Mucha gente está familiarizada con los imanes porque a menudo tienen imanes decorativos en el refrigerador de su cocina. Sin embargo, los imanes tienen muchos propósitos prácticos más allá de la decoración, y muchos afectan nuestra vida diaria sin que nos demos cuenta.
Hay muchas preguntas sobre cómo funcionan los imanes y otras preguntas generales sobre magnetismo. Sin embargo, para responder a la mayoría de estas preguntas y comprender cómo diferentes imanes pueden tener diferentes intensidades de los campos magnéticos, es importante comprender qué es un campo magnético y cómo se producido.
¿Qué es un campo magnético?
Un campo magnético es una fuerza que actúa sobre una partícula cargada, y la ecuación que rige esta interacción es laLey de fuerza de Lorentz.La ecuación completa para la fuerza de uncampo eléctrico miy uncampo magnético Ben una partícula con cargaqy velocidadves dado por:
\ vec {F} = q \ vec {E} + q \ vec {v} \ times \ vec {B}.
Recuerda que porque la fuerzaF, los camposmi
yBy la velocidadvson todos vectores, el×la operación es laproducto cruzado vectorial, no multiplicación.Los campos magnéticos se producen al mover partículas cargadas, a menudo llamadascorriente eléctrica. Las fuentes comunes de campos magnéticos de la corriente eléctrica son los electroimanes, como un cable simple, un cable en un bucle y varios bucles de cable en una serie que se denominasolenoide. El campo magnético terrestre también es causado por el movimiento de partículas cargadas en el núcleo.
Sin embargo, esos imanes en su refrigerador no parecen tener corrientes ni fuentes de energía. ¿Cómo funcionan esos?
Magnetos permanentes
Un imán permanente es una pieza dematerial ferromagnéticoque tiene una propiedad intrínseca que produce un campo magnético. El efecto intrínseco que produce un campo magnético es un espín de electrones, y la alineación de estos espines crea dominios magnéticos. Estos dominios dan como resultado un campo magnético neto.
Los materiales ferromagnéticos tienden a tener un alto grado de ordenamiento de dominios en su forma natural, que puede alinearse fácilmente por completo mediante un campo magnético externo. Por lo tanto, los imanes ferromagnéticos tienden a ser magnéticos cuando se encuentran en la naturaleza y retienen fácilmente sus propiedades magnéticas.
Materiales diamagnéticosson similares a los materiales ferromagnéticos y pueden producir un campo magnético cuando se encuentran en la naturaleza, pero responden a los campos externos de manera diferente. El material diamagnético producirá un campo magnético de orientación opuesta en presencia de un campo externo. Este efecto podría limitar la fuerza deseada del imán.
Materiales paramagnéticosson sólo magnéticos en presencia de un campo magnético externo alineado y tienden a ser bastante débiles.
¿Los imanes grandes tienen una fuerza magnética fuerte?
Como se mencionó, los imanes permanentes consisten en dominios magnéticos que se alinean al azar. Dentro de cada dominio, existe cierto grado de ordenamiento que crea un campo magnético. Por tanto, la interacción de todos los dominios en una pieza de material ferromagnético produce el campo magnético total o neto del imán.
Si los dominios están alineados aleatoriamente, es probable que haya un campo magnético muy pequeño o efectivamente nulo. Sin embargo, si un campo magnético externo se acerca al imán desordenado, los dominios comenzarán a alinearse. La distancia del campo de alineación a los dominios afectará la alineación general y, por lo tanto, el campo magnético neto resultante.
Dejar un material ferromagnético en un campo magnético externo durante un largo período de tiempo puede ayudar a completar el pedido y aumentar el campo magnético producido. De manera similar, el campo magnético neto de un imán permanente se puede disminuir introduciendo varios campos magnéticos aleatorios o interferentes, que pueden desalinear los dominios y reducir el campo magnético neto.
¿El tamaño de un imán afecta su fuerza? La respuesta corta es sí, pero solo porque el tamaño de un imán significa que hay proporcionalmente más dominios que pueden alinearse y producir un campo magnético más fuerte que una pieza más pequeña del mismo material. Sin embargo, si la longitud del imán es muy larga, existe una mayor posibilidad de que los campos magnéticos extraviados desalineen los dominios y disminuyan el campo magnético neto.
