MAGNETISMO

Materia: FÍSICA III

Electricidad, categoría de fenómenos físicos originados por la existencia de cargas eléctricas y por la interacción de la misma. Cuando una carga eléctrica se encuentra cargas estacionarias, o estáticas, produce además efectos magnéticos. Los efectos eléctricos y magnéticos dependen de la posición y movimientos relativos de las partículas con cargas. La electricidad se ocupa de las partículas cargadas eléctricamente, y de las partículas cargadas negativamente.

Magnetismo: es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de las partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. La manifestación mas conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales magnéticos como el hierro.

Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que aúna ambas fuerzas se denomina teoría electromagnética (véase Radiación electromagnética). La manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales magnéticos como el hierro. Sin embargo, en toda la materia se pueden observar efectos más sutiles del magnetismo. Recientemente, estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructura atómica de la materia.

HISTORIA DE SU ESTUDIO

 
El fenómeno del magnetismo se conoce desde tiempos antiguos. La piedra imán o magnetita, un óxido de hierro que tiene la propiedad de atraer los objetos de hierro, ya era conocida por los griegos, los romanos y los chinos. Cuando se pasa una piedra imán por un pedazo de hierro, éste adquiere a su vez la capacidad de atraer otros pedazos de hierro. Los imanes así producidos están `polarizados', es decir, cada uno de ellos tiene dos partes o extremos llamados polos norte y sur. Los polos iguales se repelen, y los polos opuestos se atraen.

La brújula se empezó a utilizar en Occidente como instrumento de navegación alrededor del 1300 d.C. En el siglo XIII, el erudito francés Petrus Peregrinus realizó importantes investigaciones sobre los imanes. Sus descubrimientos no se superaron en casi 300 años, hasta que el físico y médico británico William Gilbert publicó su libro, De magnete en 1600. Gilbert aplicó métodos científicos al estudio de la electricidad y el magnetismo. Observó que la Tierra también se comporta como un imán gigante, y a través de una serie de experimentos investigó y refutó varios conceptos incorrectos sobre el magnetismo aceptados en la época. Posteriormente, en 1750, el geólogo británico John Michell inventó una balanza que utilizó para estudiar las fuerzas magnéticas. Michell demostró que la atracción o repulsión entre dos polos magnéticos disminuye a medida que aumenta el cuadrado de la distancia entre ellos. El físico francés Charles de Coulomb, que había medido las fuerzas entre cargas eléctricas, verificó posteriormente la observación de Michell con una gran precisión.

IMÁN

Es una sustancia que, por condición natural o adquirida, tiene la propiedad de atraer al hierro.

La magnetita o piedra imán es un imán natural compuesto, fundamentalmente, de óxido de hierro (Fe3O4). Se puede imanar un trozo de hierro sometiéndolo a un campo magnético creado por un imán o por una corriente eléctrica (véase Magnetismo). El hierro dulce (hierro con muy bajo contenido en carbono) se convierte en un imán artificial que pierde su magnetismo cuando deja de estar en contacto con el primer imán (o, como en el caso de un electroimán, cuando deja de pasar la corriente eléctrica por el arrollamiento conductor). El acero imanado es un imán artificial permanente porque sí conserva su magnetismo.

Si un imán se coloca entre limaduras de hierro, éstas se agrupan alrededor de sus extremos o polos, llamados polo norte y polo sur. Si se fragmenta un imán, cada fragmento presenta de nuevo un polo norte y un polo sur.

ELECTROIMÁN

Es un dispositivo que consiste en un solenoide (una bobina cilíndrica de alambre recubierta de una capa aislante y arrollado en forma de espiral), en cuyo interior se coloca un núcleo de hierro. Si una corriente eléctrica recorre la bobina, se crea un fuerte campo magnético en su interior, paralelo a su eje. Al colocar el núcleo de hierro en este campo los dominios microscópicos que forman las partículas de hierro, que pueden considerarse pequeños imanes permanentes, se alinean en la dirección del campo, aumentando de forma notable la fuerza del campo magnético generado por el solenoide. La imantación del núcleo alcanza la saturación cuando todos los dominios están alineados, por lo que el aumento de la corriente tiene poco efecto sobre el campo magnético. Si se interrumpe la corriente, los dominios se redistribuyen y sólo se mantiene un débil magnetismo residual.

