El hierro es ampliamente considerado como el mejor núcleo para un electroimán, pero ¿por qué? No es el único material magnético, y hay muchas aleaciones, como el acero, que cabría esperar que se utilicen más en la era moderna. Comprender por qué es más probable que vea un electroimán de núcleo de hierro que uno que usa otro material le brinda una breve introducción a muchas claves puntos sobre la ciencia del electromagnetismo, así como un enfoque estructurado para explicar qué materiales se utilizan principalmente para hacer electroimanes. La respuesta, en resumen, se reduce a la "permeabilidad" del material a los campos magnéticos.
Comprensión del magnetismo y los dominios
El origen del magnetismo en los materiales es un poco más complejo de lo que piensas. Si bien la mayoría de la gente sabe que cosas como los imanes de barra tienen polos "norte" y "sur", y que los polos opuestos se atraen y los polos coincidentes se repelen, el origen de la fuerza no se conoce tan ampliamente. En última instancia, el magnetismo se deriva del movimiento de partículas cargadas.
Los electrones “orbitan” el núcleo del átomo anfitrión de forma un poco como los planetas orbitan alrededor del Sol, y los electrones tienen una carga eléctrica negativa. El movimiento de la partícula cargada (puede pensar en ella como un bucle circular, aunque en realidad no es tan simple) conduce a la creación de un campo magnético. Este campo solo es generado por un electrón, una partícula diminuta con una masa de aproximadamente una mil millonésima parte de una mil millonésima parte de una mil millonésima parte de un gramo, por lo que no debería sorprenderle que el campo de un solo electrón no sea así de grande. Sin embargo, influye en los electrones de los átomos vecinos y hace que sus campos se alineen con el original. Luego, el campo de estos influye en otros electrones, ellos a su vez influyen en otros y así sucesivamente. El resultado final es la creación de un pequeño "dominio" de electrones donde se alinean todos los campos magnéticos producidos por ellos.
Cualquier fragmento de material macroscópico, en otras palabras, una muestra lo suficientemente grande para que pueda verla e interactuar con ella, tiene mucho espacio para muchos dominios. La dirección del campo en cada uno es efectivamente aleatoria, por lo que los distintos dominios tienden a anularse entre sí. La muestra macroscópica de material, por lo tanto, no tendrá un campo magnético neto. Sin embargo, si expone el material a otro campo magnético, esto hace que todos los dominios se alineen con él, por lo que todos también estarán alineados entre sí. Cuando esto suceda, la muestra macroscópica del material tendrá un campo magnético, porque todos los pequeños campos están "trabajando juntos", por así decirlo.
La medida en que un material mantiene esta alineación de dominios después de que se elimina el campo externo determina qué materiales que puede llamar "magnéticos". Los materiales ferromagnéticos son los que mantienen esta alineación después de que el campo externo ha ha sido eliminado. Como puede haber descubierto si conoce su tabla periódica, este nombre se toma del hierro (Fe), y el hierro es el material ferromagnético más conocido.
¿Cómo funcionan los electroimanes?
La descripción anterior enfatiza que moverse eléctrico cargas producen magnético campos. Este vínculo entre las dos fuerzas es crucial para comprender los electroimanes. De la misma manera que el movimiento de un electrón alrededor del núcleo de un átomo produce un campo magnético, el movimiento de los electrones como parte de una corriente eléctrica también produce un campo magnético. Esto fue descubierto por Hans Christian Oersted en 1820, cuando notó que la aguja de una brújula era desviada por la corriente que fluía a través de un cable cercano. Para una longitud recta de cable, las líneas del campo magnético forman círculos concéntricos que rodean el cable.
Los electroimanes aprovechan este fenómeno mediante el uso de una bobina de alambre. A medida que la corriente fluye a través de la bobina, el campo magnético generado por cada bucle se suma al campo generado por los otros bucles, produciendo un "norte" y un "sur" definitivos (o positivo y negativo) final. Este es el principio básico que sustenta a los electroimanes.
Esto por sí solo sería suficiente para producir magnetismo, pero los electroimanes se mejoran con la adición de un "núcleo". Este es un material que el cable está envuelto, y si es un material magnético, sus propiedades contribuirán al campo producido por la bobina de cable. El campo producido por la bobina alinea los dominios magnéticos en el material, por lo que tanto la bobina como el núcleo magnético físico trabajan juntos para producir un campo más fuerte de lo que cualquiera podría hacerlo por sí solo.
Elegir un núcleo y una permeabilidad relativa
La pregunta de qué metal es adecuado para los núcleos de electroimán se responde por la "permeabilidad relativa" del material. En el contexto del electromagnetismo, la permeabilidad del material describe la capacidad del material para formar campos magnéticos. Si un material tiene una mayor permeabilidad, se magnetizará con más fuerza en respuesta a un campo magnético externo.
El "relativo" en el término establece un estándar para la comparación de la permeabilidad de diferentes materiales. A la permeabilidad del espacio libre se le da el símbolo μ0 y se utiliza en muchas ecuaciones relacionadas con el magnetismo. Es una constante con el valor μ0 = 4π × 10−7 henries por metro. La permeabilidad relativa (μr) de un material se define por:
μr = μ / μ0
Dónde μ es la permeabilidad de la sustancia en cuestión. La permeabilidad relativa no tiene unidades; es solo un número puro. Entonces, si algo no responde en absoluto a un campo magnético, tiene una permeabilidad relativa de uno, lo que significa que responde de la misma manera. como un vacío total, en otras palabras, "espacio libre". Cuanto mayor sea la permeabilidad relativa, mayor será la respuesta magnética del material.
¿Cuál es el mejor núcleo para un electroimán?
El mejor núcleo para un electroimán es, por tanto, el material con la mayor permeabilidad relativa. Cualquier material con una permeabilidad relativa superior a uno aumentará la resistencia de un electroimán cuando se utilice como núcleo. El níquel es un ejemplo de material ferromagnético y tiene una permeabilidad relativa de entre 100 y 600. Si usara un núcleo de níquel para un electroimán, entonces la fuerza del campo producido mejoraría drásticamente.
Sin embargo, el hierro tiene una permeabilidad relativa de 5.000 cuando tiene una pureza del 99,8 por ciento, y la permeabilidad relativa del hierro dulce con una pureza del 99,95 por ciento es de 200.000. Esta enorme permeabilidad relativa es la razón por la que el hierro es el mejor núcleo para un electroimán. Hay muchas consideraciones al elegir un material para un núcleo de electroimán, incluida la probabilidad de desperdicio resultante de las corrientes parásitas, pero en términos generales, el hierro es barato y eficaz, por lo que se incorpora de alguna manera al material del núcleo o el núcleo está hecho de hierro puro.
¿Qué materiales se utilizan principalmente para fabricar núcleos de electroimán?
Muchos materiales pueden funcionar como núcleos de electroimán, pero algunos comunes son hierro, acero amorfo, ferrosos. cerámica (compuestos cerámicos que se fabrican con óxido de hierro), acero al silicio y cinta amorfa a base de hierro. En principio, cualquier material con una alta permeabilidad relativa puede utilizarse como núcleo de electroimán. Hay algunos materiales que se han fabricado específicamente para servir como núcleos de electroimanes, incluido el permalloy, que tiene una permeabilidad relativa de 8.000. Otro ejemplo es el Nanoperm a base de hierro, que tiene una permeabilidad relativa de 80.000.
Estos números son impresionantes (y ambos superan la permeabilidad del hierro ligeramente impuro), pero la clave del dominio de los núcleos de hierro es en realidad una mezcla de su permeabilidad y su asequibilidad.
