Diamagnetismo
29 jun, 2013
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PDFGrafito levitando
PRESENTACIÓN: Las sustancias diamagnéticas como el grafito son repelidas por las fuentes de campo magnético. Si situamos una lámina de grafito pirolítico sobre cuatro potentes imanes enfrentados podemos ve que se mantiene levitando al equilibrarse su peso con la fuerza de repulsión magnética.
- More Diamagnetism Demonstrations, Chris Conery, L. F. Goodrich, and T. C. Stauffer, Phys. Teach. 41, 74 (2003).
- A Simple Diamagnetic Levitation Experiment, Ron Edge, Phys. Teach. 41, 122 (2003)
INTRODUCCIÓN: En electromagnetismo, el diamagnetismo es una propiedad de los materiales que consiste en ser repelidos por los imanes. Es lo opuesto a los materiales ferromagnéticos los cuales son atraídos por los imanes. El fenómeno del diamagnetismo fue descubierto y denominado por primera vez en septiembre de 1845 por Michael Faraday. Ejemplos de materiales diamagnéticos son: grafito, bismuto, cobre, bronce,….
OBJETIVO: Conseguir la levitación de un material diamagnético sobre cuatro imanes enfrentados.
MATERIALES: cuatro cubos magnéticos, una pequeña placa cuadrada de grafito pirolítico.
MONTAJE: Se colocan los cuatro imanes formando un cuadrado de modo que los dos imanes de la misma diagonal tienen la misma orientación entre sí y contraria a los de la diagonal perpendicular. La disposición alternante es necesaria para conseguir el efecto de levitación; si se colocan de otra forma la placa de grafito no levitará. A continuación se coloca la placa de grafito sobre los imanes y podremos observar cómo la placa flota sobre los cuatro imanes. Como curiosidad podemos añadir que no hay límite de tiempo, sino que la placa flotará todo el tiempo que se desee.
EXPLICACIÓN: En este experimento, gracias a las propiedades diamagnéticas del grafito, se hace levitar una plaquita de este material sobre un conjunto de imanes. La levitación se debe a la peculiar disposición de los imanes que configura fuerzas de repulsión sobre una placa de grafito que hacen que la levitación sea notablemente estable, pudiendo oscilar sobre su posición de equilibrio.
CONCEPTOS: diamagnetismo, levitación magnética, campo magnético, imán, materiales diamagnéticos.
MÁS INFORMACIÓN:
TEXTOS:
- Tipler P.A. Física, Reverté, 2010.
- De Juana J.M., Física General, Pearson, 2009.
- Serway R.A, Jewett J.W., Física, Thomson-Paraninfo, 2010.
- Teplitz D., Electromagnetism. Paths to research, Plenum Press, 1982.
- Cheng D.K., Fundamentos de electromagnetismo para ingeniería, Alhambra Mexicana, 1998.
ALUMNADO 2012-2013: Lucas Álvarez, Alejandro Andrade, Adrián Martínez, Carolina Rodríguez.
ENLACE pdf ALUMNADO:
28 responses to "Diamagnetismo"
Relacionado con este tema he encontrado el efecto Meissner: desaparición total del flujo del campo magnético en el interior de un material superconductor si está por debajo de su temperatura crítica.
En el siguiente vídeo podemos observar este efecto, donde hay pastilla negra de un material superconductor (YBCO) y gracias al nitrógeno líquido baja su temperatura por debajo de la crítica (77ºK) produciéndose el efecto Meissner.
Sí claro, un superconductor es un diamagnético perfecto…
Una molécula diamagnética es el agua y un alimento con mucha agua es la uva, también resulta muy explicativo e interesante lo que sucede con unas uvas y un imán en este experimento.
Una explicación detallada de este comportamiento puedes verlo en los aperitivos del Exploratorium. Si el campo es lo suficientemente intenso los cuerpos con alto contenido en agua pueden ser de una masa superior.
El diamagnetismo, como dice Melca, se presenta en el compuesto más importante para la vida, el agua. Relacionado con esto está el efecto Moisés (¡y cómo logrará abrir las aguas!). Dos físicos japoneses, Masakazu Iwasaka y Shogo Ueno, lograron dividir el agua en un laboratorio, valiéndose de bobinas eléctricas de alta potencia. Gracias a ellas crearon un poderoso campo magnético alrededor de un tubo horizontal de vidrio parcialmente lleno de agua. El campo magnético obligó al agua a desplazarse con rapidez hasta los extremos del cilindro, dejando un espacio seco en el medio.