Los electroimanes se utilizan mucho en tecnología; son los componentes fundamentales de cortacircuitos y relés (véase Generación y transporte de electricidad) y se aplican a frenos y embragues electromagnéticos. En los ciclotrones se utilizan enormes electroimanes con núcleos de varios metros de diámetro (véase Aceleradores de partículas); también se utilizan potentes electroimanes para levantar hierro y chatarra.

CAMPO MAGNÉTICO

Determinemos un campo magnético con un imán: toma un imán y colócalo sobre una mesa.

Esparce limaduras de hierro sobre una hoja de papel y colócala sobre el imán, muy cerca pero sin tocarlo. Lugo golpea suavemente el papel con un lápiz y observa la forma del campo magnético.

Como veras, el campo presenta líneas que indican la fuerza y el sentido de las mismas.

Cuando las líneas están mas cerca, el campo magnético es mas intenso; y cuando están separados es mas débil y por ultimo todo imán genera un campo magnético a su alrededor y con mayor intensidad en los polos

Masas magnéticas: el concepto de masas magnéticas es la que nos indica el mayor o menor poder magnético que posee el polo de un imán. A tal efecto, consideraremos que el poder magnético de un imán esta concentrado en sus polos.

Determinemos un campo magnético con un imán: toma un imán y colócalo sobre una mesa.

Esparce limaduras de hierro sobre una hoja de papel y colócala sobre el imán, muy cerca pero sin tocarlo. Lugo golpea suavemente el papel con un lápiz y observa la forma del campo magnético.

Como veras, el campo presenta líneas que indican la fuerza y el sentido de las mismas.

Cuando las líneas están mas cerca, el campo magnético es mas intenso; y cuando están separados es mas débil y por ultimo todo imán genera un campo magnético a su alrededor y con mayor intensidad en los polos

Masas magnéticas: el concepto de masas magnéticas es la que nos indica el mayor o menor poder magnético que posee el polo de un imán. A tal efecto, consideraremos que el poder magnético de un imán esta concentrado en sus polos.

Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque los objetos magnéticos producen un `campo magnético'. Los campos magnéticos suelen representarse mediante `líneas de campo magnético' o `líneas de fuerza'. En cualquier punto, la dirección del campo magnético es igual a la dirección de las líneas de fuerza, y la intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio entre las líneas. En el caso de una barra imantada, las líneas de fuerza salen de un extremo y se curvan para llegar al otro extremo; estas líneas pueden considerarse como bucles cerrados, con una parte del bucle dentro del imán y otra fuera. En los extremos del imán, donde las líneas de fuerza están más próximas, el campo magnético es más intenso; en los lados del imán, donde las líneas de fuerza están más separadas, el campo magnético es más débil. Según su forma y su fuerza magnética, los distintos tipos de imán producen diferentes esquemas de líneas de fuerza. La estructura de las líneas de fuerza creadas por un imán o por cualquier objeto que genere un campo magnético puede visualizarse utilizando una brújula o limaduras de hierro. Los imanes tienden a orientarse siguiendo las líneas de campo magnético. Por tanto, una brújula, que es un pequeño imán que puede rotar libremente, se orientará en la dirección de las líneas. Marcando la dirección que señala la brújula al colocarla en diferentes puntos alrededor de la fuente del campo magnético, puede deducirse el esquema de líneas de fuerza. Igualmente, si se agitan limaduras de hierro sobre una hoja de papel o un plástico por encima de un objeto que crea un campo magnético, las limaduras se orientan siguiendo las líneas de fuerza y permiten así visualizar su estructura.

Los campos magnéticos influyen sobre los materiales magnéticos y sobre las partículas cargadas en movimiento. En términos generales, cuando una partícula cargada se desplaza a través de un campo magnético, experimenta una fuerza que forma ángulos rectos con la velocidad de la partícula y con la dirección del campo. Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad, las partículas se mueven en trayectorias curvas. Los campos magnéticos se emplean para controlar las trayectorias de partículas cargadas en dispositivos como los aceleradores de partículas o los espectrógrafos de masas.

CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE

El campo magnético terrestre es uniforme y para comprobarlo basta con demostrar que su acción sobre un imán se reduce a un par. Como un par tiene componentes nulas en todas las direcciones, se va a demostrar que un imán colocado en el campo terrestre no esta sometido a ninguna fuerza vertical ni horizontal.

