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Imán

Comprobado Una roca de magnetita está siendo atraída por un imán de neodimio colocado en la parte superior. Un imán es un material u objeto que produce un campo magnético . Este...

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Una roca de magnetita está siendo atraída por un imán de neodimio colocado en la parte superior.

Un imán es un material u objeto que produce un campo magnético . Este campo magnético es invisible, pero es responsable de la propiedad más notable de un imán: una fuerza que atrae o repele otros materiales ferromagnéticos , como hierro , acero , níquel , cobalto , etc.

Un imán permanente es un objeto hecho de un material magnetizado que crea su propio campo magnético persistente. Un ejemplo cotidiano es el imán de nevera que se usa para sujetar notas en la puerta del refrigerador. Los materiales magnetizables, que son también los que se sienten fuertemente atraídos por un imán, se denominan ferromagnéticos (o ferrimagnéticos ). Entre ellos se incluyen el hierro, el níquel y el cobalto y sus aleaciones, algunas aleaciones de metales de tierras raras y algunos minerales naturales como la magnetita . Si bien los materiales ferromagnéticos (y ferrimagnéticos) son los únicos que se sienten atraídos por un imán con la suficiente fuerza como para ser considerados magnéticos, todas las demás sustancias responden débilmente a un campo magnético mediante otros tipos de magnetismo.

Los materiales ferromagnéticos se pueden dividir en materiales magnéticamente "blandos", como el hierro recocido , que se pueden magnetizar pero no tienden a permanecer magnetizados, y materiales magnéticamente "duros", que sí lo hacen. Los imanes permanentes están hechos de materiales ferromagnéticos "duros", como el alnico y la ferrita , que se someten a un procesamiento especial en un campo magnético fuerte durante la fabricación para alinear su estructura microcristalina interna , lo que los hace muy difíciles de desmagnetizar. Para desmagnetizar un imán saturado, se debe aplicar un cierto campo magnético, y este umbral depende de la coercitividad del material correspondiente. Los materiales "duros" tienen alta coercitividad, mientras que los materiales "blandos" tienen baja coercitividad. La fuerza general de un imán se mide por su momento magnético o, alternativamente, por el flujo magnético total que produce. La fuerza local del magnetismo en un material se mide por su magnetización .

Un electroimán se compone de una bobina de alambre que actúa como imán cuando pasa una corriente eléctrica a través de ella, pero deja de serlo cuando la corriente se interrumpe. A menudo, la bobina se enrolla alrededor de un núcleo de material ferromagnético "blando", como el acero dulce , lo que aumenta considerablemente el campo magnético que produce.

Descubrimiento y desarrollo

Los antiguos aprendieron sobre el magnetismo a partir de las piedras imán (o magnetita ), que son trozos de mineral de hierro magnetizados naturalmente. La palabra imán se adoptó en inglés medio del latín magnetum "piedra imán", que en última instancia proviene del griego μαγνῆτις [λίθος] ( magnētis [lithos] ) [ 1 ] que significa "[piedra] de Magnesia ", [ 2 ] un lugar en Anatolia donde se encontraban piedras imán (hoy Manisa en la actual Turquía ). Las piedras imán, suspendidas para que pudieran girar, fueron las primeras brújulas magnéticas . Las descripciones más antiguas que se conservan de los imanes y sus propiedades provienen de Anatolia, India y China, de hace unos 2500 años. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Plinio el Viejo escribió sobre las propiedades de las piedras imán y su afinidad por el hierro en su enciclopedia Naturalis Historia en el siglo I d. C. [ 6 ]

En la China del siglo XI, se descubrió que al enfriar hierro al rojo vivo alineado con el campo magnético terrestre, este quedaba permanentemente magnetizado. Esto condujo al desarrollo de la brújula de navegación , como se describe en los Ensayos de Dream Pool en 1088. [ 7 ] [ 8 ] Entre los siglos XII y XIII d. C., las brújulas magnéticas se utilizaban para la navegación en China, Europa, la península arábiga y otros lugares. [ 9 ]

Un imán recto de hierro tiende a desmagnetizarse por su propio campo magnético. Para superar esto, Daniel Bernoulli inventó el imán de herradura en 1743. [ 7 ] [ 10 ] Un imán de herradura evita la desmagnetización al devolver las líneas del campo magnético al polo opuesto. [ 11 ]

En 1820, Hans Christian Ørsted descubrió que la aguja de una brújula se desvía por una corriente eléctrica cercana. Ese mismo año, André-Marie Ampère demostró que el hierro se puede magnetizar insertándolo en un solenoide alimentado eléctricamente. [ 12 ] Esto llevó a William Sturgeon a desarrollar un electroimán con núcleo de hierro en 1824. [ 7 ] Joseph Henry perfeccionó el electroimán hasta convertirlo en un producto comercial entre 1830 y 1831, lo que permitió a las personas acceder a campos magnéticos intensos por primera vez. En 1831 construyó un separador de mineral con un electroimán capaz de levantar 340 kg (750 libras ) . [ 13 ] 

Física

Campo magnético

Limaduras de hierro que se han orientado en el campo magnético producido por un imán de barra.
Detección de campos magnéticos con brújula y limaduras de hierro.

La densidad de flujo magnético (también llamada campo magnético B o simplemente campo magnético, generalmente denotada por B ) es un campo vectorial . El vector del campo magnético B en un punto dado del espacio se especifica mediante dos propiedades:

  1. Su dirección , que coincide con la orientación de la aguja de una brújula .
  2. Su magnitud (también llamada fuerza ), que es proporcional a la fuerza con que la aguja de la brújula se orienta en esa dirección.

