Qué es el magnetismo - La guía definitiva

El magnetismo o magnético es una fuerza de la física que provoca la atracción o alejamiento de los objetos. Se consigue como consecuencia del movimiento de los electrones.

Historia del magnetismo

 

Aunque el magnetismo se incorporó ampliamente a numerosas tecnologías a principios de los 20^th siglo XX, tiene una vasta y rica historia. El origen del magnetismo se remonta al año 600 a.C. y se cree que fue descubierto por los antiguos griegos.

Magnetismo se detectó por primera vez en la lodestone, que es una forma de mineral capaz de atraer materiales ferromagnéticos. Este mineral estaba compuesto de óxido de hierro.

Entre 1540 y 1603, William Gilbert estudió el magnetismo con métodos científicos y llegó a la conclusión de que incluso la Tierra presenta fuerzas magnéticas. En 18^th Charles Coulomb descubrió el ley del cuadrado inverso de la fuerza.

Llegó a la conclusión de que la fuerza de atracción que comparten dos materiales magnéticos es proporcional al resultado de sus campos individuales. Además, estableció que esta fuerza de atracción es inversamente proporcional al cuadrado del tramo entre ellos.

En 1831, Michael Faraday estableció la inducción electromagnética, que se convirtió en la piedra angular del desarrollo de imanes para generadores.

A medida que nos acercábamos a 1931, Imanes de álnico se inventaron y en 1966 Imanes SmCo fueron desarrollados por científicos. Gracias a estos inventos, los imanes se han convertido en componentes irrefutables de diversos aparatos y aplicaciones.

Entender las leyes del magnetismo

El principal ley del magnetismo se centra en el principio de atracción de polos diferentes y repulsión de polos similares. Esta ley se comprueba cuando se acercan polos semejantes (por ejemplo, norte y norte) de imanes adyacentes. Se detecta repulsión. Sin embargo, si se acercan polos opuestos, se atraen.

También existe la ley de los campos magnéticos, que se centra en los campos magnéticos creados por los imanes. Estos campos suelen cubrir espacios cercanos al imán, donde se manifiestan las fuerzas magnéticas. A medida que aumenta la distancia entre el imán y el objeto, disminuye la intensidad del campo magnético.

Propiedades del magnetismo

El magnetismo es un fenómeno natural que se ha estudiado y aplicado ampliamente a lo largo de los años. Los materiales magnéticos presentan diversas propiedades magnéticas y a continuación se desglosan las principales propiedades del magnetismo.

- Fuerza magnética

La fuerza magnética es una característica clave del magnetismo que explica la naturaleza del comportamiento que se produce cuando los objetos se acercan a un imán. La naturaleza de este comportamiento puede ser:

• Atracción: Este comportamiento se aplica a objetos o materiales con capacidad magnética. Los objetos ferromagnéticos se acercan al imán cuando se acercan al campo magnético. Por ejemplo, si se acercan clavos de hierro a una barra imantada, los clavos serán atraídos por el imán y se aferrarán a él.
• Repulsión: La repulsión es un comportamiento que se produce cuando objetos que carecen de propiedades magnéticas se colocan dentro de un campo magnético. También se produce cuando se acercan polos similares. Los polos se empujan hacia atrás.
• Propiedad directiva: Esta propiedad se refiere a la dirección en la que apuntan los imanes cuando están colgados libremente. Si atamos una cuerda en el centro de una barra magnética y la colgamos para asegurarnos de que se mueve libremente, observaremos que el imán adoptará una dirección norte-sur.

- Polos magnéticos

El magnetismo se basa en polos opuestos y así lo demuestran los polos magnéticos norte y sur que se encuentran en todos los imanes. Estos polos son los responsables de las propiedades de atracción y/o repulsión de los imanes. Al dividir una barra magnética en dos, se crea otro imán equipado con un polo norte y un polo sur.

- Campos magnéticos

Los campos magnéticos representan una región en la que las fuerzas magnéticas de un imán son activas o efectivas. Los materiales magnéticos pueden generar sus propios campos magnéticos, como muestran los imanes permanentes, o pueden depender de campos externos, como muestran los electroimanes. Idealmente, las líneas de campo magnético se originan en el polo norte y se dirigen hacia el polo sur.