El campo terrestre no ejerce ninguna fuerza vertical sobre una barra imantada, puesto que el peso de esta no aumenta ni disminuye después de la imantación.

Si estuviese sometido a una fuerza horizontal el campo terrestre es por consiguiente uniforme, por lo menos en un espacio reducido como por ejemplo el de la sala en la cual se realiza los experimentos descritos.

H1 X

O

H2

H

Y

SUSTANCIAS MAGNÉTICAS

Las sustancias que presentan la propiedad llamada MAGNETISMO, en menor o mayor grado son consideradas magnéticas, mientras que las otras son llamadas no magnéticas.

La sustancia magnética por excelencia es la MAGNETITA también llamada piedra imán formada por óxido magnético y hierro. La magnetita tiene la particularidad de atraer cuerpos que contengan hierro y acero.

Además existen otros minerales magnéticos, Níquel, Cobalto y algunas aleaciones

En conclusión la magnetita (o piedra imán) es un imán natural, un mineral más que atrae al hierro naturalmente, el resto de los imanes se consigue por imantación. El material magnético, cuando no esta imantado, tiene todos sus imanes internos sin orientar. Si a ese material lo ponemos en contacto con un imán natural muy intenso, por un tiempo se imanta y se convierte en un imán artificial. Sus imanes internos se orientan, potenciando su efecto

ESPECTRO MAGNÉTICO

Las líneas de fuerzas del campo magnético pueden ponerse en evidencia de la manera siguiente: se coloca horizontalmente sobre una mesa un imán que se cubre con una hoja de cartón rígido; se salpica esta ultima con limadura de hierro y se observa que, cuando se da unos ligeros golpes, las limaduras se disponen en líneas regulares, que son las líneas del campo creado por imán. Estas líneas van del polo norte al polo sur, lo que significa que en una maza magnética norte que pudiese desplazarse libremente describiría una línea de fuerza al alejarse del polo norte y al aproximarse al polo sur.

TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS  

Las propiedades magnéticas de los materiales se clasifican siguiendo distintos criterios.

Una de las clasificaciones de los materiales magnéticos —que los divide en diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos— se basa en la reacción del material ante un campo magnético. Cuando se coloca un material diamagnético en un campo magnético, se induce en él un momento magnético de sentido opuesto al campo. En la actualidad se sabe que esta propiedad se debe a las corrientes eléctricas inducidas en los átomos y moléculas individuales. Estas corrientes producen momentos magnéticos opuestos al campo aplicado. Muchos materiales son diamagnéticos; los que presentan un diamagnetismo más intenso son el bismuto metálico y las moléculas orgánicas que, como el benceno, tienen una estructura cíclica que permite que las corrientes eléctricas se establezcan con facilidad.

El comportamiento paramagnético se produce cuando el campo magnético aplicado alinea todos los momentos magnéticos ya existentes en los átomos o moléculas individuales que componen el material. Esto produce un momento magnético global que se suma al campo magnético. Los materiales paramagnéticos suelen contener elementos de transición o lantánidos con electrones desapareados. El paramagnetismo en sustancias no metálicas suele caracterizarse por una dependencia de la temperatura: la intensidad del momento magnético inducido varía inversamente con la temperatura. Esto se debe a que al ir aumentando la temperatura, cada vez resulta más difícil alinear los momentos magnéticos de los átomos individuales en la dirección del campo magnético.

Las sustancias ferromagnéticas son las que, como el hierro, mantienen un momento magnético incluso cuando el campo magnético externo se hace nulo. Este efecto se debe a una fuerte interacción entre los momentos magnéticos de los átomos o electrones individuales de la sustancia magnética, que los hace alinearse de forma paralela entre sí. En circunstancias normales, los materiales ferromagnéticos están divididos en regiones llamadas `dominios'; en cada dominio, los momentos magnéticos atómicos están alineados en paralelo. Los momentos de dominios diferentes no apuntan necesariamente en la misma dirección. Aunque un trozo de hierro normal puede no tener un momento magnético total, puede inducirse su magnetización colocándolo en un campo magnético, que alinea los momentos de todos los dominios. La energía empleada en la reorientación de los dominios desde el estado magnetizado hasta el estado desmagnetizado se manifiesta en un desfase de la respuesta al campo magnético aplicado, conocido como `histéresis'.

