Levitación magnética de la Tierra. Museo de la Ciencia y Tecnología de Shanghai.
Científicos de la universidad de Nottingham, en el Reino Unido, han conseguido por vez primera hacer levitar magnéticamente algunos de los objetos más pesados de la naturaleza, como el plomo y el platino, informa la propia universidad en un comunicado.
Algunos materiales, llamados diamagnéticos, tienden a magnetizarse en la dirección opuesta al campo magnético que se les aplica. La levitación magnética se produce cuando la fuerza ejercida sobre un material diamagnético es suficientemente fuerte para equilibrar su peso. Si el material es sumergido en un fluido, como el oxígeno líquido, la levitación puede ser potenciada por un fenómeno de flotabilidad provocado por el principio de Arquímides.
El oxígeno líquido, principal componente de los carburantes para cohetes, es muy combustible y potencialmente peligroso. Sin embargo, hace mucho más fácil la flotación de objetos densos utilizando imanes corrientes, ya que el oxígeno líquido amplifica el efecto de flotabilidad provocado por el magnetismo inherente a cada molécula de oxígeno. Esto es lo que permite hacer levitar objetos tan pesados como el oro con imanes de relativamente escasa potencia.
Los profesores Laurence Eaves y Peter King, de la mencionada Universidad, estudiaron las combinaciones más seguras de nitrógeno y oxígeno líquidos y descubrieron la mezcla óptima para hacer levitar objetos pesados con total seguridad. Con esta tecnología, los investigadores podrían en teoría hacer levitar objetos cuya densidad es 15 veces mayor que la del osmio, el metal más pesado de la naturaleza.
Mezcla de oxígeno y nitrógeno
Los resultados de este experimento han sido publicados en el New Journal of Physics, donde se describe cómo las mezclas de oxígeno y nitrógeno en un estado líquido y gaseoso pueden producir la flotación suficiente para hacer levitar a un gran número de objetos, incluidos los diamantes, una moneda de una libra y metales pesados como el oro, la plata, el plomo o el platino.
Este experimento ha podido realizarse gracias al llamado diamagnetismo, una cualidad de lo materiales debida a la configuración electrónica de sus átomos. Cuando un campo magnético interfiere en el movimiento de los electrones que orbitan en los átomos o moléculas de un material, la fuerza magnética actúa sobre dichos electrones produciendo en ellos ciertos desvíos.
Este movimiento de los electrones interfiere a su vez con el movimiento del campo magnético, de manera que los átomos se oponen al campo magnético. Esto causa que los materiales sean ligeramente repelidos por el magnetismo de dicho campo.
Todos los materiales tienen cierto grado de diamagnetismo. La levitación ocurre cuando la fuerza de estos objetos es lo suficientemente intensa como para equilibrar su propio peso. La técnica de introducir objetos en un líquido para aumentar los efectos de su diamagnetismo se denomina Magneto-Archimedes levitation (levitación magnética de Arquímedes), por la flotación que permite el líquido en que se mueven los materiales. Arquímedes diseñó varios aparatos mecánicos con palancas y tornillos y consiguió medir la densidad de objetos sólidos.
Algunos materiales, llamados diamagnéticos, tienden a magnetizarse en la dirección opuesta al campo magnético que se les aplica. La levitación magnética se produce cuando la fuerza ejercida sobre un material diamagnético es suficientemente fuerte para equilibrar su peso. Si el material es sumergido en un fluido, como el oxígeno líquido, la levitación puede ser potenciada por un fenómeno de flotabilidad provocado por el principio de Arquímides.
El oxígeno líquido, principal componente de los carburantes para cohetes, es muy combustible y potencialmente peligroso. Sin embargo, hace mucho más fácil la flotación de objetos densos utilizando imanes corrientes, ya que el oxígeno líquido amplifica el efecto de flotabilidad provocado por el magnetismo inherente a cada molécula de oxígeno. Esto es lo que permite hacer levitar objetos tan pesados como el oro con imanes de relativamente escasa potencia.
Los profesores Laurence Eaves y Peter King, de la mencionada Universidad, estudiaron las combinaciones más seguras de nitrógeno y oxígeno líquidos y descubrieron la mezcla óptima para hacer levitar objetos pesados con total seguridad. Con esta tecnología, los investigadores podrían en teoría hacer levitar objetos cuya densidad es 15 veces mayor que la del osmio, el metal más pesado de la naturaleza.
Mezcla de oxígeno y nitrógeno
Los resultados de este experimento han sido publicados en el New Journal of Physics, donde se describe cómo las mezclas de oxígeno y nitrógeno en un estado líquido y gaseoso pueden producir la flotación suficiente para hacer levitar a un gran número de objetos, incluidos los diamantes, una moneda de una libra y metales pesados como el oro, la plata, el plomo o el platino.