- Dominios magnéticos

Los materiales magnéticos contienen átomos que se alinean uniformemente en zonas específicas para crear momentos magnéticos. Estos momentos se combinan y alinean de manera uniforme y sistemática para crear dominios magnéticos. Esta alineación da lugar a la generación de campos magnéticos robustos. Sin embargo, la inversión de la alineación de los dominios magnéticos puede provocar la pérdida de propiedades magnéticas.

Campos magnéticos y sus características

Campos magnéticos son zonas a menudo cercanas a los imanes, donde se manifiestan las fuerzas magnéticas. En esta región cobran vida las capacidades magnéticas de los imanes y las fuerzas reaccionan al movimiento de los electrones. Las líneas de campo magnético no pueden verse a simple vista, pero pueden visualizarse gracias a ciertas técnicas sencillas.

Todos los imanes, incluidos los de barra y los de herradura, tienen polos magnéticos norte y sur. Sin embargo, la curvatura de los imanes de herradura hace que los polos se sitúen en la misma línea.

Sin embargo, los campos magnéticos fluyen desde el polo norte y vuelven a entrar en el imán por el polo sur, igual que en los imanes de barra. Esto significa que el campo magnético de un imán de herradura es más intenso entre los polos.

Características de los campos magnéticos

• Las líneas de campo magnético suelen emanar del polo magnético norte y vuelven a entrar por el polo magnético sur.
• Las líneas de campo magnético apenas se entrecruzan.
• La intensidad de un campo magnético puede medirse en teslas (T).
• A medida que aumenta la distancia, disminuye la intensidad del campo magnético.
• Las líneas de campo magnético presentan una intensidad similar.
• La intensidad del campo magnético puede reducirse mediante el blindaje con materiales como el Mu-metal.

Tipos de materiales magnéticos

Material magnético se refiere simplemente a la materia utilizada para crear imanes. Esta materia debe demostrar fuertes propiedades magnéticas.

Hoy en día, existen múltiples materiales magnéticos explotados para fabricar imanes. La diferencia se exhibe en las características y propiedades del material. He aquí los principales tipos de material magnético en la actualidad:

- Material ferromagnético

Un material ferromagnético es sin duda el tipo más destacado de material magnético. Es un material muy utilizado por su gran fuerza magnética y su capacidad para mantener la intensidad del campo magnético incluso en ausencia de campo magnético externo.

Los materiales ferromagnéticos se utilizan principalmente para fabricar imanes permanentes y están hechos esencialmente de sustancias como hierro, cobalto y níquel.

Características del material ferromagnético

• Alta inclinación magnética: Los materiales ferromagnéticos suelen caracterizarse por una alta probabilidad de adquirir propiedades magnéticas cuando se someten a campos magnéticos más intensos.
• Dominio magnético: En la materia ferromagnética, hay átomos alineados en una dirección similar, lo que da lugar a la formación de momentos magnéticos. Los momentos se unen y alinean para formar dominios magnéticos.
• Histéresis magnética: Cuando los materiales ferromagnéticos se retiran de la presencia de campos magnéticos externos, siguen conservando capacidades magnéticas. El efecto de histéresis en los materiales ferromagnéticos se experimenta cuando se observa un retardo tras la retirada de los campos magnéticos externos.

- Material paramagnético

Los materiales paramagnéticos son esencialmente lo contrario de los materiales ferromagnéticos. Cuando se someten a campos magnéticos externos, experimentan una magnetización débil.

Además, pierden sus propiedades magnéticas cuando se les retira el campo magnético externo. Algunos ejemplos de materiales paramagnéticos son el platino y el aluminio.