En unidades del SI , la intensidad del campo magnético B se expresa en teslas . [ 14 ]

momento magnético

El momento magnético de un imán (también llamado momento dipolar magnético y generalmente denotado como μ ) es un vector que caracteriza sus propiedades magnéticas generales. En el caso de un imán de barra, la dirección del momento magnético apunta desde su polo sur hacia su polo norte [ 15 ] , y su magnitud se relaciona con la intensidad y la distancia entre estos polos. En unidades del SI , el momento magnético se expresa en A·m² ( amperios por metro cuadrado).

Un imán produce su propio campo magnético y, a su vez, responde a otros campos magnéticos. La intensidad del campo magnético que produce es, en cualquier punto dado, proporcional a la magnitud de su momento magnético. Además, cuando el imán se coloca en un campo magnético externo, producido por una fuente diferente, experimenta un par de torsión que tiende a orientar el momento magnético paralelamente al campo. [ 16 ] La magnitud de este par de torsión es proporcional tanto al momento magnético como al campo externo. Un imán también puede estar sujeto a una fuerza que lo impulsa en una u otra dirección, según la posición y la orientación del imán y la fuente. Si el campo es uniforme en el espacio, el imán no experimenta ninguna fuerza neta, aunque sí experimenta un par de torsión. [ 17 ]

Un cable en forma de círculo con área A y que transporta una corriente I tiene un momento magnético de magnitud igual a IA .

Magnetización

La magnetización de un material magnetizado es el valor local de su momento magnético por unidad de volumen, generalmente denotado M , con unidades de A / m . [ 18 ] Es un campo vectorial , en lugar de solo un vector (como el momento magnético), porque diferentes áreas en un imán pueden estar magnetizadas con diferentes direcciones y fuerzas (por ejemplo, debido a dominios, ver más adelante). Un buen imán de barra puede tener un momento magnético de magnitud 0,1  A·m² y un volumen de 1  cm³ , o 1 × 10⁻⁶ m³ , y por lo tanto una magnitud de magnetización promedio es 100 000 A/m. El hierro puede tener una magnetización de alrededor de un millón de amperios por metro. Un valor tan grande explica por qué los imanes de hierro son tan efectivos para producir campos magnéticos.  

Imanes para modelar

Campo de un imán de barra cilíndrico calculado con precisión

Existen dos modelos diferentes para los imanes: polos magnéticos y corrientes atómicas.

Si bien para muchos fines resulta conveniente pensar en un imán con polos magnéticos norte y sur bien definidos, el concepto de polos no debe interpretarse literalmente: simplemente se refiere a los dos extremos opuestos del imán. El imán no posee partículas norte o sur diferenciadas en lados opuestos. Si se rompe un imán de barra en dos, intentando separar los polos norte y sur, se obtendrán dos imanes de barra, cada uno con un polo norte y otro sur. Sin embargo, los profesionales del magnetismo utilizan una variante de este enfoque para diseñar imanes permanentes.

En este enfoque, la divergencia de la magnetización ∇· M dentro de un imán se trata como una distribución de monopolos magnéticos . Esto es una conveniencia matemática y no implica que existan monopolos reales en el imán. Si se conoce la distribución de polos magnéticos, el modelo de polos proporciona el campo magnético H. Fuera del imán, el campo B es proporcional a H , mientras que dentro se debe sumar la magnetización a H. Una extensión de este método que permite la existencia de cargas magnéticas internas se utiliza en las teorías del ferromagnetismo.

Otro modelo es el modelo de Ampère , donde toda la magnetización se debe al efecto de corrientes circulares ligadas microscópicas o atómicas , también llamadas corrientes amperianas, a través del material. Para un imán de barra cilíndrico uniformemente magnetizado, el efecto neto de las corrientes ligadas microscópicas es hacer que el imán se comporte como si hubiera una lámina macroscópica de corriente eléctrica fluyendo alrededor de la superficie, con una dirección de flujo local normal al eje del cilindro. [ 19 ] Las corrientes microscópicas en los átomos dentro del material generalmente se cancelan con las corrientes en los átomos vecinos, por lo que solo la superficie hace una contribución neta; raspar la capa exterior de un imán no destruirá su campo magnético, pero dejará una nueva superficie de corrientes no canceladas de las corrientes circulares a través del material. [ 20 ] La regla de la mano derecha dice en qué dirección fluye la corriente cargada positivamente. Sin embargo, la corriente debida a la electricidad cargada negativamente es mucho más frecuente en la práctica. [ 21 ]

Polaridad

El polo norte de un imán se define como el polo que, cuando el imán está suspendido libremente, apunta hacia el Polo Norte Magnético de la Tierra en el Ártico (los polos magnéticos y geográficos no coinciden, véase declinación magnética ). Dado que los polos opuestos (norte y sur) se atraen, el Polo Norte Magnético es en realidad el polo sur del campo magnético terrestre. [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] En la práctica, para determinar qué polo de un imán es el norte y cuál es el sur, no es necesario utilizar el campo magnético terrestre. Por ejemplo, un método sería compararlo con un electroimán , cuyos polos se pueden identificar mediante la regla de la mano derecha . Por convención, se considera que las líneas de campo magnético de un imán emergen del polo norte del imán y vuelven a entrar por el polo sur. [ 25 ]

Materiales magnéticos

El término imán se suele reservar para objetos que generan su propio campo magnético persistente incluso en ausencia de un campo magnético aplicado. Solo ciertos tipos de materiales poseen esta capacidad. Sin embargo, la mayoría de los materiales generan un campo magnético en respuesta a un campo magnético aplicado, un fenómeno conocido como magnetismo. Existen varios tipos de magnetismo, y todos los materiales presentan al menos uno de ellos.

