¿Cómo se forman los imanes?

Casi todo el mundo está familiarizado con un imán básico y lo que hace o puede hacer. Un niño pequeño, si se le dieran unos momentos de juego y la combinación adecuada de materiales, reconocería rápidamente que ciertos tipos de cosas (que el niño identificará más tarde como metales) son atraídas hacia el imán mientras que otras no se ven afectadas por esto. Y si al niño se le da más de un imán para jugar, los experimentos rápidamente se volverán aún más interesantes.

Magnetismo es una palabra que abarca una serie de interacciones conocidas en el mundo físico que no son visibles para el ojo humano sin ayuda. Los dos tipos básicos de imanes son ferroimanes, que crean campos magnéticos permanentes a su alrededor, y electroimanes, que son materiales en los que se puede inducir temporalmente el magnetismo cuando se colocan en un campo eléctrico, como el generado por una bobina de cable conductor de corriente.

Si alguien te pregunta el Peligro-pregunta de estilo "¿De qué material se compone un imán?" entonces puede estar seguro de que no hay una respuesta única, y armado con la información a mano, incluso podrá explicarle a su interlocutor todos los detalles útiles, incluido cómo es un imán formado.

Como ocurre con muchas otras cosas en física, por ejemplo, la gravedad, el sonido y la luz, el magnetismo siempre ha "estado ahí", pero la capacidad de la humanidad para describirlo y hacer predicciones al respecto basándose en experimentos y los modelos y marcos resultantes ha progresado a lo largo del siglos. Ha surgido toda una rama de la física en torno a los conceptos relacionados de electricidad y magnetismo, generalmente llamados electromagnéticos.

Las culturas antiguas sabían que la piedra imán, un tipo raro de magnetita mineral que contiene hierro y oxígeno (fórmula química: Fe₃O₄), podría atraer piezas de metal. En el siglo XI, los chinos habían aprendido que una piedra que resultaba ser larga y delgada se orientaría a lo largo de un eje norte-sur si se suspendía en el aire, allanando el camino para el Brújula.

Los viajeros europeos que hicieron uso de la brújula notaron que la dirección que indica el norte variaba ligeramente a lo largo de los viajes transatlánticos. Esto llevó a la comprensión de que la Tierra en sí misma es esencialmente un imán masivo, siendo el "norte magnético" y el "norte verdadero" ligeramente diferentes, y diferentes en cantidades variables en todo el mundo. (Lo mismo se aplica al sur verdadero y magnético).

Un número limitado de materiales, incluidos el hierro, el cobalto, el níquel y el gadolinio, manifiestan fuertes efectos magnéticos por sí mismos. Todos los campos magnéticos son el resultado de cargas eléctricas que se mueven entre sí. La inducción de magnetismo en un electroimán colocándolo cerca de una bobina de cable conductor de corriente ha sido mencionado, pero incluso los ferromagnetos poseen magnetismo sólo debido a las pequeñas corrientes generadas en el átomo nivel.

Si un imán permanente se acerca a un material ferromagnético, los componentes de los átomos individuales de hierro, cobalto o cualquier material se alinean con las líneas imaginarias de influencia del imán que se abre en abanico desde sus polos norte y sur, llamado el magnético campo. Si la sustancia se calienta y enfría, la magnetización puede hacerse permanente, aunque también puede ocurrir espontáneamente; esta magnetización puede revertirse por calor extremo o alteración física.

No existe ningún monopolo magnético; es decir, no existe un "imán puntual", como ocurre con las cargas eléctricas puntuales. En cambio, los imanes tienen dipolos magnéticos y sus líneas de campo magnético se originan en el polo norte magnético y se abren en abanico hacia afuera antes de regresar al polo sur. Recuerde, estas "líneas" son solo herramientas que se usan para describir el comportamiento de átomos y partículas.

