Imanes Los tienes en tu refrigerador, has jugado con ellos cuando eras niño, incluso has sostenido una brújula en tu mano mientras la aguja de la brújula apuntaba al polo norte magnético de la Tierra. Pero, como trabajan? ¿Qué es este fenómeno del magnetismo?
¿Qué es el magnetismo?
El magnetismo es un aspecto de la fuerza electromagnética fundamental. Describe fenómenos y fuerzas asociados con imanes u objetos magnéticos.
Todos los campos magnéticos se generan moviendo cargas o cambiando los campos eléctricos. Es por eso que los fenómenos de la electricidad y el magnetismo se denominan colectivamente electromagnetismo. ¡Son realmente uno y lo mismo!
Dentro de todos los materiales, los átomos contienen electrones, y esos electrones forman una nube alrededor del núcleo atómico, con su movimiento general creando un dipolo magnético en miniatura. En la mayoría de los materiales, sin embargo, la distribución aleatoria de orientaciones de estos mini-imanes hace que los campos se cancelen. Los materiales ferromagnéticos son la excepción.
Muchos materiales presentan fenómenos magnéticos, como el hierro, el manganeso, la magnetita y el cobalto. Estos pueden existir como imanes permanentes o pueden ser paramagnéticos (es decir, atraídos por materiales magnéticos pero que no retienen el magnetismo permanente por sí mismos). Los electroimanes se crean al pasar corriente eléctrica a través de un cable enrollado alrededor de un material como el hierro (o por cualquier situación en la que haya una carga eléctrica en movimiento).
Los materiales magnéticos pueden atraerse entre sí o repelerse, dependiendo de qué partes de esos materiales se unan.
Campos magnéticos
Al igual que con la fuerza eléctrica y la fuerza gravitacional, los objetos que ejercen fuerzas magnéticas entre sí generan un campo a su alrededor. Un imán de barra, por ejemplo, crea un campo magnético en el espacio que lo rodea, lo que hace que cualquier otro imán o material ferromagnético introducido en ese campo sienta una fuerza como resultado.
Una forma de visualizar el campo magnético es utilizar limaduras de hierro. Las limaduras de hierro son pequeñas piezas de hierro que, cuando se rocían alrededor de un imán, se alinean con las líneas del campo magnético externo, lo que le permite visualizarlas.
La unidad SI asociada con la fuerza del campo magnético es el tesla.
1 \ text {Tesla} = 1 \ text {T} = 1 \ frac {\ text {kg}} {\ text {As} ^ 2} = \ frac {\ text {Vs}} {\ text {m} ^ 2} = \ frac {\ text {N}} {\ text {Am}}
Otra unidad común asociada con la fuerza del campo magnético es el gauss.
1 Gauss = 1 G = 10-4 T
Tipos de magnetismo
Hay muchos tipos diferentes de magnetismo:
Paramagnetismodescribe ciertos materiales que pueden ser atraídos débilmente por los imanes pero que no retienen un campo magnético permanente por sí mismos. En presencia de un campo externo, formarán campos magnéticos internos inducidos que se alinean. Esto puede resultar en una amplificación temporal del campo magnético en general. Hay muchos tipos diferentes de materiales paramagnéticos, incluso algunas piedras preciosas.
Diamagnetismoes una propiedad que presentan todos los materiales, pero que suele ser más obvia en los materiales que consideramos no magnéticos. Los materiales diamagnéticos son repelidos muy débilmente por los campos magnéticos. En imanes permanentes y materiales paramagnéticos, los efectos del diamagnetismo son insignificantes.
Electromagnetismoocurre cuando la corriente eléctrica pasa a través de un cable. Ese cable se puede enrollar alrededor de una barra de hierro para amplificar el efecto, ya que el hierro creará su propio campo magnético que se alinea con el campo externo. Esta forma de magnetismo es un resultado directo del hecho de que el movimiento de los electrones crea un campo magnético. (¡Nuevamente, la electricidad y el magnetismo son dos lados de la misma propiedad física fundamental!)
Ferromagnetismodescribe cómo ciertos materiales, llamados materiales ferromagnéticos, forman imanes permanentes, que se analizan con más detalle en la siguiente sección.