El comportamiento magnético general de un material puede variar ampliamente, dependiendo de su estructura, en particular de su configuración electrónica . Se han observado diversas formas de comportamiento magnético en diferentes materiales, entre las que se incluyen:

  • Los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos son los que normalmente se consideran magnéticos; son atraídos por un imán con la suficiente fuerza como para que la atracción se pueda sentir. Estos materiales son los únicos que pueden retener la magnetización y convertirse en imanes; un ejemplo común es el imán de nevera tradicional . Los materiales ferrimagnéticos, que incluyen las ferritas y los materiales magnéticos naturales más utilizados, como la magnetita y la piedra imán , son similares a los ferromagnéticos, pero menos magnéticos. La diferencia entre los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos está relacionada con su estructura microscópica, como se explica en Magnetismo .
  • Las sustancias paramagnéticas , como el platino , el aluminio y el oxígeno , son atraídas débilmente por ambos polos de un imán. Esta atracción es cientos de miles de veces más débil que la de los materiales ferromagnéticos, por lo que solo puede detectarse mediante instrumentos sensibles o imanes extremadamente potentes. Los ferrofluidos magnéticos , aunque están compuestos de diminutas partículas ferromagnéticas suspendidas en un líquido, a veces se consideran paramagnéticos, ya que no pueden magnetizarse.
  • Diamagnético significa repelido por ambos polos. En comparación con las sustancias paramagnéticas y ferromagnéticas, las sustancias diamagnéticas, como el carbono , el cobre , el agua y el plástico , son repelidas aún más débilmente por un imán. La permeabilidad de los materiales diamagnéticos es menor que la permeabilidad del vacío . Todas las sustancias que no poseen uno de los otros tipos de magnetismo son diamagnéticas; esto incluye la mayoría de las sustancias. Aunque la fuerza que ejerce un imán ordinario sobre un objeto diamagnético es demasiado débil para ser percibida, utilizando imanes superconductores extremadamente potentes , los objetos diamagnéticos, como trozos de plomo e incluso ratones [ 26 ] , pueden levitar , de modo que flotan en el aire. Los superconductores repelen los campos magnéticos desde su interior y son fuertemente diamagnéticos.

Existen otros tipos de magnetismo, como el vidrio de espín , el superparamagnetismo , el superdiamagnetismo y el metamagnetismo .

Forma

La forma de un imán permanente influye mucho en sus propiedades magnéticas. Cuando un imán se magnetiza , se crea un campo desmagnetizante en su interior. Como su nombre indica, el campo desmagnetizante desmagnetiza el imán, disminuyendo sus propiedades magnéticas. La intensidad del campo desmagnetizanteHd{\displaystyle H_{d}}es proporcional a la magnetización del imánMETRO{\displaystyle M}y forma, según

Hd=−nortedMETRO.{\displaystyle H_{d}=-N_{d}M.}

Aquí,norted{\displaystyle N_{d}}se denomina factor desmagnetizante y tiene un valor diferente según la forma del imán. Por ejemplo, si el imán es una esfera , entoncesnorted=13{\displaystyle N_{d}={\frac {1}{3}}}.

El valor del factor de desmagnetización también depende de la dirección de la magnetización en relación con la forma del imán. Dado que una esfera es simétrica desde todos los ángulos, el factor de desmagnetización tiene un único valor. Sin embargo, un imán con forma de cilindro alargado producirá dos factores de desmagnetización diferentes, dependiendo de si se magnetiza en paralelo o perpendicular a su longitud. [ 16 ]