Como se enfatizó anteriormente, los campos magnéticos son producidos por corrientes. En los imanes permanentes, las corrientes diminutas son producidas por los dos tipos de movimiento de los electrones en los átomos de estos imanes: su órbita alrededor del protón central del átomo y su rotación, o girar.

En la mayoría de los materiales, el pequeño momentos magnéticos creado por el movimiento de los electrones individuales de un átomo dado se cancelan entre sí. Cuando no lo hacen, el propio átomo actúa como un pequeño imán. En los materiales ferromagnéticos, los momentos magnéticos no solo no se cancelan, sino que también se alinean en el en la misma dirección, y cambie para alinearse en la misma dirección que las líneas de un dispositivo magnético externo aplicado. campo.

Algunos materiales tienen átomos que se comportan de tal manera que les permiten ser magnetizados en diversos grados por un campo magnético aplicado. (Recuerde, no siempre necesita un imán para que haya un campo magnético; una corriente eléctrica lo suficientemente considerable hará el truco). Como verá, algunos de estos materiales no quieren una parte duradera del magnetismo, mientras que otros se comportan de una manera más melancólica.

Una lista de materiales magnéticos que proporcione solo los nombres de los metales que exhiben magnetismo no sería tan útil como un Lista de materiales magnéticos ordenados por el comportamiento de sus campos magnéticos y cómo funcionan las cosas a nivel microscópico. nivel. Existe tal sistema de clasificación y separa el comportamiento magnético en cinco tipos.

• Diamagnetismo: La mayoría de los materiales exhiben esta propiedad, en la que los momentos magnéticos de los átomos colocados en un campo magnético externo se alinean en una dirección opuesta a la del campo aplicado. En consecuencia, el campo magnético resultante se opone al campo aplicado. Este campo "reactivo", sin embargo, es muy débil. Debido a que los materiales con esta propiedad no son magnéticos en ningún sentido significativo, la fuerza del magnetismo no depende de la temperatura.
  
• Paramagnetismo: Los materiales con esta propiedad, como el aluminio, tienen átomos individuales con momentos dipolares netos positivos. Los momentos dipolares de los átomos vecinos, sin embargo, generalmente se cancelan entre sí, dejando el material en su totalidad sin magnetizar. Cuando se aplica un campo magnético, en lugar de oponerse directamente al campo, los dipolos magnéticos de los átomos se alinean de forma incompleta con el campo aplicado, lo que resulta en una débil magnetización material.
  
• Ferromagnetismo: Los materiales como el hierro, el níquel y la magnetita (piedra imán) tienen esta potente propiedad. Como ya se mencionó, los momentos dipolares de los átomos vecinos se alinean incluso en ausencia de un campo magnético. Sus interacciones pueden resultar en un campo magnético de magnitudes que alcanzan 1000 tesla, o T (la unidad SI de intensidad de campo magnético; no una fuerza sino algo como una). En comparación, ¡el campo magnético de la Tierra es 100 millones de veces más débil!
  
• Ferrimagnetismo: Note la diferencia de una sola vocal de la clase anterior de materiales. Estos materiales suelen ser óxidos, y sus interacciones magnéticas únicas se deben al hecho de que los átomos de estos óxidos están dispuestos en una estructura de "red" cristalina. El comportamiento de los materiales ferrimagnéticos es muy parecido al de los materiales ferromagnéticos, pero el orden de los Los elementos magnéticos en el espacio son diferentes, lo que lleva a diferentes niveles de sensibilidad a la temperatura y otros distinciones.
  
• Antiferromagnetismo: Esta clase de materiales se caracteriza por una peculiar sensibilidad a la temperatura. Por encima de una temperatura dada, llamada Temperatura de Neel o T_norte, el material se comporta de manera muy similar a un material paramagnético. Un ejemplo de tal material es la hematita. Estos materiales también son cristales, pero como su nombre lo indica, las celosías están organizadas de tal manera que las interacciones del dipolo magnético se cancelan por completo cuando no hay campo magnético externo regalo.