Levitació diamagnètica

El comportament dels imants és un fet que ha cridat l’atenció al llarg del temps. En encarar cares iguals d’imants anulars sobre un eix, aconseguim que levitin. En un pas següent ens preguntem com es pot aconseguir aquest fenomen sense haver de recórrer a mantenir els imants sobre un eix. Els materials diamagnètics proporcionen eines per a una levitació estable, tal com es mostra a l’article següent. La levitació diamagnètica és una levitació basada en la repulsió que tots i cada un dels materials ofereixen al pas de camp magnètic pel seu interior, és a dir, a l'apropament d'un imant. Alguns materials mostren clarament aquest comportament i per això s’han utilitzat per fer les demostracions.

Diamagnetisme

El diamagnetisme és una forma molt dèbil de magnetisme que només es dóna en presència d’un camp magnètic extern. Els moments dipolars dels electrons d'aquests materials tendeixen a alinear-se paral•lelament al camp magnètic però en sentit contrari, de manera que les línies de força del camp magnètic extern es desvien cap a l'exterior del material i es genera una força de repulsió entre el material diamagnètic i l'origen del camp magnètic.
Tots els materials mostren una resposta diamagnètica davant l'aplicació d'un camp magnètic extern; es tracta d'un fenomen força comú perquè tots els electrons aparellats, incloent-hi els de la part interna de l’àtom, contribueixen feblement a la resposta del material. Les substàncies que presenten un comportament diamagnètic reben el nom de materials diamagnètics.

Alguns exemples de materials diamagnètics són l’aigua, el bismut, el carbó/grafit pirolític (vegeu la figura 3) o el mercuri, així com tots els gasos nobles. El diamagnetisme va ser observat l'any 1778 per S. J. Bergman quan va adonar-s que el bismut i l'antimoni eren feblement repel·lits per un imant. Ara bé, el diamagnetisme com a concepte el va establir Michael Faraday el setembre de 1845 quan va observar que un tros de bismut era repel·lit pels dos pols d'un imant, de manera que va deduir que l'imant induïa un dipol magnètic invers en el bismut. Més tard va adonar-se que tots els materials presentaven una resistència al pas de línies de força magnètiques pel seu interior, la qual cosa generava una feble repulsió envers l'imant. Faraday va anomenar aquest fenomen diamagnetisme.

El 1961 el físic D. B. Fischbach va descobrir les altes susceptibilitats negatives a temperatura ambient de grafits pirolítics generats a 2100-2300ºC al ,a l’Institut Tecnològic de Califòrnia, a Pasadena, California, troballa que va suposar el descobriment del material més diamagnètic a temperatura ambient.

Materials

Les demostracions de levitació s’han fet amb bismut i amb carbó pirolític. Aquí mostrarem les levitacions fetes amb carbó pirolític.

Carbó pirolític

El carbó pirolític , també anomenat grafit pirolític (vegeu imatge), és un material semblant al grafit que s'obté a partir de la piròlisi dels hidrocarburs, que s'escalfen fins que arriben gairebé a la temperatura de descomposició i formen partícules de carboni en suspensió. D’aquesta manera, quan la temperatura baixa una mica, el carboni cau per la gravetat, es diposita en el recipient, cristal•litza en làmines i forma carbó pirolític. També es pot fer cristal•litzar en fibres que esdevenen la fibra de carboni.

Adquisició dels materials i preparació

Carbó pirolític

Els diferents materials s’han comprat per Internet a l’empresa dels Estats Units:

http://www.emovendo.net/magnet/pyrolytic-graphite-block.html

El carbó pirolític es distribueix en plaques de 25 X 25 X 4,7 mm³, aproximadament, a 45 $ la placa.

Imants

Imants de neodimi, que són necessaris per fer les levitacions.

Tall de la placa de carbó pirolític

Es va tallar la placa de carbó pirolític, ja que era massa gran i massa pesada per fer-la levitar sobre el camp magnètic dels imants de neodimi de què disposàvem. Atesa la capacitat d’exfoliació del carbó pirolític, es va tallar la placa amb un cúter. Si feu clic a la figura 5, podreu veure el vídeo de l'operació.

Demostracions de levitació amb carbó pirolític

Levitació d’una petita làmina de carbó pirolític sobre imants

Per fer levitar la petita làmina de carbó pirolític sobre els imants, es necessita una gran concentració de flux magnètic, perquè llavors la força creada pel diamagnetisme del carbó pirolític és més forta: com més flux magnètic, més resistència al pas d'aquest hi haurà en el carbó pirolític. La manera d'aconseguir aquesta concentració en l'aire és col•locant dos pols oposats de dos imants diferents molt a prop, de manera que les línies de flux passin d'un imant a l'altre sense dispersar-se per l'aire, ja que prefereixen passar per l'interior de l'imant, que és ferromagnètic, que per l'aire. D'aquesta manera s'han de col•locar quatre imants en la disposició que es mostra a la imatge següent:

Levitació d’un imant sobre carbó pirolític

Per fer levitar un imant sobre carbó pirolític no n'hi ha prou amb la força que exerceix el carbó pirolític sobre l'imant, ja que el diamagnetisme és una propietat molt feble. El carbó pirolític és un material molt lleuger, semblant al grafit, a causa de la seva estructura cristal•lina de carboni, però els imants estan fets de terres rares recobertes de níquel i són més densos que molts metalls. Els imants que s’han utilitzat són d'una ceràmica que és NdFeB (neodimi, ferro i bor) i són dels més potents del mercat. D'aquesta manera, un imant no pot levitar així com així sobre una placa de carbó pirolític a causa del pes. Si es donés el cas que el carbó pirolític tingués el diamagnetisme prou potent o el camp magnètic de l'imant fos prou gran, l'imant no romandria en l'aire levitant, sinó que s'allunyaria del carbó pirolític i viceversa, com dos pols iguals d'un imant, i seria impossible fer-lo levitar.
Per solucionar aquest problema, és a dir, aconseguir estabilitat, cal col·locar sobre l'imant i el carbó un altre imant potent per contrarestar la força de la gravetat que actua sobre l'imant que levita, i així fer visible la feble força del diamagnetisme que el fa levitar.
Si feu clic a la figura 8, podreu veure un fragment del vídeo que mostra la levitació d'un imant sobre carbó pirolític.

Conclusions

La levitació diamagnètica ja és un fet. Ara només falta fer recerca per trobar aplicacions útils per a la nostra societat.
L’empresa nord-americana SRI International, de Califòrnia, anuncia per Internet un sistema de transport per diamagnetisme desenvolupat per ells mateixos que és capaç de fer levitar i transportar una massa de 10 kg. Podeu consultar la informació a l'adreça URL següent: http://www.sri.com/esd/automation/diamagnetic.html

Podeu trobar tots els vídeos amb les demostracions a l'adreça de http:\\www.youtube.com\user\Fonserbc.