La física rara vez se siente más mágica que cuando se encuentra por primera vez con un imán cuando era niño. Conseguir un imán de barra en la clase de ciencias e intentar, con todas tus fuerzas, empujarlo hacia el polo correspondiente de otro imán, pero completamente incapaz de hacerlo, o dejando los polos opuestos cerca uno del otro pero sin tocarse para que pueda verlos arrastrarse juntos y eventualmente entrar. Aprende rápidamente que este comportamiento es el resultado del magnetismo, pero ¿qué es realmente el magnetismo? ¿Cuál es el vínculo entre la electricidad y el magnetismo que permite que los electroimanes funcionen? ¿Por qué no usarías un imán permanente en lugar de un electroimán en un depósito de chatarra, por ejemplo? El magnetismo es un tema fascinante y complicado, pero si solo desea aprender las propiedades de un imán y los conceptos básicos, es muy fácil de aprender.
¿Cómo funcionan los imanes?
El comportamiento magnético es causado en última instancia por el movimiento de los electrones. Una carga eléctrica en movimiento genera un campo magnético y, como es de esperar, los imanes y los campos magnéticos están estrechamente vinculados. Dado que un electrón es una partícula cargada, su movimiento orbital alrededor del núcleo de un átomo crea un pequeño campo magnético. Sin embargo, en términos generales, hay toneladas de electrones en un material, y el campo creado por uno será anulado por el campo creado por otro, y no habrá ningún magnetismo del material como un entero.
Sin embargo, algunos materiales funcionan de manera diferente. El campo magnético creado por un electrón puede afectar la orientación del campo producido por los electrones vecinos y se alinean. Esto produce lo que se llama un "dominio" magnético dentro del material, donde todos los electrones tienen campos magnéticos alineados. Los materiales que hacen esto se denominan ferromagnéticos y, a temperatura ambiente, solo el hierro, el níquel, el cobalto y el gadolinio son ferromagnéticos. Estos son los materiales que pueden convertirse en imanes permanentes.
Todos los dominios dentro de un material ferromagnético tendrán orientaciones aleatorias; aunque los electrones vecinos alinean sus campos, es probable que otros grupos estén alineados en una dirección diferente. Esto no deja magnetismo a gran escala, porque los diferentes dominios se cancelan entre sí al igual que lo hacen los electrones individuales en otros materiales.
Sin embargo, si aplica un campo magnético externo, por ejemplo, acercando una barra magnética al material, los dominios comienzan a alinearse. Cuándo todas de los dominios están alineados, todo el material contiene efectivamente un solo dominio y desarrolla dos polos, generalmente llamados norte y sur (aunque positivo y negativo también pueden ser usó).
En materiales ferromagnéticos, esta alineación continúa incluso cuando se elimina el campo externo, pero en otros tipos de material (materiales paramagnéticos), las propiedades magnéticas se pierden cuando el campo externo es remoto.
¿Cuáles son las propiedades de un imán?
Las propiedades definitorias de los imanes son que atraen algunos materiales y los polos opuestos de otros imanes, y se repelen como los polos de otros imanes. Entonces, si tiene dos imanes de barra permanentes, presionar dos polos norte (o sur) juntos produce una fuerza repulsiva, que se vuelve más fuerte cuanto más se acercan los dos extremos. Si junta dos polos opuestos (un norte y un sur), hay una fuerza de atracción entre ellos. Cuanto más los acerque, más fuerte será esta fuerza.
Los materiales ferromagnéticos, como el hierro, el níquel y el cobalto, o las aleaciones que los contienen (como el acero) son atraídos por los imanes permanentes, incluso si no producen un campo magnético propio. Son solo atraído a los imanes, sin embargo, y no serán repelidos a menos que comiencen a producir un campo magnético propio. Otros materiales, como el aluminio, la madera y la cerámica, no se sienten atraídos por los imanes.
¿Cómo funciona un electroimán?