Características del material paramagnético

• Inclinación magnética baja: En comparación con los materiales ferromagnéticos, su capacidad de magnetizarse es relativamente baja. Además, su magnetización es temporal y puede perderse al retirar el campo magnético externo.
• Temperatura de Curie: Los materiales paramagnéticos tienden a sufrir la pérdida de magnetismo cuando se exponen a altas temperaturas. Su susceptibilidad magnética también disminuye al aumentar la temperatura.
• Aplicaciones: Los materiales paramagnéticos tienen una baja susceptibilidad magnética, lo que descalifica su aplicación en la fabricación de imanes permanentes. Sin embargo, son ideales para máquinas de resonancia magnética, investigación científica y separación magnética.

- Materiales diamagnéticos

Los materiales diamagnéticos son simplemente materiales sin propiedades magnéticas (materiales no magnéticos). Entre ellos se encuentran la madera, los plásticos, el agua y ciertos metales. Cuando la materia diamagnética se somete a un campo magnético, los momentos en ellos se crean inversamente en relación con el campo magnético. El resultado es una repulsión.

Características del material diamagnético

• Inclinación magnética negativa: Cuando los materiales diamagnéticos se exponen a campos magnéticos externos, son empujados o repelidos. Esto se debe a que tienen susceptibilidad magnética negativa.
• Respuesta débil: Cuando los materiales diamagnéticos se colocan cerca de materiales ferromagnéticos o incluso de materiales paramagnéticos, quedan eclipsados. Tienen una respuesta magnética baja.

- Materiales ferrimagnéticos

Los materiales ferrimagnéticos comparten ciertas propiedades con los materiales ferromagnéticos, por ejemplo, el magnetismo permanente. Sin embargo, se diferencian por las dos subredes que son antiparalelas y presentan momentos magnéticos con magnitudes desiguales. Un buen ejemplo de material ferromagnético es la magnetita (Fe3O4).

Características del material ferrimagnético

• Magnetización neta: Los materiales ferrimagnéticos se caracterizan principalmente por un momento magnético neto. Esto se debe a la alineación desequilibrada de los momentos magnéticos en sus subredes.
• Remanencia: Los materiales ferrimagnéticos también mantienen el magnetismo incluso en ausencia de campos magnéticos externos.

- Materiales antiferromagnéticos

En los materiales antiferromagnéticos, los átomos que se alinean para crear momentos magnéticos tienden a alinearse en direcciones opuestas. De este modo, se anulan mutuamente, con lo que la magnetización neta es nula. El material antiferromagnético más destacado es el óxido de manganeso.

Características del material antiferromagnético

• Magnetización neta cero: Los momentos magnéticos de los materiales antiferromagnéticos se anulan entre sí, lo que da lugar a una magnetización neta nula.
• Temperatura Neel: Cuando los materiales antiferromagnéticos se someten a calor por encima de un punto de temperatura específico, se altera el orden de los momentos magnéticos atómicos. Este punto se conoce como temperatura de Neel y superarlo puede hacer que el material antiferromagnético muestre un comportamiento paramagnético. Para los materiales de óxido de manganeso, la temperatura de Neel tiende a ser de -151° C.

¿Cómo medir el magnetismo?

El magnetismo es un fenómeno muy intrigante e indispensable, de ahí que se utilice ampliamente en el mundo actual.

Existen múltiples técnicas, parámetros y herramientas que pueden aprovecharse para medir el magnetismo. A continuación se ofrece un breve resumen de las formas más eficaces de medir el magnetismo.

- Medición de la intensidad del campo magnético

Medir la intensidad del campo magnético generado por un material magnético es una forma de calibrar su fuerza magnética.

Para calcular la intensidad de un campo magnético se puede utilizar un sensor de efecto Hall o un magnetómetro. La unidad de medida de la intensidad del campo magnético suele ser el amperio por metro (A/M). También se pueden utilizar oersteds (Oe).

- Densidad de flujo magnético

La densidad de flujo magnético suele calcularse con fluxómetros y a menudo se pesa en teslas (T) o gauss (G).

Esta medida intenta establecer la potencia de un campo magnético en un punto preciso. La densidad de flujo magnético suele simbolizarse con la letra (B).

