactúen con los de la vía. Una vez que el tren alcanza los 150 kilómetros por hora, la fuerza magnética creada es lo suficientemente potente para elevar el tren 10 centímetros del suelo, eliminando la fricción y permitiendo incrementar la velocidad.

La misma fuerza magnética que eleva el tren hace que avance y se mantenga centrado sin salirse de la vía, lo que hace que viajar en él resulte muy suave y excepcionalmente seguro.

• Sofá que levita utilizando un imán gigante para simular que se sienta en una nube.

HFML: Los imanes más grandes de Europa

Los imanes del High Field Magnet Laboratory (HFML), en la Universidad de Radboud en los países bajos, se encuentran entre los imanes más fuertes del mundo.

Los imanes del HFML están fabricados de grandes bobinas de cobre, a través de las cuales pasa la corriente eléctrica. A mayor corriente eléctrica, mayor la intensidad del campo magnético generado. El campo magnético más grande que puede generar estos imanes usa 20 MegaWatt, que equivale a lo que usan cuatro trenes de alta velocidad para funcionar. Cuando se enciende el imán, este se calienta rápidamente. Para evitar que sus componentes se derritan, se enfrían con agua: se requiere suministrar, por segundo, la cantidad de agua que cabe en una tina de baño. En la siguiente imagen se observa a un hombre dentro de dónde se genera el campo magnético:

Uno de los materiales que se estudian en el HFML es el grafeno, el cuál consiste de una sola capa de átomos de carbono. En 2010, Andre Geim and Konstantin Novoselov ganaron el Premio Nobel de Física por descubrir este material. Ellos demostraron que el grafeno tiene propiedades electrónicas y conductoras especiales, lo cual lo convierte en un material prometedor para el futuro de la electrónica.

Los campos magnéticos intensos también pueden contrarrestar la fuerza de gravedad, de tal forma que parece que no hay gravedad dentro de ellos, o que la gravedad está al revés. El agua es diamagnética, lo cual se puede apreciar en estos siguientes vídeos: tanto la rana como el tomate, que principalmente están constituidos por agua, son repelidos por el campo magnético en el que se encuentran. Esto lo demostró Andre Geim, el ganador del Premio Nobel, y abre nuevas posibilidades dentro de la investigación aeroespacial, pues ya no sería necesario llevar a cabo experimentos en una nave espacial si es posible simular condiciones de cero gravedad dentro de un campo magnético.

Agua levitando en el campo magnético.

Tomate levitando en el campo magnético.

Rana viva levitando en el campo magnético.

Referencias.

¿Qué es un tren bala?

High Field Magnetic Laboratory at Radboud University

El Maglev japonés, el tren bala más rápido del mundo.