Esta técnica también funciona con animales vivos, y se ha hecho la prueba con una rana que levitó en un campo magnético de 16 Teslas.
Un experimento curioso (y útil en el futuro) es el del control de la placa de grafito con la luz. La luz concentrada sobre el grafito puede controlar el movimiento de la placa sobre el campo magnético y también el movimiento de la placa sobre sí misma debido a sus propiedades térmicas.
En el laboratorio.
Al natural, con luz solar.
Al natural, con luz solar.
Como se cita anteriormente el diamagnetismo es una propiedad de los materiales que consiste en repeler los campos magnéticos. Es lo opuesto a los materiales ferromagnéticos o paramagnéticos, los cuales son atraídos por los campos magnéticos.
Una de las aplicaciones del diamagnetismo es la levitación magnética, un método por el cual un objeto es mantenido en suspensión equilibrando su peso y la repulsión magnética. Una de las aplicaciones de la levitación magnética empleando fuentes de campo magnético es el transporte también llamado maglev, un sistema de transporte que incluye la suspensión, guía y propulsión de vehículos, principalmente trenes, utilizando un gran número de imanes para la sustentación y la propulsión a base de la levitación magnética. Este método tiene la ventaja de ser más rápido y silencioso pero tiene como inconveniente del alto costo de las líneas. En el siguiente vídeo presenta la explicación del sistema de los trenes de levitación magnética.
Que lle pode chamar máis a atención ao alumnado que crearen eles mesmos o seu propio tren de levitación magnético? Pois Nesta páxina explica como facelo, con vídeo incluído.
Esta experiencia resulta tremendamente útil para asimilar visualmente el proceso de diamagnetismo, junto con otros ejemplos aportados en comentarios, como el tren de levitación, puesto que estamos más familiarizados con los materiales ferromagnéticos, y cómo éstos son atraídos por los imanes. El distinto comportamiento de unos y otros se basa en sus propiedades atómico-moleculares. La Universidad de Vigo presenta un amplio recurso multimedia, donde se explican en detalle los fenómenos electromagnéticos y las leyes por las que se rigen, y que puede ser de utilidad para quienes deseen profundizar en la materia; disponible en el siguiente link.
Siempre me ha parecido sorprendente el fenómeno de la levitación magnética. Uno de los recursos para poder llevarlo al aula es conocido como levitron, consiste en una peonza capaz de ser suspendida magnéticamente por tiempo indefinido. En la siguiente pagina os dejo un proyecto sobre él y una casa comercial donde los venden ya hechos.
Este experimento se puede llevar a cabo a mayor escala? Con imanes más grandes y un peso adicionado en la placa de grafito?
Seguro … la pieza de grafito es sólo de un centímetro de lado. Algo de mayor escala
El experimento parece simple de realizar y puede servir para explicar bastante bien los comportamientos magnéticos de diferentes sustancias. A pesar de su simpleza, el experimento llama la atención, y sin duda alguna captará la atención de los estudiantes. Para salpimentar el aprendizaje de estos conceptos puede ser útil el “experimento virtual” que hay en el siguiente enlace, que permite utilizar diferentes materiales diamagnéticos y paramagéticos y comprobar de forma interactiva como interaccionan cómo se comportan ante un campo magnético. Adicionalmente, como he visto que en comentarios previos algunos usuarios introducían algunos conceptos como “superconductor” o “efecto Meissner” aporto el siguiente vídeo de TED para enriquecer la discusión.
La actividad resulta muy llamativa y sirve para explicar la repulsión magnética. Además, relacionado con sus consecuencias se puede explicar el fenómeno de levitación magnética provocada por un superconductor y el efecto Meissner. La levitación de una peonza con un imán acoplado es incluso más impactante, ya que se puede observar una mayor distancia entre los imanes, aunque esto requiere de una mayor precisión a la hora de construir la peonza y de hacerla girar, teniendo que controlar cuidadosamente el peso y la velocidad de giro para que la peonza no salga disparada. Se puede observar la levitación de una peonza en el siguiente enlace de una tienda virtual para imanes de todo tipo.