- Permeabilidad

La permeabilidad se expresa a menudo en (μ) y se mide en henrys por metro (H/m). Mide la capacidad de magnetización de la materia magnética. La medición de la permeabilidad da una idea de la capacidad de un material magnético para conducir el flujo magnético.

- Medición de la susceptibilidad magnética

La susceptibilidad magnética examina la probabilidad de que un material magnético adquiera poderes magnéticos cuando se somete a campos magnéticos externos. Los diferentes materiales magnéticos presentan una susceptibilidad magnética distinta. Este parámetro puede medirse con medidores o balanzas de susceptibilidad magnética.

Instrumentos para medir el magnetismo

En la actualidad, existe una miríada de instrumentos que pueden utilizarse para establecer diversos aspectos del magnetismo. La capacidad de medir estos aspectos nos ayuda a cuantificar la potencia del magnetismo, así como a optimizar la potencia de los imanes.

- Sensor de efecto Hall

Los sensores de efecto Hall son algunas de las herramientas más utilizadas cuando se trata de medir el magnetismo. Se utilizan principalmente para medir la intensidad del campo magnético de un imán. Son instrumentos semiconductores que generan una tensión equivalente al campo magnético medido.

- Brújula

Las brújulas se utilizan desde hace mucho tiempo para detectar el magnetismo. Constituyen agujas magnéticas que se alinean con los campos magnéticos emitidos por la Tierra. Una brújula ayuda a determinar la dirección de las líneas del campo magnético.

- Medidor de Gauss

Un medidor de Gauss está especialmente diseñado para medir la intensidad de los campos magnéticos. Mide la intensidad de campo en gauss (G). Pueden ser inmóviles o portátiles y suelen utilizarlos ingenieros y científicos.

- Magnetómetro SQUID

Los magnetómetros de calamar son conocidos por su gran eficacia y sensibilidad. Esto los hace ideales para medir campos magnéticos incluso cuando son extremadamente inferiores. Estos medidores suelen necesitar temperatura criogénica para funcionar de forma óptima.

¿Qué causa el magnetismo?

El magnetismo es un concepto que ha fascinado a científicos y estudiosos durante años. Sin embargo, con el paso de los años se han ido avanzando conceptos más avanzados y se han utilizado para ayudar a comprender mejor el magnetismo. He aquí un breve repaso a algunas de las teorías que se han utilizado para descifrar el magnetismo.

- El magnetismo y la teoría de los dominios

La teoría del dominio se desarrolló en los años 20^th y trata de explicar el magnetismo a partir de la disposición atómica o molecular de los materiales magnéticos.

Esta teoría sostiene que los materiales magnéticos están formados por átomos que se alinean en direcciones similares para crear dominios magnéticos. Los dominios se crean una vez que varios átomos se alinean uniformemente para crear momentos magnéticos.

Antes de magnetizar un material magnético, la disposición de los átomos en los dominios magnéticos es aleatoria. Sin embargo, una vez que el material se magnetiza o se expone a un campo magnético externo, los dominios se alinean uniformemente.

Aunque esta teoría explica cómo funciona el magnetismo en determinados materiales magnéticos, no explica otros aspectos del magnetismo. Y aquí es donde entra en juego la teoría atómica.

- Magnetismo y teoría atómica

La teoría atómica se basa en la invención realizada en 19^th que vio a los científicos utilizar el magnetismo para crear electricidad y, al mismo tiempo, utilizar la electricidad para crear magnetismo.

Sin embargo, la teoría atómica se utilizó para dilucidar el magnetismo en los años 20^th siglo. Esta teoría propone que los materiales magnéticos están formados por átomos y éstos por electrones, protones y neutrones.

Los electrones se encuentran en la periferia del núcleo y están en constante movimiento alrededor de la órbita. También experimentan un fenómeno conocido como espín electrónico, que da lugar a momentos magnéticos.

Además, el momento magnético creado depende del nivel del espín del electrón. Estos momentos interactúan con otros momentos para crear dominios magnéticos, lo que da lugar a campos magnéticos más intensos.

¿Cómo funcionan los imanes?

