2. DEFINICIÓN
Poseen una susceptibilidad negativa.
En estos materiales, el campo se ve
reducido por efecto de la
magnetización inducida, que se opone
al campo externo. Para casi todos los
diamagnéticos y puede aproximarse .
3. VALORES TÍPICOS
Material 105
χm Material 105
χm
Bismuto -16.6 Mercurio -2.9
Plata -2.6
Carbono
(diamante)
-2.1
Carbono (grafito) -1.6 Plomo -1.8
Cloruro sódico -1.4 Cobre -1.0
Agua -0.91 CO2 -0.0012
4. ORIGEN DEL DIAMAGNETISMO
Aunque una explicación correcta del diamagnetismo requiere el uso de mecánica
cuántica, puede darse una interpretación cualitativa empleando electromagnetismo
clásico.
Según el modelo atómico de Bohr, podemos imaginarnos cada electrón atómico
como una pequeña espira de corriente, que llevará asociada un pequeño momento
bipolar magnético. En ausencia de campo magnético, la contribución de los
electrones que giran en un sentido se cancela con la de los que giran en sentido
opuesto y la magnetización será nula.
Si se aplica un campo magnético externo, la variación del flujo a través de cada
espira induce un cambio en la corriente, según la ley de Faraday. De acuerdo con
la ley de Lenz, la corriente inducida será tal que se opone a la variación del flujo
magnético. Puesto que éste ha aumentado, la corriente inducida produce un campo
magnético en sentido opuesto. Esto es, el momento magnético debido a la corriente
inducida va en sentido opuesto al campo aplicado. Esto es cierto tanto si los
electrones giran en un sentido como si giran en el contrario. El resultado es que
todos los átomos contribuyen con un dipolo opuesto al campo aplicado, y resulta una
magnetización anti-paralela al campo. El material se comportará como un
diamagnético.
Si este principio es general, cabe entonces preguntarse por qué todos los
materiales no se comportan como diamagnéticos. La razón es que el efecto descrito
es muy pequeño. Si, superpuestos a él, existe paramagnetismo o ferromagnetismo,
la contribución diamagnética es despreciable.
5. COMPORTAMIENTO DE UN DIAMAGNÉTICO.
LEVITACIÓN
Cuando se coloca una partícula diamagnética en el seno de un
campo aparece una magnetización en sentido opuesto al campo magnético .
Puesto que la susceptibilidad de un diamagnético es negativa, pero nunca
supera el valor -1 (esto es, la permeabilidad siempre es positiva), la
imanación también va en sentido opuesto al campo magnético :
El campo magnético en el interior de un diamagnético será menor que el que
campo aplicado: los diamagnéticos reducen el campo magnético.
El que la magnetización vaya en sentido opuesto al campo aplicado hace
que los materiales diamagnéticos sean repelidos por los imanes.
Supongamos una partícula diamagnética situada encima del polo norte de un
imán (o de una bobina). El campo aplicado va hacia arriba, por lo que el
momento dipolar de la partícula va hacia abajo. Al enfrentarse los polos
norte, la partícula se ve repelida. Lo mismo si es un polo sur.
6. El que la magnetización vaya en sentido opuesto al campo aplicado hace que los
materiales diamagnéticos sean repelidos por los imanes. Supongamos una
partícula diamagnética situada encima del polo norte de un imán (o de una bobina).
El campo aplicado va hacia arriba, por lo que el momento dipolar de la partícula va
hacia abajo. Al enfrentarse los polos norte, la partícula se ve repelida. Lo mismo si
es un polo sur. Aplicando campos muy intensos puede hacerse levitar objetos
formados por agua, como una pequeña rana.
Matemáticamente, el dipolo magnético inducido en la partícula será de la forma.
Con α una constante de proporcionalidad, negativa en este caso (en el caso
particular de una partícula esférica su valor es α = 3χmτ / μ0(3 + χm)).
La fuerza sobre esta partícula será:
Con ayuda del cálculo vectorial esta fuerza se puede escribir:
7. Obsérvese que en este caso, la energía potencial no coincide con la energía de
un dipolo fijo en un campo externo ). La fuerza impulsa al dipolo en la dirección
de la mínima energía potencial. Teniendo en cuenta que α es negativo, esta
energía se puede escribir:
Que nos dice que la energía será mínima cuando lo sea el módulo del campo
magnético. En términos físicos, una partícula diamagnética tiende a moverse
hacia donde el campo es más débil.
Puesto que la interacción entre imanes cumple la 3ª ley de Newton, del mismo
modo que podemos decir que una partícula diamagnética tiende a levitar cuando
se coloca sobre un imán, también podemos afirmar el recíproco: un imán tiende
a levitar cuando se coloca sobre una superficie diamagnética. Este es el
fundamento de la levitación en superconductores.