Los experimentos de levitación debida al magnetismo siempre son sorprendentes y como sacados de una película de ciencia ficción. Me parecen herramientas ideales para motivar e ilustrar conceptos a los alumnos. En este vídeo se nos explican los distintos tipos de magnetismo: dia, para y ferromagnetismo.
Creo que podría ver este vídeo mil veces, me fascina ver estos fenómenos y la verdad es que no conocía lo que era el diamagnetismo.
Una puntualización, que creo necesaria por el uso laxo de estos términos. El diamagnetismo es una propiedad que exhiben todas las sustancias. Su efecto es pequeño en comparación con el paramagnetismo y sobre todo con el ferromagnetismo. Así, se habla de sustancias diamagnéticas, paramagnéticas, o ferromagnéticas en función de cuál de estos tres comportamientos sea el dominante. Por otra parte, una sustancia ferromagnética se satura, es decir, en presencia de un campo magnético se puede imantar de forma proporcional al campo externo, pero solo hasta un umbral límite. Campos mayores no le confieren un campo interno mayor. Por tanto, como además de ferromagnética también es diamagnética, si incrementásemos el campo de forma cada vez mayor, el efecto diamagnético podría llegar a ser superior y conseguir la levitación por repulsión! Sin embargo, como el ferromagnetismo es varios órdenes de magnitud más intenso que el diamagnetismo, serían necesarios campos magnéticos inmensos para conseguir este resultado, que son imposibles de generar con la tecnología actual, e inmensamente costosos en teoría.
Experimento muy interesante para aplicar en el aula. Paralelamente a este ensayo, estaría bien realizar otro sencillo con limaduras de hierro y un par de imanes rectangulares. De esta forma los alumnos podrían observar las líneas del campo magnético de tal forma que ellos puedan imaginarse el campo que ocurre entorno a los cubos magnéticos. A su vez con las limaduras y los dos imanes se pueden analizar variantes que pueden ocurrir con las líneas del campo magnético si se mantiene juntos o separados ambos imanes como se observa en el siguiente video.
Ademais de empregar os superconductores para os trens que levitan, algunhas empresas xa fabricaron motores superconductores para barcos (fabricado pola empresa American Superconductors) ou automóbiles (empresa xaponesa Sumitomo). A vantaxe destes motores é que son máis pequenos e potentes.
Na súa fabricación empréganse bobinas de cable HTS (high temperature superconductors) que poden transportar 150 veces a potencia dun cable de cobre de igual tamaño. Grazas a isto os motores teñen menor tamaño e o barco pesará menos. Isto permite que os novos buques, ademais de liberar espazo, aforren combustible. Deixo un enlace de divulgación se superconductividade do ICMM-CSIC.
En primeiro lugar, moi interesante a puntualización de Kais Jacob, non tiña nin idea de que o magnetismo funcionase en base a eses tres conceptos de ferromagnetismo, paramagnetismo e diamagnetismo. Respecto a este último, e como xa se expuso noutro comentario, a auga presenta esta propiedade. Tal é así, que se aproximamos un imán potente á auga producirase unha deformación na súa superficie a modo de depresión, como consecuencia da repulsión respecto do campo magnético do imán. Isto provoca que, se dispoñemos un obxecto non ferromagnético na auga e aproximamos un imán, dea a sensación de que se move pola acción do mesmo. Isto non é así, o movemento está provocado pola deformación que sofre a auga ante ao imán, de maneira que o obxecto se despraza coa depresión formada. Neste enlace podedes atopar un vídeo que ilustra moi ben este fenómeno. Se un se fixa ben, pode apreciarse a deformación da auga baixo o obxecto e no seu reflexo.
Primeramente, me parece muy interesante la explicación del fenómeno electromagnético del diamagnetismo, del que no sabía que se podían derivar aplicaciones tales como la magnetoencefalografía. Esta técnica se basa en registrar la actividad funcional del cerebro a través de la captación de campos magnéticos. En este artículo “Magnetoencefalografía: mapeo de la dinámica espaciotemporal de la actividad neuronal” se puede encontrar más información al respecto. Relacionada con los fenómenos de levitación magnética está su aplicación a los medios de transporte, de la que sí había oído hablar, pero no entendía muy bien. Considero que el siguiente vídeo de Órbita Laika explica de una forma muy didáctica el fenómeno. En el muestran cómo funciona la levitación magnética de un superconductor por el efecto Meissner, y lo ponen en práctica con una sencilla demostración.