Materiales ferromagnéticos
Los materiales que se sienten fuertemente atraídos por los imanes se denominan ferromagnéticos. El hierro es el material más común de este tipo. (No es de extrañar ya que el prefijo latinoferro- significa "hierro").
Los materiales ferromagnéticos tienen los llamados dominios magnéticos; es decir, regiones dentro de ellos que son como imanes, pero orientados en diferentes direcciones de modo que el efecto general se cancela y generalmente no actúan como imanes. Sin embargo, si estos materiales se colocan en campos magnéticos, esto puede causar una alineación de los dominios de modo que que todos están alineados en la misma dirección y, por lo tanto, se vuelven (a menudo temporalmente) como imanes ellos mismos.
Los materiales ferromagnéticos incluyen piedra imán, hierro, níquel, cobalto y varios materiales de tierras raras, incluido el neodimio.
Imanes de barra, dipolos y propiedades magnéticas
Un imán de barra es una barra rectangular o cilíndrica de material magnético. Los extremos de una barra magnética son los polos norte y sur. Estos son los dos tipos de polos magnéticos e interactúan entre sí a través de una fuerza magnética de una manera similar a cómo interactúan las cargas positivas y negativas a través de la fuerza eléctrica.
Los imanes de barra son dipolos magnéticos. Tienen polos opuestos separados por una distancia, similar a un dipolo eléctrico. Sin embargo, una diferencia principal es que con los imanes, no se puede tener un monopolo (un polo aislado) como se puede tener con cargas. Un imán siempre existe como un dipolo y nunca como un polo norte por sí mismo o un polo sur por sí mismo. (Si cortas un imán de barra por la mitad para intentar separar los polos, ¡simplemente terminarás con dos imanes dipolares más pequeños!)
Campo magnético de la tierra
Como probablemente sepa, la Tierra tiene un campo magnético. Esto permite que las personas utilicen brújulas para determinar en qué dirección están mirando en relación con los polos. Una brújula magnética consiste en un pequeño imán que puede moverse libremente y alinearse con cualquier campo externo. El extremo rojo de la aguja de la brújula apunta hacia el norte. El campo magnético de la Tierra actúa como una barra magnética gigante. Esta barra magnética imaginaria está orientada de modo que el extremo norte del imán esté en el polo sur de la Tierra y el extremo sur del imán en el polo norte de la Tierra.
El campo magnético de la Tierra tampoco es paralelo a la superficie de la Tierra en la mayoría de los lugares. Puede determinar la declinación del campo magnético de la Tierra con una aguja de inmersión. Primero, oriente la aguja horizontalmente y alinéela con el norte magnético de la Tierra. Luego, gírelo verticalmente y observe el ángulo de inclinación. El ángulo es mayor cuanto más cerca estás de los polos.
El campo magnético de la Tierra crea una región del espacio que rodea al planeta llamada magnetosfera. La magnetosfera se parece esencialmente al campo magnético de una barra magnética muy grande alineada cerca del eje de la Tierra, aunque la magnetosfera puede deformarse al interactuar con partículas cargadas.
La magnetosfera nos protege del viento solar, que contiene partículas cargadas. Las interacciones entre estas partículas y las líneas del campo magnético son las que dan lugar a las auroras.
Ejemplos de
El fenómeno del magnetismo se utiliza en todo tipo de aplicaciones cotidianas.
El fenómeno del electromagnetismo nos permite convertir energía mecánica en energía eléctrica en generadores eléctricos. Los generadores eléctricos utilizan medios mecánicos para hacer girar una turbina (viento que sopla o agua corriente) que cambia un campo magnético en relación con las bobinas de alambre, induciendo el flujo de corriente.
Los motores eléctricos son esencialmente lo opuesto a los generadores eléctricos, utilizando electromagnetismo para convertir energía eléctrica en energía mecánica, ya sea para hacer funcionar un taladro eléctrico, una batidora o una vehículo.
Los electroimanes industriales son imanes gigantes con campos magnéticos muy fuertes que les permiten recoger vehículos viejos en el depósito de chatarra.
Las máquinas de resonancia magnética utilizan fuertes campos magnéticos para crear imágenes de su interior y permitir que los médicos diagnostiquen una gran cantidad de afecciones médicas.