Categoría: Ciencia

Releyendo la anotación anterior de Magnetismo y superconductores, me he dado cuenta que me quedó, inconscientemente, un pelín técnica. Para algunas personas probablemente sólo tuvo interés el vídeo. Además, tengo pendiente una promesa de ampliar el contenido de aquella anotación. Esta vez, voy a intentar que lo entienda hasta un niño de cuatro años. ¡Que alguien traiga a un niño de cuatro años! Bueno, mejor no… ;-)

Vamos a tratar de entender primero por qué unos materiales son magnéticos y otros no. Para ello, vamos a comprender qué ocurre dentro de ellos. Después, hablaremos del caso especial de los superconductores.

Materiales que se imantan, o no

Los materiales están compuestos de átomos y, dependiendo del elemento que analicemos (hierro, cobalto, niquel…), estos átomos tienen un determinado momento magnético, más grande o más pequeño. Vamos a aproximarlo, para entenderlo, como la capacidad que tienen los átomos de ejercer fuerza sobre cargas en movimiento. El tamaño de este momento magnético es más grande en los elementos que se imantan con facilidad (como el hierro) y es pequeño o nulo en los que no lo hacen.

Vamos a abstraernos a algo más sencillo. Los materiales son un conjunto de átomos, y los vamos a representar mediante un conjunto de personas. Imaginaos a muchas personas apretujadas empujándose unas a otras. Cada persona está orientada hacia un sitio aleatoriamente y empujando en esa dirección (esto representa el momento magnético). Si hay suficientes personas, por cada persona que encontremos empujando en una dirección, encontraremos otra en la contraria. Así que el conjunto está en equilibrio, quieto: el material no está imantado. Si tenemos un material que se puede imantar, como el hierro, en nuestro ejemplo significa que las personas del grupo son muy fuertes y empujan con fuerza. Si el material no se puede imantar, significa que las personas de nuestro grupo empujan muy poquito o nada.

Ahora coloquemos el material en un campo magnético constante (sometido a la acción de un gran imán). En nuestro ejemplo, significaría que ponemos unas máquinas que cuelgan del techo a girar y orientar a todas y cada una de las personas del grupo en el sentido en el que va el campo magnético, de forma que todas empujen en esa dirección. Pero ellos se oponen, se resisten a ser desviados. Esto tiene que ver con la susceptibilidad magnética. En la mayoría de los materiales, esta susceptibilidad es del orden de -0,0001 o incluso menos. El signo nos indica oposición al campo magnético: nuestras cobayas humanas hacen fuerza en el sentido contrario al que tratan de girarlas. El número tan bajito, indica que hacen muy poca fuerza. Es como si hubiéramos situado al grupo en una pista de hielo: intentan oponerse, pero se resbalan y acaban empujando todos en la misma dirección prácticamente.

Si tenemos hierro, como todos tienen mucha fuerza y empujan en la misma dirección, se está creando otro campo que se suma al que hemos aplicado: el material está imantado, porque crea campo por sí mismo. Si es gente enclenque, no empujarán por mucho campo que haya fuera, así que el material no estará imantado.

Superconductores

Ahora situamos a nuestro grupo sobre una superficie que agarre mucho, como asfalto. Si ahora tratamos de girarlos para orientarlos en una dirección, podrán hacer mucha fuerza para evitarlo, y se colocarán todos en contra de la fuerza que hacemos nosotros. Esto es porque la susceptibilidad de los superconductores es -1. Lo cual significa que son capaces de hacer tanta fuerza como apliquemos nosotros, pero en sentido contrario: estarán creando un campo magnético exterior igual y de sentido opuesto, y repelen al primero.

Este afán de los átomos por oponer su momento magnético al de los campos exteriores se denomina diamagnetismo. Toda la materia es diamagnética, porque todos los átomos lo son. Lo que ocurre es que, como hemos visto, el efecto en general es mínimo, debido a que predominan otras fuerzas. En los superconductores, al moverse las cargas sin gasto energético en su interior, el efecto se hace notar: son diamagnéticos perfectos. Ya visteis el vídeo.

Recapitulando

Los materiales que se convierten en imanes al poner uno cerca, tienen átomos con momento magnético más o menos grande. Éstos se orientan en el sentido del campo del imán y crean otro campo magnético del mismo sentido que el primero, reforzándolo.

Los materiales que no se convierten en imanes, tienen átomos sin momento magnético (porque los momentos de sus electrones están equilibrados, pero esta es otra historia…). El campo magnético de un imán que coloquemos cerca pasa por el material sin pena ni gloria.

En los materiales superconductores se da el diamagnetismo perfecto, por el cual, se crea un campo igual y de sentido contrario al impuesto que expele a éste fuera del material. Esto ocurre debido a corrientes superficiales que fluyen libremente con gasto energético nulo.

Un material conductor presenta siempre una pequeña resistencia al paso de la corriente eléctrica que produce una caída de potencial entre sus extremos. Este efecto en los cables, cuando tratamos con corriente eléctrica a 50 Hz como la de los enchufes, es despreciable. Sin embargo, cuando se trabaja con circuitos a frecuencias mayores (microondas), las líneas de transmisión perturban la señal comportándose como resistencias, haciendo importante su estudio.

Los materiales superconductores, en cambio, presentan resistencia cero, es decir, conductividad infinita. Claro que existe un límite al paso de la corriente a partir del cual dejan de comportarse como superconductores, puesto que el número de electrones en todo material es finito.

Otra propiedad curiosa de estos materiales es que son diamagnéticos, lo que significa que el campo magnético no penetra en ellos. Sometido al campo de un imán, se crean corrientes en el interior del superconductor de manera que forman un campo magnético opuesto al recibido, lo repele y no penetra en el material. Las líneas de campo son cerradas, por lo que no tienen otro remedio que cerrarse a través del espacio entre el imán y el superconductor, impidiendo que se toquen. Esto es conocido como el efecto Meissner, y lo podemos ver en acción en el siguiente vídeo:

El material depositado en el cuenco se convierte en superconductor al enfriarlo drásticamente con nitrógeno líquido. Al poner un imán sobre él, ¡éste flota! Además, como el imán crea un campo magnético con simetría axial, puede girar libremente debido a que con ello el campo no varía. El superconductor «no se entera» de que el imán da vueltas. Pero eso no es lo más sorprendente. Al ser el material un superconductor de tipo II, no es totalmente cierto que el campo magnético no penetre. En realidad algunas líneas de campo entran quedando ancladas en los defectos microestructurales del material (ya que no es completamente liso). El movimiento de este flujo de campo magnético a través de las imperfecciones del material conllevaría un gasto de energía, de ahí ese efecto de anclaje. Y por ello, al levantar el imán, el superconductor queda «pegado» a él en la distancia.

Por último, el material se calienta fuera del nitrógeno líquido perdiendo las propiedades antes descritas, y el imán se cae.

(Vía: Teleobjetivo; Fuente: Profísica)