A pesar de ser ampliamente utilizados en aparatos y aplicaciones esenciales como altavoces y equipos médicos, mucha gente no entiende cómo funcionan. A continuación, exploramos los fundamentos del magnetismo para explicar cómo funcionan los imanes.

- Configuración atómica y subatómica

Los materiales magnéticos, como toda la materia, tienen átomos en su núcleo. Estos átomos están dotados de electrones, neutrones y protones. Los electrones rodean el núcleo del átomo y, al orbitar constantemente alrededor del núcleo, provocan el espín de los electrones.

- Giro del electrón

Los electrones son partículas subatómicas que giran alrededor del núcleo del átomo. Tienen carga negativa y capacidad de giro, lo que crea un campo magnético alrededor de los electrones. En los materiales magnéticos, los espines están orientados uniformemente, lo que da lugar a la creación de un sólido campo magnético neto.

- Momento magnético

La alineación uniforme de los espines de los electrones crea momentos magnéticos. Estos momentos se generan una vez que un material magnético como el hierro se somete a campos externos superiores.

Además, la consiguiente alineación de los momentos magnéticos conduce a la creación de dominios magnéticos.

- Dominios magnéticos

Los dominios magnéticos son, idealmente, imanes en miniatura dentro de un imán y son consecuencia de múltiples momentos magnéticos alineados en una dirección uniforme.

En los materiales no magnéticos, los dominios se orientan de forma aleatoria, pero en los materiales magnetizados se alinean uniformemente. Los dominios suelen crearse una vez que se introduce un campo magnético superior que hace que el polo norte del imán se alinee con el campo magnético externo.

- Atracción y repulsión

Con los momentos magnéticos y los dominios total y uniformemente alineados, se tiene un imán completamente funcional. Ahora el imán puede interactuar con distintos objetos y esta interacción adopta dos formas: atracción o repulsión.

La atracción se inicia hacia objetos con capacidades magnéticas como los metales. Idealmente, los polos diferentes se atraen, mientras que los polos iguales se repelen.

Tipos de imanes

Hoy en día, se pueden encontrar varios tipos de imanes caracterizados por diferentes propiedades, potencias magnéticas e incluso formas. Sin embargo, hay dos tipos principales de imanes:

- Imanes permanentes

Imanes permanentes se caracterizan por la longevidad con la que mantienen el magnetismo. Se magnetizan con facilidad, presentan fuertes campos magnéticos y conservan las propiedades magnéticas a perpetuidad. Se clasifican a su vez en:

• Imanes de álnico: Los imanes de álnico reciben su nombre de los compuestos de los que están hechos: aluminio, níquel y cobalto. Tienen una gran fuerza de campo magnético y soportan temperaturas extremas.

• Imanes de neodimio: Estos imanes se caracterizan por los compuestos con los que se fabrican: neodimio, hierro y boro. Destacan por su gran fuerza.
• Imanes SmCo: Los imanes SmCo son imanes fabricados a partir de samario y cobalto. Son famosos por su resistencia a la corrosión y su excepcional resistencia a altas temperaturas pone de manifiesto su poder magnético.
• Imanes cerámicos: También llamados imanes de ferrita, los imanes cerámicos son relativamente asequibles y tienen una alta coercitividad. Se fabrican a partir de óxido de hierro y se utilizan principalmente como imanes de nevera.
• Imanes de barra: Los imanes de barra tienen el aspecto de un triángulo, de ahí su nombre. Se reconocen por su aspecto alargado y estrecho. Se utilizan mucho en motores, equipos médicos y brújulas.

• Imanes de herradura: Los imanes en forma de herradura tienen la forma de la letra "U". Esto significa que los polos norte y sur se encuentran en la punta de la forma de U, lo que hace que sus campos magnéticos sean más intensos en las puntas.

• Imanes de anillo: Caracterizados por una forma anular similar a la de un anillo, los imanes anulares tienen sus campos magnéticos concentrados en el interior del orificio del anillo. Son ideales para la investigación, la separación magnética y los altavoces de audio.