Este experimento ha podido realizarse gracias al llamado diamagnetismo, una cualidad de lo materiales debida a la configuración electrónica de sus átomos. Cuando un campo magnético interfiere en el movimiento de los electrones que orbitan en los átomos o moléculas de un material, la fuerza magnética actúa sobre dichos electrones produciendo en ellos ciertos desvíos.
Este movimiento de los electrones interfiere a su vez con el movimiento del campo magnético, de manera que los átomos se oponen al campo magnético. Esto causa que los materiales sean ligeramente repelidos por el magnetismo de dicho campo.
Todos los materiales tienen cierto grado de diamagnetismo. La levitación ocurre cuando la fuerza de estos objetos es lo suficientemente intensa como para equilibrar su propio peso. La técnica de introducir objetos en un líquido para aumentar los efectos de su diamagnetismo se denomina Magneto-Archimedes levitation (levitación magnética de Arquímedes), por la flotación que permite el líquido en que se mueven los materiales. Arquímedes diseñó varios aparatos mecánicos con palancas y tornillos y consiguió medir la densidad de objetos sólidos.
Levitación de una rana
Aplicaciones y antecedentes
Los investigadores de este proyecto aseguran que la levitación magnética de objetos pesados podría tener importantes aplicaciones. Se puede utilizar para diferenciar metales y para sacar de ellos la parte que convenga, debido a que cada metal reacciona de una forma distinta al diamagnetismo. Esto tendría un gran valor en el campo de la minería o de la industria farmacéutica, por ejemplo.
El diamagnetismo se conoce desde el siglo XIX. La primera confirmación experimental de la levitación diamagnética se obtuvo con bismuto en 1939. 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 (el campo magnético de la Tierra varía de 3 a 6 gausios, unidad de medida de energía magnética, en el nivel del mar, y una Tesla es igual a 10.000 gausios).
En la levitación magnética se utiliza nitrógeno líquido en ebullición, que mantiene al superconductor en un estado de resistencia nula, y no oxígeno líquido, como en el experimento de Nottingham. Cuando el imán desciende hacia el superconductor, induce una corriente eléctrica, que a su vez crea un campo magnético opuesto al del imán. Como el superconductor no tiene resistencia eléctrica, la corriente inducida sigue fluyendo y mantiene el imán suspendido indefinidamente.
La levitación magnética es una de las propiedades más características e importantes de los superconductores. Gracias a la levitación se han podido construir trenes de alta velocidad por levitación magnética (maglev), tal como publicamos en otro artículo de esta revista. Este tipo de trenes levita sobre las vías gracias a las fuerzas de interacción entre los campos magnéticos producidos en los imanes o bobinas situados en el tren y en los raíles. Al levitar, el tren puede desplazarse sin que haya ningún contacto con los raíles, con lo cual puede alcanzar velocidades muy elevadas.
La levitación magnética tiene también aplicaciones en otras áreas tecnológicas, como en el almacenamiento de energía, ya que permite hacer girar indefinidamente una rueda superconductora inmersa en un campo magnético de manera que almacene la energía mecánica. Asimismo se aplica en medicina cardiovascular.
Los investigadores de este proyecto aseguran que la levitación magnética de objetos pesados podría tener importantes aplicaciones. Se puede utilizar para diferenciar metales y para sacar de ellos la parte que convenga, debido a que cada metal reacciona de una forma distinta al diamagnetismo. Esto tendría un gran valor en el campo de la minería o de la industria farmacéutica, por ejemplo.
El diamagnetismo se conoce desde el siglo XIX. La primera confirmación experimental de la levitación diamagnética se obtuvo con bismuto en 1939. 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 (el campo magnético de la Tierra varía de 3 a 6 gausios, unidad de medida de energía magnética, en el nivel del mar, y una Tesla es igual a 10.000 gausios).
En la levitación magnética se utiliza nitrógeno líquido en ebullición, que mantiene al superconductor en un estado de resistencia nula, y no oxígeno líquido, como en el experimento de Nottingham. Cuando el imán desciende hacia el superconductor, induce una corriente eléctrica, que a su vez crea un campo magnético opuesto al del imán. Como el superconductor no tiene resistencia eléctrica, la corriente inducida sigue fluyendo y mantiene el imán suspendido indefinidamente.
La levitación magnética es una de las propiedades más características e importantes de los superconductores. Gracias a la levitación se han podido construir trenes de alta velocidad por levitación magnética (maglev), tal como publicamos en otro artículo de esta revista. Este tipo de trenes levita sobre las vías gracias a las fuerzas de interacción entre los campos magnéticos producidos en los imanes o bobinas situados en el tren y en los raíles. Al levitar, el tren puede desplazarse sin que haya ningún contacto con los raíles, con lo cual puede alcanzar velocidades muy elevadas.
La levitación magnética tiene también aplicaciones en otras áreas tecnológicas, como en el almacenamiento de energía, ya que permite hacer girar indefinidamente una rueda superconductora inmersa en un campo magnético de manera que almacene la energía mecánica. Asimismo se aplica en medicina cardiovascular.