Un material ferromagnético acaba perdiendo sus propiedades magnéticas cuando se calienta. Esta pérdida es completa por encima de una temperatura conocida como punto de Curie, llamada así en honor del físico francés Pierre Curie, que descubrió el fenómeno en 1895. (El punto de Curie del hierro metálico es de unos 770 °C).

IMANES QUEBRADOS Y MOLECULARES

Si procedemos a cortar (o quebrar) un imán en dos o más partes, podremos comprobar que se obtienen otos tantos imanes y, en consecuencia, en razón de los cortes realizados, nuevos.

En cada corte se forman 2 polos de nombres distintos (fig 251). Resulta así que cuanto más corte realicemos, mayor Serra el numera de imanes obtenido y por lo tanto, llegaremos atener imanes tan pequeños como una molécula, llamado imanes moleculares o elementales.

Esta deducción no se conoce como hipótesis de los imanes moleculares, es decir que un imán estaría constituido por infinitos imanes moleculares. por lo expuesto se deduce que es imposible aislar el polo de un imán , según la hipótesis molecular , una sustancia no imantada tiene sus imanes moleculares en forma desordenada , mientras que en un imán aquellos estarían perfectamente ordenados .

El ordenamiento se logra mediante sucesivos frotamientos , siempre en un mismo sentido , de uno de los polos de un imán sobre el material a imantar

OTROS ORDENAMIENTOS MAGNÉTICOS

 En los últimos años, una mejor comprensión de los orígenes atómicos de las propiedades magnéticas ha llevado al descubrimiento de otros tipos de ordenamiento magnético. Se conocen casos en los que los momentos magnéticos interactúan de tal forma que les resulta energéticamente favorable alinearse entre sí en sentido antiparalelo; estos materiales se llaman antiferromagnéticos. Existe una temperatura análoga al punto de Curie, llamada temperatura de Néel, por encima de la cual desaparece el orden antiferromagnético.

También se han hallado otras configuraciones más complejas de los momentos magnéticos atómicos. Las sustancias `ferrimagnéticas' tienen al menos dos clases distintas de momento magnético atómico, que se orientan de forma antiparalela. Como ambos momentos tienen magnitudes diferentes, persiste un momento magnético neto, al contrario que en un material antiferromagnético, donde todos los momentos magnéticos se anulan entre sí. Curiosamente, la piedra imán es ferrimagnética, y no ferromagnética; en este mineral existen dos tipos de ion hierro, con momentos magnéticos diferentes. Se han encontrado disposiciones aún más complejas en las que los momentos magnéticos están ordenados en espiral. Los estudios de estos ordenamientos han proporcionado mucha información sobre las interacciones entre los momentos magnéticos en sólidos.

APLICACIONES  

En los últimos 100 años han surgido numerosas aplicaciones del magnetismo y de los materiales magnéticos. El electroimán, por ejemplo, es la base del motor eléctrico y el transformador. En épocas más recientes, el desarrollo de nuevos materiales magnéticos ha influido notablemente en la revolución de los ordenadores o computadoras. Es posible fabricar memorias de computadora utilizando `dominios burbuja'. Estos dominios son pequeñas regiones de magnetización, paralelas o antiparalelas a la magnetización global del material. Según que el sentido sea uno u otro, la burbuja indica un uno o un cero, por lo que actúa como dígito en el sistema binario empleado por los ordenadores. Los materiales magnéticos también son componentes importantes de las cintas y discos para almacenar datos.

Los imanes grandes y potentes son cruciales en muchas tecnologías modernas. Los trenes de levitación magnética utilizan poderosos imanes para elevarse por encima de los raíles y evitar el rozamiento. En la exploración mediante resonancia magnética nuclear, una importante herramienta de diagnóstico empleada en medicina, se utilizan campos magnéticos de gran intensidad. Los imanes superconductores se emplean en los aceleradores de partículas más potentes para mantener las partículas aceleradas en una trayectoria curva y enfocarlas.

En pocas palabras, el magnetismo es una propiedad de la materia que en general aparece en todas las sustancias en menor o mayor estado.