Usos comunes

Los discos duros registran los datos en una fina capa magnética.
Separador magnético manual para minerales pesados
  • Soportes de grabación magnética: Las cintas VHS contienen un carrete de cinta magnética . La información que compone el vídeo y el sonido se codifica en el recubrimiento magnético de la cinta. Los casetes de audio comunes también utilizan cinta magnética. De manera similar, en los ordenadores, los disquetes y los discos duros graban datos en un fino recubrimiento magnético. [ 27 ]
  • Tarjetas de crédito , débito y cajero automático : Todas estas tarjetas tienen una banda magnética en un lado. Esta banda codifica la información para contactar a la institución financiera de una persona y conectarse con su(s) cuenta(s). [ 28 ]
  • Televisores antiguos (no de pantalla plana) y monitores de ordenador grandes antiguos : Las pantallas de TV y de ordenador que contienen un tubo de rayos catódicos emplean un electroimán para guiar los electrones hacia la pantalla. [ 29 ]
  • Sensor : Los imanes permanentes son componentes útiles para la fabricación de sensores magnéticos para la detección de movimiento, desplazamiento, posición, etc. [ 30 ]
  • Altavoces y micrófonos : La mayoría de los altavoces emplean un imán permanente y una bobina conductora de corriente para convertir la energía eléctrica (la señal) en energía mecánica (el movimiento que crea el sonido). La bobina está enrollada alrededor de un carrete unido al cono del altavoz y transporta la señal como una corriente variable que interactúa con el campo del imán permanente. La bobina móvil siente una fuerza magnética y, en respuesta, mueve el cono y presuriza el aire circundante, generando así el sonido . Los micrófonos dinámicos emplean el mismo concepto, pero a la inversa. Un micrófono tiene un diafragma o membrana unido a una bobina de alambre. La bobina se encuentra dentro de un imán con una forma especial. Cuando el sonido hace vibrar la membrana, la bobina también vibra. A medida que la bobina se mueve a través del campo magnético, se induce un voltaje en ella. Este voltaje impulsa una corriente en el alambre que es característica del sonido original.
  • Las guitarras eléctricas utilizan pastillas magnéticas para convertir la vibración de las cuerdas en corriente eléctrica, que luego se amplifica . Esto difiere del principio de funcionamiento de los altavoces y los micrófonos dinámicos, ya que las vibraciones se detectan directamente mediante el imán y no se emplea un diafragma. El órgano Hammond utilizaba un principio similar, con ruedas tonales giratorias en lugar de cuerdas.
  • Motores y generadores eléctricos : Algunos motores eléctricos se basan en una combinación de un electroimán y un imán permanente y, al igual que los altavoces, convierten la energía eléctrica en energía mecánica. Un generador funciona a la inversa: convierte la energía mecánica en energía eléctrica moviendo un conductor a través de un campo magnético.
  • Medicina : Los hospitales utilizan imágenes por resonancia magnética para detectar problemas en los órganos de un paciente sin necesidad de cirugía invasiva.
  • Química: Los químicos utilizan la resonancia magnética nuclear para caracterizar los compuestos sintetizados.
  • Los mandriles se utilizan en el sector metalúrgico para sujetar objetos. Los imanes también se utilizan en otros tipos de dispositivos de sujeción, como la base magnética , la abrazadera magnética y el imán de nevera .
  • Brújulas : Una brújula (o brújula marina) es un puntero magnetizado que puede alinearse libremente con un campo magnético, generalmente el campo magnético terrestre .
  • Arte : Las láminas magnéticas de vinilo se pueden adherir a pinturas, fotografías y otros objetos decorativos, permitiendo fijarlas a refrigeradores y otras superficies metálicas. Se pueden aplicar objetos y pintura directamente sobre la superficie magnética para crear collages. Se pueden utilizar láminas magnéticas, tiras, puertas, hornos microondas, lavavajillas, automóviles, vigas metálicas y cualquier superficie metálica para crear arte con vinilo magnético.
  • Proyectos de ciencias : Muchas preguntas temáticas se basan en imanes, incluyendo la repulsión de cables conductores de corriente, el efecto de la temperatura y los motores que involucran imanes. [ 31 ]
Los imanes tienen muchos usos en los juguetes . M-tic utiliza varillas magnéticas conectadas a esferas metálicas para su construcción .
  • Juguetes : Dada su capacidad para contrarrestar la fuerza de la gravedad a corta distancia, los imanes se utilizan con frecuencia en juguetes infantiles, como la Rueda Espacial Magnética y el Levitron , con resultados muy divertidos.
  • Los imanes para el refrigerador se utilizan para adornar las cocinas, como recuerdo o simplemente para sujetar una nota o una foto a la puerta del refrigerador.
  • Los imanes se pueden usar para hacer joyas. Los collares y pulseras pueden tener un cierre magnético o estar hechos completamente de una serie de imanes y cuentas ferrosas entrelazadas.
  • Los imanes pueden recoger objetos magnéticos (clavos de hierro, grapas, chinchetas, clips) que son demasiado pequeños, difíciles de alcanzar o demasiado delgados para sujetarlos con los dedos. Algunos destornilladores están imantados para este fin.
  • Los imanes pueden utilizarse en operaciones de reciclaje y recuperación de materiales para separar metales magnéticos (hierro, cobalto y níquel) de metales no magnéticos (aluminio, aleaciones no ferrosas, etc.). Esta misma idea se aplica en la denominada "prueba magnética", en la que se inspecciona el chasis de un automóvil con un imán para detectar áreas reparadas con fibra de vidrio o masilla plástica.
  • Los imanes se utilizan en la industria de procesos, especialmente en la fabricación de alimentos, para eliminar cuerpos extraños metálicos de los materiales que ingresan al proceso (materias primas) o para detectar una posible contaminación al final del proceso y antes del envasado. Constituyen una importante capa de protección para los equipos de procesamiento y para el consumidor final. [ 32 ]
  • El transporte por levitación magnética, o maglev , es un sistema de transporte que suspende, guía e impulsa vehículos (especialmente trenes) mediante fuerza electromagnética. La eliminación de la resistencia a la rodadura aumenta la eficiencia. La velocidad máxima registrada de un tren maglev es de 581 kilómetros por hora (361 mph) . 
  • Los imanes pueden utilizarse como dispositivo de seguridad para algunas conexiones de cables. Por ejemplo, los cables de alimentación de algunos portátiles son magnéticos para evitar daños accidentales en el puerto en caso de tropiezo. La conexión de alimentación MagSafe del MacBook de Apple es un ejemplo de ello.

Problemas médicos y seguridad

Debido a la baja susceptibilidad de los tejidos humanos a los campos magnéticos estáticos, existe escasa evidencia científica que demuestre efectos en la salud asociados a la exposición a estos campos. Sin embargo, los campos magnéticos dinámicos podrían ser un caso diferente; se han planteado correlaciones entre la radiación electromagnética y las tasas de cáncer debido a factores demográficos.

Si un cuerpo extraño ferromagnético está presente en el tejido humano, un campo magnético externo que interactúa con él puede representar un grave riesgo para la seguridad. [ 33 ]

Existe otro tipo de riesgo magnético indirecto para la salud relacionado con los marcapasos. Si un paciente lleva un marcapasos implantado en el tórax (generalmente para monitorizar y regular el ritmo cardíaco mediante estimulación eléctrica ) , debe mantenerse alejado de campos magnéticos. Por este motivo, no se puede realizar una resonancia magnética a un paciente con este dispositivo.

A veces, los niños tragan pequeños imanes de los juguetes, y esto puede ser peligroso si se tragan dos o más imanes, ya que los imanes pueden pellizcar o perforar los tejidos internos. [ 34 ]

Los equipos de imágenes magnéticas (por ejemplo, las resonancias magnéticas ) generan campos magnéticos enormes, por lo que las salas destinadas a albergarlos prohíben el uso de metales ferrosos. Introducir objetos de metales ferrosos (como bombonas de oxígeno) en una sala de este tipo supone un grave riesgo para la seguridad, ya que dichos objetos pueden ser arrastrados con fuerza por los intensos campos magnéticos.

