Los imanes parecen misteriosos. Fuerzas invisibles unen los materiales magnéticos o, con el movimiento de un imán, los separan. Cuanto más fuertes sean los imanes, más fuerte será la atracción o repulsión. Y, por supuesto, la Tierra misma es un imán. Si bien algunos imanes están hechos de acero, existen otros tipos de imanes.
TL; DR (demasiado largo; No leí)
La magnetita es un mineral magnético natural. El núcleo de la Tierra girando genera un campo magnético. Los imanes de álnico están hechos de aluminio, níquel y cobalto con cantidades más pequeñas de aluminio, cobre y titanio. Los imanes de cerámica o ferrita están hechos de óxido de bario o de óxido de estroncio aleado con óxido de hierro. Dos imanes de tierras raras son el samario-cobalto, que contiene una aleación de samario-cobalto con oligoelementos (hierro, cobre, circón) e imanes de neodimio, hierro, boro.
Definición de imanes y magnetismo
Cualquier objeto que produzca un campo magnético e interactúe con otros campos magnéticos es un imán. Los imanes tienen un extremo o polo positivo y un polo o extremo negativo. Las líneas del campo magnético se mueven desde el polo positivo (también llamado polo norte) al polo negativo (sur). El magnetismo se refiere a la interacción entre dos imanes. Los opuestos se atraen, por lo que el polo positivo de un imán y el polo negativo de otro imán se atraen entre sí.
Tipos de imanes
Existen tres tipos generales de imanes: imanes permanentes, imanes temporales y electroimanes. Los imanes permanentes conservan su calidad magnética durante largos períodos de tiempo. Los imanes temporales pierden su magnetismo rápidamente. Los electroimanes utilizan corriente eléctrica para generar un campo magnético.
Magnetos permanentes
Los imanes permanentes mantienen sus propiedades magnéticas durante largos períodos de tiempo. Los cambios en los imanes permanentes dependen de la fuerza del imán y de su composición. Los cambios generalmente ocurren debido a cambios de temperatura (generalmente aumento de temperatura). Los imanes calentados a su temperatura de Curie pierden permanentemente su propiedad magnética porque los átomos se desvían de la configuración que causa el efecto magnético. La temperatura de Curie, llamada así por el descubridor Pierre Curie, varía según el material magnético.
La magnetita, un imán permanente natural, es un imán débil. Los imanes permanentes más fuertes son Alnico, neodimio hierro boro, samario-cobalto e imanes de cerámica o ferrita. Todos estos imanes cumplen los requisitos de la definición de imán permanente.
Magnetita
La magnetita, también llamada piedra imán, proporcionó agujas de brújula a exploradores que iban desde cazadores de jade chinos hasta viajeros del mundo. El mineral magnetita se forma cuando el hierro se calienta en una atmósfera con poco oxígeno, lo que da como resultado el compuesto de óxido de hierro Fe3O4. Las astillas de magnetita sirven como brújulas. Las brújulas se remontan aproximadamente al 250 a. C. en China, donde fueron llamados punteros del sur.
Imanes de aleación de Alnico
Los imanes de álnico son imanes de uso común hechos de un compuesto de 35 por ciento de aluminio (Al), 35 por ciento de níquel (Ni) y 15 por ciento de cobalto (Co) con 7 por ciento de aluminio (Al), 4 por ciento de cobre (Cu) y 4 por ciento de titanio (Ti). Estos imanes se desarrollaron en la década de 1930 y se hicieron populares en la década de 1940. La temperatura tiene menos efecto sobre los imanes de Alnico que otros imanes creados artificialmente. Sin embargo, los imanes de Alnico se pueden desmagnetizar más fácilmente, por lo que los imanes de barra y de herradura de Alnico deben almacenarse correctamente para que no se desmagneticen.
Los imanes de Alnico se utilizan de muchas formas, especialmente en sistemas de audio como altavoces y micrófonos. Las ventajas de los imanes de Alnico incluyen alta resistencia a la corrosión, alta resistencia física (no se astilla, agrieta o rompe fácilmente) y resistencia a altas temperaturas (hasta 540 grados Celsius). Las desventajas incluyen un tirón magnético más débil que otros imanes artificiales.
Imanes de cerámica (ferrita)
En la década de 1950 se desarrolló un nuevo grupo de imanes. Las ferritas hexagonales duras, también llamadas imanes cerámicos, se pueden cortar en rodajas más delgadas y exponerse a campos de desmagnetización de bajo nivel sin perder sus propiedades magnéticas. También son baratos de hacer. La estructura de ferrita hexagonal molecular se produce tanto en óxido de bario aleado con óxido de hierro (BaO ∙ 6Fe2O3) y óxido de estroncio aleado con óxido de hierro (SrO ∙ 6Fe2O3). La ferrita de estroncio (Sr) tiene propiedades magnéticas ligeramente mejores. Los imanes permanentes más utilizados son los imanes de ferrita (cerámica). Además del costo, las ventajas de los imanes cerámicos incluyen una buena resistencia a la desmagnetización y una alta resistencia a la corrosión. Sin embargo, son frágiles y se rompen fácilmente.
