Diamagnetismo: materiales, aplicaciones, ejemplos
El diamagnetismo es una de las respuestas que tiene la materia ante la presencia de un campo magnético externo. Se caracteriza por ser contraria u opuesta a este campo magnético y usualmente, a menos que sea la única respuesta magnética del material, su intensidad es la más débil de todas.
Cuando el efecto repulsivo es el único que un material presenta ante un imán, el material es considerado diamagnético. Si otros efectos magnéticos predominan, dependiendo de cuál sea este, se le considerará paramagnético o ferromagnético.
Se le atribuye a Sebald Brugmans en 1778 la primera referencia a la repulsión entre cualquiera de los polos de un imán y un trozo de material, particularmente evidente en elementos como el bismuto y el antimonio.
Más tarde, en 1845 Michael Faraday estudió con más detenimiento este efecto y concluyó que se trataba de una propiedad inherente a toda la materia.
Índice del artículo
- 1 Materiales diamagnéticos y su respuesta
- 2 Magnetismo en la materia
- 3 Aplicaciones: magneto-encefalografía y tratamiento de aguas
- 4 Referencias
El comportamiento magnético del bismuto y el antimonio, y otros como el oro, el cobre, el helio y sustancias como el agua y la madera, difiere muchísimo de la conocida y poderosa atracción magnética que los imanes ejercen sobre el hierro, el níquel o el cobalto.
Pese a ser por lo general una respuesta de baja intensidad, ante un campo magnético externo lo suficientemente intenso, cualquier material diamagnético, incluso materia orgánica viva, es capaz de experimentar una magnetización opuesta muy notable.
Generando campos magnéticos tan intensos como de 16 Tesla (ya uno de 1 Tesla es considerado bastante intenso), los investigadores del Nijmegen High Field Magnet Laboratory de Amsterdam en Holanda lograron levitar magnéticamente fresas, pizzas y ranas en los años noventa.
También es posible levitar un pequeño magneto entre los dedos de una persona, gracias al diamagnetismo y a un campo magnético lo suficientemente intenso. Por sí solo, el campo magnético ejerce una fuerza magnética capaz atraer con fuerza un pequeño imán y se puede intentar que esta fuerza compense al peso, sin embargo el imán pequeño no permanece muy estable que se diga.
Apenas experimenta un desplazamiento mínimo, la fuerza ejercida por el imán grande lo atrae rápidamente. Sin embargo cuando los dedos humanos se interponen entre los imanes, el imán pequeño se estabiliza y levita entre el pulgar y el índice de la persona. La magia se debe a efecto de repulsión causado por el diamagnetismo de los dedos.
El origen del diamagnetismo, que es la respuesta fundamental de cualquier sustancia a la acción de un campo magnético externo, yace en el hecho de que loa átomos están formados por partículas subatómicas que poseen carga eléctrica.
Estas partículas no están estáticas y su movimiento se encarga de producir campo magnético. Por supuesto, la materia está repleta de ellas y siempre cabe esperar algún tipo de respuesta magnética en cualquier material, no solo de los compuestos de hierro.
El electrón es el principal responsable de las propiedades magnéticas de la materia. En un modelo muy simple, puede suponerse que esta partícula orbita al núcleo atómico con un movimiento circular uniforme. Esto basta para que el electrón se comporte como una diminuta espira de corriente capaz de generar campo magnético.
A la magnetización proveniente de este efecto se le denomina magnetización orbital. Pero el electrón posee una contribución adicional al magnetismo del átomo: el momento angular intrínseco.
Una analogía para describir el origen del momento angular intrínseco es suponer que el electrón posee un movimiento de rotación alrededor de su eje, propiedad que recibe el nombre de espín.
Al tratarse de un movimiento y por ser una partícula cargada, el espín contribuye también con la llamada magnetización de espín.
Ambas contribuciones dan lugar a una magnetización neta o resultante, sin embargo la más importante es precisamente la que se debe al espín. Los protones en el núcleo, pese a que poseen carga eléctrica y espín, no contribuyen significativamente a la magnetización del átomo.
En los materiales diamagnéticos la magnetización resultante es nula, ya que las contribuciones tanto del momento orbital como las del momento de espín se cancelan. La primera a causa de la ley de Lenz y la segunda, debido a que los electrones en los orbitales se establecen en parejas con espín opuesto y las capas se llenan con número par de electrones.
El efecto diamagnético surge cuando la magnetización orbital recibe la influencia de un campo magnético externo. La magnetización así obtenida se denota M y es un vector.
Sin importar hacia donde se dirija el campo, la respuesta diamagnética siempre será repulsiva gracias a la ley de Lenz, que afirma que la corriente inducida se opone a cualquier cambio en el flujo magnético que atraviesa la espira.
Pero si el material contiene alguna clase de magnetización permanente, la respuesta será de atracción, tal es el caso del paramagnetismo y el ferromagnetismo.
Para cuantificar los efectos descritos, consideremos un campo magnético externo H, aplicado sobre un material isotrópico (sus propiedades son la mismas en cualquier punto del espacio), dentro del cual se origina una magnetización M. Gracias a ello, en su interior se crea una inducción magnética B, como resultado de la interacción que ocurre entre H y M.