Ferromagnetos magnetizantes

Los materiales ferromagnéticos pueden magnetizarse de las siguientes maneras:

  • Calentar el objeto por encima de su temperatura de Curie , dejarlo enfriar en un campo magnético y golpearlo mientras se enfría. Este es el método más eficaz y es similar a los procesos industriales utilizados para crear imanes permanentes.
  • Al colocar un objeto en un campo magnético externo, este conservará parte de su magnetismo al retirarlo. Se ha demostrado que la vibración aumenta este efecto. Se ha observado que los materiales ferrosos alineados con el campo magnético terrestre y sometidos a vibración (por ejemplo, la estructura de una cinta transportadora) adquieren un magnetismo residual significativo. Del mismo modo, golpear un clavo de acero sujeto con los dedos en dirección norte-sur con un martillo lo magnetizará temporalmente.
  • Acariciar: Un imán existente se mueve repetidamente de un extremo del objeto al otro en la misma dirección ( método de un solo toque ) o se mueven dos imanes hacia afuera desde el centro de un tercero ( método de doble toque ). [ 35 ]
  • Corriente eléctrica: El campo magnético producido al hacer pasar una corriente eléctrica a través de una bobina puede alinear los dominios magnéticos. Una vez alineados todos los dominios, aumentar la corriente no incrementará la magnetización. [ 36 ]

Desmagnetización de ferromagnetos

Los materiales ferromagnéticos magnetizados pueden desmagnetizarse (o desmagnetizarse) de las siguientes maneras:

  • Calentar un imán por encima de su temperatura de Curie ; el movimiento molecular destruye la alineación de los dominios magnéticos, desmagnetizándolo por completo. [ 37 ]
  • Colocar el imán en un campo magnético alterno con una intensidad superior a la coercitividad del material y, a continuación, extraer lentamente el imán o disminuir lentamente el campo magnético hasta cero. Este es el principio que se utiliza en los desmagnetizadores comerciales para desmagnetizar herramientas, borrar tarjetas de crédito, discos duros y bobinas de desmagnetización utilizadas para desmagnetizar tubos de rayos catódicos (CRT) . [ 38 ]
  • Se producirá cierta desmagnetización o magnetización inversa si alguna parte del imán se somete a un campo inverso superior a la coercitividad del material magnético . [ 39 ]
  • La desmagnetización se produce progresivamente si el imán se somete a campos cíclicos suficientes para alejarlo de la parte lineal en el segundo cuadrante de la curva B–H del material magnético (la curva de desmagnetización). [ 40 ]
  • Golpes o sacudidas: la perturbación mecánica tiende a aleatorizar los dominios magnéticos y reducir la magnetización de un objeto, pero puede causar daños inaceptables. [ 41 ]

Tipos de imanes permanentes

Elementos metálicos magnéticos

Muchos materiales tienen espines electrónicos desapareados, y la mayoría de estos materiales son paramagnéticos . Cuando los espines interactúan entre sí de tal manera que se alinean espontáneamente, los materiales se denominan ferromagnéticos (lo que a menudo se denomina simplemente magnético). Debido a la forma en que su estructura atómica cristalina regular provoca la interacción de sus espines, algunos metales son ferromagnéticos cuando se encuentran en su estado natural, como menas . Entre ellos se incluyen el mineral de hierro ( magnetita o piedra imán ), el cobalto y el níquel , así como los metales de tierras raras gadolinio y disprosio (a temperaturas muy bajas). Estos ferromagnetos naturales se utilizaron en los primeros experimentos con magnetismo. Desde entonces, la tecnología ha ampliado la disponibilidad de materiales magnéticos para incluir diversos productos artificiales, todos ellos basados, sin embargo, en elementos magnéticos naturales.

Materiales compuestos

Una pila de imanes de ferrita

Los imanes cerámicos, o de ferrita , están hechos de un compuesto sinterizado de óxido de hierro en polvo y cerámica de carbonato de bario / estroncio . Dado el bajo costo de los materiales y los métodos de fabricación, es fácil producir en masa imanes económicos (o núcleos ferromagnéticos no magnetizados, para su uso en componentes electrónicos como antenas de radio AM portátiles ) de diversas formas. Los imanes resultantes no se corroen, pero son frágiles y deben tratarse como cualquier otra cerámica.

Los imanes de Alnico se fabrican mediante la fundición o sinterización de una combinación de aluminio , níquel y cobalto con hierro y pequeñas cantidades de otros elementos añadidos para mejorar las propiedades del imán. La sinterización ofrece características mecánicas superiores, mientras que la fundición proporciona campos magnéticos más intensos y permite el diseño de formas complejas. Los imanes de Alnico resisten la corrosión y tienen propiedades físicas más tolerantes que la ferrita, aunque no tan deseables como las de un metal. Entre los nombres comerciales de las aleaciones de esta familia se incluyen: Alni, Alcomax, Hycomax, Columax y Ticonal . [ 42 ]

Los imanes moldeados por inyección son un compuesto de diversos tipos de resina y polvos magnéticos, lo que permite fabricar piezas de formas complejas mediante moldeo por inyección. Las propiedades físicas y magnéticas del producto dependen de las materias primas, pero generalmente presentan una menor intensidad magnética y se asemejan a las de los plásticos en sus propiedades físicas.

imán flexible

Los imanes flexibles están compuestos de un compuesto ferromagnético de alta coercitividad (generalmente óxido férrico ) mezclado con un aglutinante polimérico resinoso. [ 43 ] Este se extruye en forma de lámina y se pasa sobre una línea de potentes imanes permanentes cilíndricos. Estos imanes están dispuestos en una pila con polos magnéticos alternos orientados hacia arriba (N, S, N, S...) sobre un eje giratorio. Esto imprime la lámina de plástico con los polos magnéticos en formato de línea alterna. No se utiliza electromagnetismo para generar los imanes. La distancia entre polos es del orden de 5 mm, pero varía según el fabricante. Estos imanes tienen menor fuerza magnética, pero pueden ser muy flexibles, dependiendo del aglutinante utilizado. [ 44 ] 

Para compuestos magnéticos (por ejemplo , Nd 2 Fe 14 B ) que son vulnerables a un problema de corrosión en los límites de grano, proporciona protección adicional. [ 43 ]

imanes de tierras raras

Imanes de forma ovoide (posiblemente de hematina ), uno colgando del otro.