¿Qué es la temperatura de Curie?
Otro factor que contribuye a la fuerza del imán estemperatura. En 1895, el físico francés Pierre Curie determinó que los materiales magnéticos tienen un límite de temperatura en el que sus propiedades magnéticas pueden cambiar. Específicamente, los dominios ya no se alinean también, por lo que la alineación del dominio de la semana conduce a un campo magnético neto débil.
Para el hierro, la temperatura de Curie es de alrededor de 1418 grados Fahrenheit. Para la magnetita, es de alrededor de 1060 grados Fahrenheit. Tenga en cuenta que estas temperaturas son significativamente más bajas que sus puntos de fusión. Por lo tanto, la temperatura del imán puede afectar su fuerza.
Electroimanes
Una categoría diferente de imanes sonelectroimanes, que son esencialmente imanes que se pueden encender y apagar.
El electroimán más común que se utiliza en diversas aplicaciones industriales es un solenoide. Un solenoide es una serie de bucles de corriente, que dan como resultado un campo uniforme en el centro de los bucles. Esto se debe al hecho de que cada bucle de corriente individual crea un campo magnético circular alrededor del cable. Al colocar varios en serie, la superposición de los campos magnéticos crea un campo recto y uniforme a través del centro de los bucles.
La ecuación para la magnitud de un campo magnético solenoidal es simplemente:B = μ0nI, dóndeμ0 es la permeabilidad del espacio libre,nortees el número de bucles actuales por unidad de longitud yIes la corriente que fluye a través de ellos. La dirección del campo magnético está determinada por la regla de la mano derecha y la dirección del flujo de corriente y, por lo tanto, puede revertirse invirtiendo la dirección de la corriente.
Es muy fácil ver que la fuerza de un solenoide se puede ajustar de dos formas principales. Primero, se puede aumentar la corriente a través del solenoide. Si bien parece que la corriente puede aumentarse arbitrariamente, puede haber limitaciones en la fuente de alimentación o la resistencia del circuito, lo que puede resultar en daños si la corriente se sobrecarga.
Por lo tanto, una forma más segura de aumentar la fuerza magnética de un solenoide es aumentar el número de bucles de corriente. El campo magnético claramente aumenta proporcionalmente. La única limitación en este caso puede ser la cantidad de cable disponible o las limitaciones espaciales si el solenoide es demasiado largo debido a la cantidad de bucles de corriente.
Hay muchos tipos de electroimanes además de los solenoides, pero todos tienen la misma propiedad general: su fuerza es proporcional al flujo de corriente.
Usos de los electroimanes
Los electroimanes son omnipresentes y tienen muchos usos. Un ejemplo común y muy simple de un electroimán, específicamente un solenoide, es un altavoz. La corriente variable a través del altavoz hace que la fuerza del campo magnético solenoidal aumente y disminuya.
Mientras esto sucede, se coloca otro imán, específicamente un imán permanente, en un extremo del solenoide y contra una superficie vibrante. A medida que los dos campos magnéticos se atraen y repelen debido al campo solenoidal cambiante, la superficie vibrante se tira y empuja creando sonido.
Los altavoces de mejor calidad utilizan solenoides, imanes permanentes y superficies vibratorias de alta calidad para crear una salida de sonido de mayor calidad.
Datos interesantes sobre el magnetismo
¡El imán de mayor tamaño del mundo es la tierra misma! Como se mencionó, la tierra tiene un campo magnético que se debe a las corrientes creadas con el núcleo de la tierra. Si bien no es un campo magnético muy fuerte en relación con muchos imanes pequeños de mano o el que alguna vez se usó en aceleradores de partículas, ¡la tierra en sí es uno de los imanes más grandes que conocemos!
Otro material magnético interesante es la magnetita. La magnetita es un mineral de hierro que no solo es muy común, sino que es el mineral con mayor contenido de hierro. A veces se le llama imán, debido a su propiedad única de tener un campo magnético que siempre está alineado con el campo magnético de la tierra. Como tal, se utilizó como brújula magnética ya en el año 300 a. C.