Imanes de samario-cobalto
Los imanes de samario-cobalto se desarrollaron en 1967. Estos imanes, con una composición molecular de SmCo5, se convirtió en los primeros imanes permanentes comerciales de tierras raras y metales de transición. En 1976 se desarrolló una aleación de samario cobalto con oligoelementos (hierro, cobre y circón), con una estructura molecular de Sm2(Co, Fe, Cu, Zr)17. Estos imanes tienen un gran potencial para su uso en aplicaciones de alta temperatura, hasta aproximadamente 500 C, pero el alto costo de los materiales limita el uso de este tipo de imán. El samario es raro incluso entre los elementos de tierras raras, y el cobalto está clasificado como un metal estratégico, por lo que los suministros están controlados.
Los imanes de samario-cobalto funcionan bien en condiciones de humedad. Otras ventajas incluyen alta resistencia al calor, resistencia a bajas temperaturas (-273 C) y alta resistencia a la corrosión. Sin embargo, al igual que los imanes de cerámica, los imanes de samario-cobalto son frágiles. Son, como se ha dicho, más caras.
Imanes de neodimio hierro boro
Los imanes de neodimio hierro boro (NdFeB o NIB) se inventaron en 1983. Estos imanes contienen 70 por ciento de hierro, 5 por ciento de boro y 25 por ciento de neodimio, un elemento de tierras raras. Los imanes NIB se corroen rápidamente, por lo que reciben una capa protectora, generalmente de níquel, durante el proceso de producción. Se pueden usar revestimientos de resina de aluminio, zinc o epoxi en lugar de níquel.
Aunque los imanes NIB son los imanes permanentes más fuertes conocidos, también tienen la temperatura de Curie más baja, alrededor de 350 C (algunas fuentes dicen tan bajo como 80 C), de otros imanes permanentes. Esta baja temperatura de Curie limita su uso industrial. Los imanes de neodimio, hierro y boro se han convertido en una parte esencial de la electrónica doméstica, incluidos los teléfonos móviles y las computadoras. Los imanes de neodimio, hierro y boro también se utilizan en máquinas de imágenes por resonancia magnética (IRM).
Las ventajas de los imanes NIB incluyen una relación potencia / peso (hasta 1300 veces), alta resistencia a la desmagnetización a temperaturas cómodas para el ser humano y rentabilidad. Las desventajas incluyen pérdida de magnetismo a temperaturas de Curie más bajas, baja resistencia a la corrosión (si el el enchapado está dañado) y fragilidad (puede romperse, agrietarse o astillarse en caso de colisiones repentinas con otros imanes o rieles. (Consulte Recursos para frutas magnéticas, una actividad que utiliza imanes NIB).
Imanes temporales
Los imanes temporales consisten en lo que se llama materiales de hierro blando. El hierro blando significa que los átomos y los electrones pueden alinearse dentro del hierro, comportándose como un imán durante un tiempo. La lista de metales magnéticos incluye clavos, sujetapapeles y otros materiales que contienen hierro. Los imanes temporales se convierten en imanes cuando se exponen o se colocan dentro de un campo magnético. Por ejemplo, una aguja frotada por un imán se convierte en un imán temporal porque el imán hace que los electrones se alineen dentro de la aguja. Si el campo magnético o la exposición al imán es lo suficientemente fuerte, los hierros suaves pueden convertirse en imanes permanentes, al menos hasta que el calor, los golpes o el tiempo hagan que los átomos pierdan su alineación.
Electroimanes
El tercer tipo de imán ocurre cuando la electricidad pasa a través de un cable. Envolver el alambre alrededor de un núcleo de hierro suave amplifica la fuerza del campo magnético. El aumento de la electricidad aumenta la fuerza del campo magnético. Cuando la electricidad fluye a través del cable, el imán funciona. Detén el flujo de electrones y el campo magnético colapsa. (Consulte Recursos para una simulación PhET de electromagnetismo).
El imán más grande del mundo
El imán más grande del mundo es, de hecho, la Tierra. El núcleo interno de hierro-níquel sólido de la Tierra que gira en el núcleo externo de hierro-níquel líquido se comporta como una dínamo, generando un campo magnético. El campo magnético débil actúa como una barra magnética inclinada a unos 11 grados del eje de la Tierra. El extremo norte de este campo magnético es el polo sur de la barra magnética. Dado que los campos magnéticos opuestos se atraen entre sí, el extremo norte de una brújula magnética apunta al extremo sur del campo magnético de la Tierra ubicado cerca del polo norte (para decirlo De otra manera, el polo magnético sur de la Tierra está realmente ubicado cerca del polo norte geográfico, aunque a menudo verá ese polo magnético sur etiquetado como el polo magnético norte. polo).
El campo magnético de la Tierra genera la magnetosfera que rodea la Tierra. La interacción del viento solar con la magnetosfera provoca las luces del norte y del sur conocidas como Aurora Boreal y Aurora Australis.
El campo magnético de la Tierra también impacta los minerales de hierro en los flujos de lava. Los minerales de hierro de la lava se alinean con el campo magnético de la Tierra. Estos minerales alineados se "congelan" en su lugar a medida que la lava se enfría. Los estudios de alineaciones magnéticas en los flujos de basalto a ambos lados de la cordillera del Atlántico medio proporcionan evidencia no solo de las inversiones del campo magnético de la Tierra sino también de la teoría de las placas tectónica.