Curioseando en la web me he encontrado con el caso del físico Andre K. Geim, que obtuvo en 2010 el premio Nobel de Física junto a Konstantin Novoselov por su trabajo con el grafeno. Diez años antes, Geim fue premiado con el premio Ig Nobel de la misma categoría gracias a una inusual demostración: consiguió hacer levitar a una rana mediante un campo magnético. En el siguiente enlace se dan más detalles.
Penso que este experimento é moi interesante e visual para os rapaces. Unha variable moito máis complexa deste experimento é a construcción dun prototipo para levitación de materiais ferromagnéticos en presenza do campo magnético producido por unha bobina. A modo de resumo, neste prototipo máis complexo plantexado, para o análisis electromagnético débense ter claros os conceptos de circuítos magnéticos e de campos inducidos por correntes e, da mesma maneira, dar solución á comprensión do funcionamento magnético do sistema. Para escoller a bobina, débese ter en conta o coñecemento constructivo básico, que indica que para mellorar o campo magnético resultante, débese utilizar un núcleo de material ferromagnético, e o número de espiras debe ser o suficientemente alto en concordancia co calibre do conductor utilizado. Para o soporte da corrente, débese ter en conta o calentamento ou disipación de potencia en forma de calor nos dispositivos, xa que este cambia as propiedades de funcionamento do mesmo. E, finalmente, para escoller o sensor débese ter en conta a dinámica que éste presenta no momento de captar unha variación na variable de medición. Sosteño que esta variable de experimento é moi complexa como para facer cos rapaces de secundaria, pero parecíame interesante comentala e dala a coñecer.
Los imanes y su «magia». Para este experimento se necesita tener algo de material específico pero es muy ilustrativo de lo que ocurre con materiales diamagneticos.
El grafeno es un material diamagnético, sin embargo el trianguleno que es una estructura triangular de grafeno, sí puede llegar a observarse magnetismo a escala nanométrica. Esta investigación llevada a cabo en la Universidad de Santiago de Compostela puede consultarse en este enlace.
Ampliando el comentario anterior, en este vídeo del equipo de investigación de la Universidad Autónoma de Madrid, se explica cómo se introducen los átomos de hidrógeno en el grafeno para conseguir magnetizarlo.
Antes de nada, mencionar que el experimento es hipnótico, ver los imanes levitando genera expectación a cualquier persona y atraerá la curiosidad de los alumnos par conocer los fenómenos y que además les ayudará a comprenderlos. Para conocer más sobre el tema, me han parecido increíbles los videos mencionados por AndreaL realizado por Órbita Laika y el vídeo mencionado por Yaiza. Estos dos vídeos me han permitido aclarar los conceptos trabajados en el experimento, justo los demás temas y vídeos de los comentarios posteriores. También me ha servido de utilidad esta página, donde se explican de forma detallada los tipos de materiales magnéticos, entre los que se encuentra los diamagnéticos. Algunos de los experimentos mostrados en este número de la Revista Eureka ya han sido mencionados en algunos comentarios anteriores, pero creo que el diseño realizado por el alumnado del tren de levitación magnética con pasajeros de playmobil necesita una mención especial. Por otro lado he tenido que ir a observar el vídeo del escalador magnético. Para terminar podemos observar el diamagnetismo en el siguiente vídeo The Action Lab quienes han pasado de hacer levitar una rana, a mover un ratón gracias a un imán súper potente de neodimio. En esta página nos explican el fenómeno del vídeo, y nos lo muestran.
Profundizando en los materiales superconductores, en esta serie de videos del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón, perteneciente al CSIC se explican con claridad sus principales propiedades, la temperatura crítica y los fenómenos de levitación estable que pueden lograrse con estos materiales, Incluye también alguna demostración de principales aplicaciones como en los sistemas de transporte y suspensión sin fricción.