Todas estas cantidades son vectoriales. B y M son proporcionales a H, siendo la permeabilidad del material μ y la susceptibilidad magnética χ, las constantes de proporcionalidad respectivas, que indican cual es la particular respuesta de la sustancia a la influencia magnética externa:
B = μH
La magnetización del material también será proporcional a H:
M = χH
Las ecuaciones anteriores son válidas en sistema cgs. Tanto B como H y M tienen las mismas dimensiones, aunque diferentes unidades. Para B se utiliza el gauss en este sistema y para H se utiliza el oersted. El motivo para hacerlo así es diferenciar el campo aplicado externamente del campo que se genera en el interior del material.
En el Sistema Internacional, que es el comúnmente utilizado, la primera ecuación adquiere una apariencia algo diferente:
B = μo μr H
μo es la permeabilidad magnética del espacio vacío que equivale a 4π x 10-7 T.m/A (Tesla- metro/Ampere) y μr es la permeabilidad relativa del medio en referencia al vacío, que es adimensional.
En términos de la susceptibilidad magnética χ, que es la característica más adecuada para describir las propiedades diamagnéticas de un material, esta ecuación se escribe así:
B = (1 + χ) μoH
Con μr = 1 + χ
En el Sistema Internacional B viene en Tesla (T), mientras que H es expresado en Ampere/metro, una unidad que un tiempo se pensó en llamar Lenz, pero que hasta el momento se ha dejado en términos de las unidades fundamentales.
En aquellos materiales en los cuales χ es negativa, son considerados como diamagnéticos. Y se trata de un buen parámetro para caracterizar estas sustancias, ya que χ en ellos puede considerarse un valor constante e independiente de la temperatura. Esto no es así en los materiales que tienen más respuestas magnéticas.
Por lo general χ es del orden de -10-6 a -10-5. Los superconductores se caracterizan por tener χ = -1 y por ello el campo magnético interno se anula completamente (efecto Meisner).
Son los materiales diamagnéticos perfectos, en los cuales el diamagnetismo deja de ser una respuesta débil, y se vuelve lo suficientemente intensa como para levitar objetos, tal como se describió al comienzo.
Los seres vivos están hechos de agua y materia orgánica, cuya respuesta al magnetismo es débil por lo general. Sin embargo el diamagnetismo, tal como hemos dicho, forma parte intrínseca de la materia, incluyendo la orgánica.
En el interior de los seres humanos y animales circulan pequeñas corrientes eléctricas que sin duda crean efecto magnético. En este mismo instante, mientras el lector sigue con la mirada estas palabras, circulan pequeñas corrientes eléctricas en su cerebro que le permiten acceder e interpretar la información.
La débil magnetización que se produce en el cerebro es detectable. La técnica se conoce como magneto-encefalografía, que utiliza detectores llamados SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) para detectar campos magnéticos muy pequeños, del orden de 10-15 T.
Los SQUIDs son capaces de localizar fuentes de actividad cerebral con enorme precisión. Un software se encarga de recoger la data obtenida y transformarla en un mapa detallado de la actividad cerebral.
Los campos magnéticos externos pueden afectar el cerebro de alguna manera. ¿Qué tanto? Algunas investigaciones recientes han puesto de manifiesto que un campo magnético bastante de intenso, de alrededor de 1 T es capaz de afectar el lóbulo parietal, interrumpiendo en parte de la actividad cerebral por breves instantes.
Otras en cambio, en las cuales voluntarios han pasado 40 horas dentro de un imán que produce 4 T de intensidad, han salido sin sufrir efectos negativos observables. La Universidad de Ohio al menos, ha indicado que hasta los momentos no hay riesgo en permanecer dentro de campos de 8 T.
Algunos organismos como bacterias son capaces de incorporar pequeños cristales de magnetita y utilizarlos para orientarse dentro del campo magnético de la Tierra. Asimismo se ha encontrado magnetita en organismos más complejos como abejas y aves, quienes la utilizarían con el mismo fin.
¿Hay minerales magnéticos en el organismo humano? Sí, se ha encontrado magnetita en el cerebro humano, si bien se desconoce con qué finalidad está ahí. Se podría especular que se trata de una habilidad en desuso.
En cuanto al tratamiento del agua, se basa en que los sedimentos son básicamente sustancias diamagnéticas. Es posible emplear campos magnéticos intensos y así remover los sedimentos de carbonato de calcio, yeso, sal y otras sustancias que causan dureza en el agua y se acumulan en las tuberías y en los contenedores.
Se trata de un sistema con muchas ventajas para conservar el medio ambiente y mantener las cañerías en buen estado de operatividad por mucho tiempo y a bajo costo.
- Eisberg, R. 1978. Física Cuántica. Limusa. 557 -577.
- Young, Hugh. 2016. Sears-Zemansky’s University Physics with Modern Physics. 14th Ed. Pearson. 942
- Zapata, F. (2003). Estudio de mineralogías asociadas al pozo petrolero Guafita 8x perteneciente al campo Guafita (Estado Apure) mediante mediciones de Susceptibilidad Magnética y Espectroscopía Mossbauer. Trabajo Especial de Grado. Universidad Central de Venezuela.