Los elementos de tierras raras ( lantánidos ) poseen una capa electrónica f parcialmente ocupada (con capacidad para hasta 14 electrones). El espín de estos electrones puede alinearse, generando campos magnéticos muy intensos. Por ello, estos elementos se utilizan en imanes compactos de alta resistencia, donde su elevado precio no representa un inconveniente. Los tipos más comunes de imanes de tierras raras son los de samario-cobalto y los de neodimio-hierro-boro (NIB) .

Imanes de molécula única (SMM) e imanes de cadena única (SCM)

En la década de 1990, se descubrió que ciertas moléculas que contienen iones metálicos paramagnéticos son capaces de almacenar un momento magnético a temperaturas muy bajas. Estas moléculas son muy diferentes de los imanes convencionales, que almacenan información a nivel de dominio magnético, y teóricamente podrían proporcionar un medio de almacenamiento mucho más denso que los imanes convencionales. En esta dirección, actualmente se están realizando investigaciones sobre monocapas de SMM. En resumen, los dos atributos principales de un SMM son:

  1. un gran valor de espín del estado fundamental ( S ), que es proporcionado por el acoplamiento ferromagnético o ferrimagnético entre los centros metálicos paramagnéticos.
  2. un valor negativo de la anisotropía del desdoblamiento del campo cero ( D )

La mayoría de los SMM contienen manganeso, pero también pueden encontrarse con cúmulos de vanadio, hierro, níquel y cobalto. Más recientemente, se ha descubierto que algunos sistemas de cadena pueden presentar una magnetización que persiste durante largos periodos a temperaturas elevadas. Estos sistemas se conocen como imanes de cadena única.

imanes nanoestructurados

Algunos materiales nanoestructurados exhiben ondas de energía , llamadas magnones , que se fusionan en un estado fundamental común a la manera de un condensado de Bose-Einstein . [ 45 ] [ 46 ]

Imanes permanentes libres de tierras raras

La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) patrocinó un programa de Alternativas de Tierras Raras en Tecnologías Críticas (REACT) para desarrollar materiales alternativos. En 2011, ARPA-E otorgó 31,6 millones de dólares para financiar proyectos de sustitución de tierras raras. [ 47 ] Los nitruros de hierro son materiales prometedores para imanes libres de tierras raras. [ 48 ]

En 2026, investigadores anunciaron imanes permanentes de boruro de alta entropía (aleaciones de 5 o más elementos) que utilizan metales de transición 3d abundantes y boro en lugar de elementos de tierras raras . Los imanes funcionan a temperaturas y presiones ambiente. Adoptaron una estructura cristalina con simetría tetragonal C16 . Los imanes se formaron mediante pulverización catódica combinatoria. [ 49 ]

Costos

La corrienteLos imanes permanentes más económicos, que permiten alcanzar intensidades de campo variables, son los flexibles y los cerámicos, pero también se encuentran entre los tipos más débiles. Los imanes de ferrita son principalmente imanes de bajo costo, ya que se fabrican con materias primas baratas: óxido de hierro y carbonato de Ba o Sr. Sin embargo, se ha desarrollado un nuevo imán de bajo costo, la aleación Mn-Al, [ 43 ] [ 50 ] [ 51 ] y se considera un candidato prometedor para imanes permanentes de bajo costo. [ 50 ] Tiene una magnetización de saturación mayor que los imanes de ferrita. [ 50 ] También tiene coeficientes de temperatura más favorables, aunque puede ser térmicamente inestable. [ 51 ]

Los imanes de neodimio-hierro-boro (NIB) se encuentran entre los más potentes. Su precio por kilogramo es mayor que el de la mayoría de los demás materiales magnéticos, pero, debido a su intenso campo, resultan más pequeños y económicos en muchas aplicaciones. [ 52 ]

Temperatura

La sensibilidad a la temperatura varía, pero cuando un imán se calienta a una temperatura conocida como punto de Curie , pierde todo su magnetismo, incluso después de enfriarse por debajo de esa temperatura. [ 37 ] Sin embargo, los imanes a menudo se pueden remagnetizar.

Además, algunos imanes son frágiles y pueden fracturarse a altas temperaturas. [ 53 ]

La temperatura máxima utilizable es más alta para los imanes de alnico a más de 540 °C (1000 °F) , alrededor de 300 °C (570 °F) para la ferrita y el SmCo, aproximadamente 140 °C (280 °F) para el NIB y menor para las cerámicas flexibles, pero los valores exactos dependen del grado del material. [ 54 ]      

Electroimanes

Un electroimán, en su forma más simple, es un alambre enrollado en una o más espiras, conocido como solenoide . Cuando una corriente eléctrica fluye a través del alambre, se genera un campo magnético. Este se concentra cerca (y especialmente dentro) de la bobina, y sus líneas de campo son muy similares a las de un imán. La orientación de este imán efectivo se determina mediante la regla de la mano derecha . El momento magnético y el campo magnético del electroimán son proporcionales al número de espiras del alambre, a la sección transversal de cada espira y a la corriente que lo atraviesa. [ 55 ]

Si la bobina de alambre se enrolla alrededor de un material sin propiedades magnéticas especiales (por ejemplo, cartón), tenderá a generar un campo muy débil. Sin embargo, si se enrolla alrededor de un material ferromagnético blando, como un clavo de hierro, el campo resultante puede multiplicarse por cientos o incluso por miles.