Un imán permanente y un electroimán son bastante diferentes. Los electroimanes involucran electricidad de una manera más obvia y se generan esencialmente por el movimiento de electrones a través de un cable o conductor eléctrico. Al igual que con la creación de dominios magnéticos, el movimiento de electrones a través de un cable produce un campo magnético. La forma del campo depende de la dirección en la que viajan los electrones, si apunta el pulgar de su mano derecha en la dirección de la corriente, sus dedos se curvan en la dirección de la campo.
Para producir un electroimán simple, se enrolla un cable eléctrico alrededor de un núcleo central, generalmente de hierro. Cuando la corriente fluye a través del cable, viajando en círculos alrededor del núcleo, se produce un campo magnético que corre a lo largo del eje central de la bobina. Este campo está presente independientemente de si tiene o no un núcleo, pero con un núcleo de hierro, el campo alinea los dominios en el material ferromagnético y, por lo tanto, se vuelve más fuerte.
Cuando se detiene el flujo de electricidad, los electrones cargados dejan de moverse alrededor de la bobina de alambre y el campo magnético desaparece.
¿Cuáles son las propiedades de un electroimán?
Los electroimanes y los imanes tienen las mismas propiedades clave. La distinción entre un imán permanente y un electroimán se basa esencialmente en cómo se crea el campo, no en las propiedades del campo después. Así que los electroimanes todavía tienen dos polos, todavía atraen materiales ferromagnéticos y todavía tienen polos que repelen a otros polos iguales y atraen polos opuestos. La diferencia es que la carga en movimiento en los imanes permanentes es creada por el movimiento de electrones en átomos, mientras que en los electroimanes se crea por el movimiento de electrones como parte de un Actual.
Ventajas de los electroimanes
Sin embargo, los electroimanes tienen muchas ventajas. Debido a que el campo magnético es producido por la corriente, sus características se pueden cambiar cambiando la corriente. Por ejemplo, aumentar la corriente aumenta la fuerza del campo magnético. De manera similar, se puede usar una corriente alterna (electricidad CA) para producir un campo magnético en constante cambio, que se puede usar para inducir una corriente en otro conductor.
Para aplicaciones como grúas magnéticas en depósitos de chatarra, la gran ventaja de los electroimanes es que el campo se puede apagar con facilidad. Si recogiera un trozo de chatarra con un imán permanente grande, ¡quitarlo del imán sería todo un desafío! Con un electroimán, todo lo que tiene que hacer es detener el flujo de corriente y la chatarra caerá.
Los imanes y las leyes de Maxwell
Las leyes del electromagnetismo están descritas por las leyes de Maxwell. Estos están escritos en el lenguaje del cálculo vectorial y requieren algunas matemáticas bastante complicadas para usar. Sin embargo, los conceptos básicos de las reglas relacionadas con el magnetismo se pueden comprender sin profundizar en las complicadas matemáticas.
La primera ley relacionada con el magnetismo se llama "ley sin monopolos". Básicamente, esto establece que todos los imanes tienen dos polos y nunca habrá un imán con un solo polo. En otras palabras, no se puede tener un polo norte de un imán sin un polo sur y viceversa.
La segunda ley relacionada con el magnetismo se llama ley de Faraday. Esto describe el proceso de inducción, donde un campo magnético cambiante (producido por un electroimán con un corriente variable o por un imán permanente en movimiento) induce un voltaje (y corriente eléctrica) en un conductor.
La ley final relacionada con el magnetismo se llama ley de Ampere-Maxwell, y describe cómo un campo eléctrico cambiante produce un campo magnético. La fuerza del campo está relacionada con la corriente que atraviesa el área y la tasa de cambio del campo eléctrico (que es producido por portadores de carga eléctrica como protones y electrones). Esta es la ley que usa para calcular un campo magnético en casos más simples, como para una bobina de alambre o un alambre recto largo.