La levitación parece cosa de magia. Pero en realidad todos los materiales reaccionan ante los campos magnéticos.
La levitación es un fenómeno que consiste en elevar un cuerpo y mantenerlo en el aire sin que nada lo toque. Es un efecto espectacular y digno de ver. Pero, además, es una de las bases de algunos de los inventos más sofisticados del mundo moderno. Tras este fenómeno se encuentran, en realidad, algunos factores físicos importantes y que merece la pena conocer.
Campos magnéticos
Para comenzar, es imprescindible entender uno de los factores clave existentes tras la levitación. Este no es otro que el campo magnético. Un campo magnético es en realidad una descripción matemática de una fuerza que afecta a los llamados materiales ferromagnéticos, como algunos metales o los imanes. El campo magnético en cualquier punto está especificado por dos valores, la dirección y la magnitud. Los campos magnéticos son producidos por cualquier carga eléctrica en movimiento.
Pero también se deben al momento magnético intrínseco de las partículas, algo que pertenece a su naturaleza y que se asocia a una propiedad llamada espín. Estas propiedades son complejas y difíciles de entender en el mundo que vemos todos los días; pero existen y hacen que los materiales se comporten como se comportan. En el caso de los campos magnéticos, hacen que un material sea atraído o repelido, por ejemplo, debido al campo magnético al que se le someta.
Levitación magnética
Al igual que en los materiales ferromagnéticos, como el hierro, existen materiales diamagnéticos, que repelen dichos campos por completo. Todos los materiales, en el fondo, responden a los campos magnéticos con más o menos fuerza repeliéndolos o sintiéndose atraídos. Esta es la propiedad que se aprovecha en la levitación magnética para hacer flotar las cosas.
| «En la levitación, la presión magnética se contrapone a la gravedad» |
La levitación magnética, también conocida por su acrónimo inglés Maglev, es un método por el cual un objeto es mantenido a flote por acción únicamente de un campo magnético. En otras palabras, la presión magnética se contrapone a la gravedad. Cabe decir que cualquier objeto puede ser levitado siempre y cuando el campo magnético sea lo suficientemente fuerte.
Para buscar un material con el que se puede apreciar a simple vista y con claridad tenemos que usar algunos pequeños trucos. Como explicábamos, el magnetismo está asociado a las corrientes eléctricas. Para poder conseguir un material que sea tan diamagnético como para que pueda flotar, se puede usar una sustancia especial llamada superconductor.
El efecto Meissner
Un superconductor no es otra cosa que un material que deja pasar la electricidad con una facilidad increíble. Tanto que prácticamente no pierde energía (en forma de calor o luz, como en las bombillas). Deja pasar tan sumamente bien la electricidad y los electrones que su naturaleza interna provoca un efecto extraordinario en los campos magnéticos: los repele de una forma casi perfecta, de manera que “evitan” al material, envolviéndolo.
| «Meissner y Ochsenfeld encontraron que el campo magnético se anula completamente en el interior del material superconductor» |
Esto es lo que llamamos Efecto Meissner. El efecto Meissner consiste en la desaparición total del flujo del campo magnético en el interior de un material superconductor. Pero para ello, el material ha de alcanzar una temperatura por debajo de su temperatura crítica. Esta temperatura es la que cambia la naturaleza de las partículas para que ocurra dicho efecto. Meissner y Ochsenfeld encontraron que el campo magnético se anula completamente en el interior del material superconductor y que las líneas de campo magnético son expulsadas del interior del material, por lo que este se comporta como un material diamagnético perfecto.
Encarcelamiento cuántico
Volviendo a la levitación, este efecto hace que el material se quede atrapado en el aire, sujeto por el campo magnético que lo envuelve. Para poder ver el efecto existen en la actualidad varios kits comerciales de superconductores y maglevs. Estos están compuestos, esencialmente de un material especial: cristal de zafiro cubierto con una capa fina de material cerámico compuesto de óxidos de itrio, bario y cobre. Para que funcione el efecto Meissner el superconductor debe alcanzar su temperatura supercrítica, que está cerca de los -185ºC.
Para poder bajar a esa temperatura (y permitir que se mantenga), no hay más remedio que usar nitrógeno líquido, que es la razón por la que la placa humea nitrógeno mientras se usa. En casos como este, puesto que el superconductor es extremadamente delgado, el campo magnético no penetra del todo. Sin embargo, sí que penetra en cantidades discretas (se trata de la física cuántica, después de todo) a través de los denominados tubos de flujo. Dentro de cada tubo de flujo magnético la superconductividad está localmente destruida.
Así que el superconductor trata de mantener los tubos magnéticos “agarrados” en las zonas débiles. Esto provoca lo que se conoce como “sujeción de flujo” o captura cuántica. Cualquier movimiento espacial del superconductor hará que los tubos de flujo se muevan con él como si fueran tensores, quedando el superconductor “atrapado” en el aire, de tal forma que mantiene la distancia sin fricción con el cuerpo que genera el campo, conservando incluso una posición determinada.
¿Para qué nos sirve?
Las aplicaciones más comunes de la levitación magnética son los trenes Maglev, trenes bala capaces de alcanzar más de 600 km por hora, el rodamiento magnético, y la levitación de productos para su exposición.
| «En un futuro, y si llegamos a controlar la fusión nuclear, otra utilidad de la levitación magnética podría ser la levitación del plasma.» |
En un futuro, y si llegamos a controlar la fusión nuclear, otra utilidad de la levitación magnética podría ser la levitación del plasma. Esta sería la única manera posible ya que los millones de grados a los que ocurre este fenómeno derretirán cualquier contenedor. Estos efectos magnéticos y cuánticos hacen que la materia se comporte de una manera que parece auténtica cosa de magia. Pero no lo es. Todo lo contrario, es física y muy práctica, de manera que nos permite resolver algunas cuestiones de nuestro entorno usando el ingenio y nuestras técnicas más avanzadas.