Los electroimanes se utilizan en aceleradores de partículas , motores eléctricos , grúas para desguaces y equipos de resonancia magnética . Algunas aplicaciones implican configuraciones más complejas que un simple dipolo magnético; por ejemplo, se utilizan imanes cuadrupolares y sextupolares para enfocar haces de partículas .

Formulación

Unidades

En muchas disciplinas, se suelen utilizar las unidades MKS (racionalizadas) o SI (Sistema Internacional). En ocasiones, se utilizan otros dos sistemas de unidades: Gaussiano y CGS-EMU . [ 56 ]

En todas las unidades, es conveniente emplear dos tipos de campo magnético, B y H , así como la magnetización M , definida como el momento magnético por unidad de volumen.

  1. El campo de inducción magnética B se expresa en unidades del SI, en teslas (T). B es el campo magnético cuya variación temporal produce, según la ley de Faraday, campos eléctricos circulantes (que las compañías eléctricas comercializan). B también produce una fuerza de deflexión sobre partículas cargadas en movimiento (como en los tubos de televisión). El tesla equivale al flujo magnético (en webers) por unidad de área (en metros cuadrados), lo que le confiere a B la unidad de densidad de flujo. En el sistema CGS, la unidad de B es el gauss (G). Un tesla equivale a 10⁴  G. [ 57 ]
  2. El campo magnético H se expresa en unidades del SI de amperios-vuelta por metro (A-vuelta/m). Las vueltas aparecen porque cuando H es producido por un conductor por el que circula corriente, su valor es proporcional al número de vueltas de dicho conductor. En el sistema CGS, la unidad de H es el oersted (Oe). Un A-vuelta/m equivale a 4π × 10⁻³ Oe . [ 57 ]
  3. La magnetización M se expresa en unidades del SI de amperios por metro (A/m). En el sistema CGS, la unidad de M es el oersted (Oe). Un A/m equivale a 10⁻³ emu  /cm³ . Un buen imán permanente puede tener una magnetización de hasta un millón de amperios por metro. [ 58 ]
  4. En unidades del SI, se cumple la relación B  = μ 0 ( H  + M ), donde μ 0 es la permeabilidad del espacio, que es igual a 4π×10 −7 T•m/A. En CGS, se escribe como B = H + 4π M . [ 56 ] (El método de polos da μ 0 H en unidades del SI. Un término μ 0 M en SI debe complementar este μ 0 H para dar el campo correcto dentro de B , el imán. Coincidirá con el campo B calculado usando corrientes amperianas).     

Los materiales que no son imanes permanentes suelen satisfacer la relación M  = χ H en SI, donde χ es la susceptibilidad magnética (adimensional). La mayoría de los materiales no magnéticos tienen una χ relativamente pequeña (del orden de una millonésima), pero los imanes blandos pueden tener χ del orden de cientos o miles. Para materiales que satisfacen M  = χ H , también podemos escribir B  = μ 0 (1  + χ ) H = μ 0 μ r H = μ H , donde μ r = 1 + χ es la permeabilidad relativa (adimensional) y μ =μ 0 μ r es la permeabilidad magnética. [ 59 ] Tanto los imanes duros como los blandos tienen un comportamiento más complejo, dependiente de la historia, descrito por lo que se denominan bucles de histéresis , que dan B vs. H o M vs. H . En CGS, M = χ H , pero χ SI = 4 πχ CGS , y μ = μ r . [ 56 ]           

Precaución: debido en parte a la escasez de símbolos romanos y griegos, no existe un símbolo comúnmente aceptado para la fuerza del polo magnético y el momento magnético. El símbolo m se ha utilizado tanto para la fuerza del polo (unidad A•m, donde la m en vertical representa el metro) como para el momento magnético (unidad A•m² ) . El símbolo μ se ha utilizado en algunos textos para la permeabilidad magnética y en otros para el momento magnético. Utilizaremos μ para la permeabilidad magnética y m para el momento magnético. Para la fuerza del polo, emplearemos q m . Para un imán de barra de sección transversal A con magnetización uniforme M a lo largo de su eje, la fuerza del polo viene dada por q m  = MA , de modo que M puede considerarse como una fuerza del polo por unidad de área. [ 60 ]

Campos de un imán

Líneas de campo de imanes cilíndricos con diferentes relaciones de aspecto.

Lejos de un imán, el campo magnético que este crea se describe casi siempre (con buena aproximación) mediante un campo dipolar caracterizado por su momento magnético total. Esto es cierto independientemente de la forma del imán, siempre que el momento magnético sea distinto de cero. Una característica de un campo dipolar es que su intensidad disminuye inversamente con el cubo de la distancia al centro del imán. [ 56 ]

A medida que nos acercamos al imán, el campo magnético se vuelve más complejo y depende más de la forma y la magnetización específicas del imán. Formalmente, el campo puede expresarse como una expansión multipolar : un campo dipolar, más un campo cuadrupolar , más un campo octupolar, etc. [ 61 ]

A corta distancia, son posibles muchos campos diferentes. Por ejemplo, para un imán de barra largo y delgado con su polo norte en un extremo y su polo sur en el otro, el campo magnético cerca de cualquiera de los extremos disminuye inversamente con el cuadrado de la distancia a ese polo. [ 62 ]

Cálculo de la fuerza magnética

Fuerza de atracción de un solo imán

La fuerza de un imán dado a veces se expresa en términos de su fuerza de atracción : su capacidad para atraer objetos ferromagnéticos . [ 63 ] La fuerza de atracción ejercida por un electroimán o un imán permanente sin entrehierro (es decir, el objeto ferromagnético está en contacto directo con el polo del imán [ 64 ] ) viene dada por la ecuación de Maxwell : [ 65 ]

F=B2A2μ0{\displaystyle F={{B^{2}A} \over {2\mu _{0}}}},

dónde:

  • F es la fuerza (unidad del SI: newton )
  • A es la sección transversal del área del poste (en metros cuadrados).
  • B es la inducción magnética ejercida por el imán.

Este resultado se puede obtener fácilmente utilizando el modelo de Gilbert , que supone que el polo del imán está cargado con monopolos magnéticos que inducen lo mismo en el objeto ferromagnético.

Si un imán actúa verticalmente, puede levantar una masa m en kilogramos dada por la sencilla ecuación:

metro=B2A2μ0gramo,{\displaystyle m={{B^{2}A} \over {2\mu _{0}g}},}

donde g es la aceleración gravitatoria .

Fuerza entre dos polos magnéticos

Clásicamente , la fuerza entre dos polos magnéticos viene dada por: [ 66 ]

F=μqmetro1qmetro24πr2{\displaystyle F={{\mu q_{m1}q_{m2}} \over {4\pi r^{2}}}}

dónde

F es la fuerza (unidad del SI: newton )
q m 1 y q m 2 son las magnitudes de los polos magnéticos (unidad del SI: amperio-metro ).
μ es la permeabilidad del medio intermedio (unidad del SI: tesla metro por amperio , henrio por metro o newton por amperio cuadrado).
r es la separación (unidad del SI: metro).

La descripción de los polos es útil para los ingenieros que diseñan imanes reales, pero estos últimos presentan una distribución de polos más compleja que un simple polo norte y sur. Por lo tanto, la implementación de la idea de los polos no es sencilla. En algunos casos, una de las fórmulas más complejas que se presentan a continuación resultará más útil.

Fuerza entre dos superficies magnetizadas cercanas de área A

La fuerza mecánica entre dos superficies magnetizadas cercanas se puede calcular con la siguiente ecuación. La ecuación es válida solo para casos en los que el efecto de borde es despreciable y el volumen del entrehierro es mucho menor que el del material magnetizado: [ 67 ] [ 68 ]

F=μ0H2A2=B2A2μ0{\displaystyle F={\frac {\mu _{0}H^{2}A}{2}}={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}}

dónde:

A es el área de cada superficie, en m² .
H es su campo magnetizante, en A/m
μ 0 es la permeabilidad del espacio, que es igual a 4π×10 −7  T•m/A
B es la densidad de flujo, en T.

Fuerza entre dos imanes de barra

La fuerza entre dos imanes de barra cilíndricos idénticos colocados extremo con extremo a gran distanciaz≫R{\displaystyle z\gg R}es aproximadamente: [ 67 ]

F≃[B02A2(L2+R2)πμ0L2][1z2+1(z+2L)2−2(z+L)2]{\displaystyle F\simeq \left[{\frac {B_{0}^{2}A^{2}\left(L^{2}+R^{2}\right)}{\pi \mu _{0}L^{2}}}\right]\left[{\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{(z+2L)^{2}}}-{\frac {2}{(z+L)^{2}}}\right]}

dónde:

B 0 es la densidad de flujo magnético muy cerca de cada polo, en T,
A es el área de cada poste, en m 2 ,
L es la longitud de cada imán, en m,
R es el radio de cada imán, en m, y
z es la separación entre los dos imanes, en metros.
B0=μ02METRO{\displaystyle B_{0}\,=\,{\frac {\mu _{0}}{2}}M}relaciona la densidad de flujo en el polo con la magnetización del imán.

Cabe destacar que todas estas formulaciones se basan en el modelo de Gilbert, que es aplicable a distancias relativamente grandes. En otros modelos (por ejemplo, el de Ampère), se utiliza una formulación más compleja que, en ocasiones, no puede resolverse analíticamente. En estos casos, es necesario recurrir a métodos numéricos .

Fuerza entre dos imanes cilíndricos

Para dos imanes cilíndricos con radioR{\displaystyle R}y longitudL{\displaystyle L}, con su dipolo magnético alineado, la fuerza puede aproximarse asintóticamente a grandes distanciasz≫R{\displaystyle z\gg R}por, [ 69 ]

F(z)≃πμ04METRO2R4[1z2+1(z+2L)2−2(z+L)2]{\displaystyle F(z)\simeq {\frac {\pi \mu _{0}}{4}}M^{2}R^{4}\left[{\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{(z+2L)^{2}}}-{\frac {2}{(z+L)^{2}}}\right]}

dóndeMETRO{\displaystyle M}es la magnetización de los imanes yz{\displaystyle z}es la distancia entre los imanes. Una medición de la densidad de flujo magnético muy cerca del imánB0{\displaystyle B_{0}}está relacionado conMETRO{\displaystyle M}aproximadamente por la fórmula

B0=μ02METRO{\displaystyle B_{0}={\frac {\mu _{0}}{2}}M}

El dipolo magnético efectivo se puede escribir como

metro=METROV{\displaystyle m=MV}

DóndeV{\displaystyle V}es el volumen del imán. Para un cilindro, esto esV=πR2L{\displaystyle V=\pi R^{2}L}.

Cuandoz≫L{\displaystyle z\gg L}, se obtiene la aproximación del dipolo puntual,

F(incógnita)=3πμ02METRO2R4L21z4=3μ02πMETRO2V21z4=3μ02πmetro1metro21z4{\displaystyle F(x)={\frac {3\pi \mu _{0}}{2}}M^{2}R^{4}L^{2}{\frac {1}{z^{4}}}={\frac {3\mu _{0}}{2\pi }}M^{2}V^{2}{\frac {1}{z^{4}}}={\frac {3\mu _{0}}{2\pi }}m_{1}m_{2}{\frac {1}{z^{4}}}}

lo cual coincide con la expresión de la fuerza entre dos dipolos magnéticos.

Véase también

Notas

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