- Imanes temporales

Los imanes temporales son objetos magnéticos que ganan y pierden magnetismo en determinadas condiciones. Por ejemplo, adquieren poderes magnéticos cuando se introduce un campo magnético externo y los pierden cuando se elimina el campo. Pueden fabricarse con distintos materiales, como paramagnéticos y diamagnéticos. Los imanes temporales son ideales para aplicaciones que requieren fuerzas magnéticas momentáneamente.

- Electroimanes

Electroimanes son tipos únicos de imanes que utilizan la electricidad para inducir magnetismo. Se basan en campos magnéticos creados mediante corrientes eléctricas. Su composición incluye un material magnético envuelto con una bobina de alambre. Cada vez que pasa una corriente alrededor del alambre, se genera un campo magnético. Cuando se apaga, el campo magnético se pierde y el imán pierde sus propiedades magnéticas.

Inducción magnética

Inducción magnética a veces se denomina inducción electromagnética y es un proceso que describe cómo se crea la fuerza electromotriz (FEM) en un conductor una vez sometido a un campo magnético dinámico. Este concepto se observa en la mayoría de los dispositivos eléctricos actuales, incluidos generadores e inductores. Se inicia cuando se manipula el campo magnético, lo que provoca un aumento o una disminución de la intensidad de campo cerca de un conductor.

Ley de Faraday de inducción electromagnética

 

Michael Faraday es un célebre científico inglés recordado por haber formulado la ley de Faraday de la inducción electromagnética en el siglo XIX.^th siglo.

Esta ley intenta explicar cómo la dinámica de un campo magnético cambiante afecta a la tensión en un circuito cerrado. Sin embargo, se divide en dos partes y aquí se explican ambas leyes.

Primera ley de inducción electromagnética

En la primera ley, Faraday sostiene que la colocación de un conductor en un campo magnético cambiante dará lugar a la inducción de una fuerza electromotriz. Si se interrumpe el circuito en el conductor, se origina una corriente inducida.

La intensidad del campo magnético puede manipularse ajustando la distancia entre el imán y la bobina. Por supuesto, esto es junto tirando de la bobina hacia o lejos de la fuerza magnética. He aquí la fórmula correspondiente:

Ε = -dΦ/dt

• Ε denota la fuerza electromotriz inducida (emf) en voltios (V).
• dΦ/dt denota la tasa de cambio del flujo magnético (Φ) a través del bucle con respecto al tiempo (t).

Segunda ley de inducción electromagnética

En la segunda ley, Faraday sostiene que la fuerza electromotriz inducida realizada en la bobina es proporcional a la tasa de cambio del enlace de flujo. El enlace de flujo se refiere al total de la suma de vueltas en la bobina, así como al flujo de la bobina. He aquí la fórmula correspondiente:

Δn = Q / (zF)

• Δn simboliza los moles de sustancia producidos durante la electrólisis.
• Q simboliza la carga eléctrica que atraviesa el electrolito en culombios (C).
• z simboliza el número de moles de electrones necesarios para producir o consumir un mol de la sustancia durante la electrólisis.
• F es la constante de Faraday, aproximadamente 96.485 C/mol.

Aplicaciones prácticas del magnetismo

El magnetismo es una tecnología prominente y se utiliza ampliamente en múltiples aplicaciones que trascienden diversos aspectos de la vida cotidiana. A continuación se describen algunos de los usos más importantes del magnetismo en la actualidad.

- Máquinas de IRM

El magnetismo es un concepto que ha demostrado ser indispensable en el diagnóstico médico, sobre todo cuando se trata de imágenes por resonancia magnética (IRM). Con imanes especialmente diseñados, los médicos pueden visualizar fácilmente los órganos internos, lo que se traduce en diagnósticos mejores y más precisos.

- Tiras de tarjetas de crédito

El magnetismo también se utiliza en las bandas de las tarjetas de crédito y otras tarjetas inteligentes para reservar información esencial. En muchas tarjetas financieras, la banda magnética tiene forma de banda negra que puede ser escaneada fácilmente por los escáneres de los bancos o los cajeros automáticos.

- Levitación magnética

En la levitación magnética o transporte, se emplea el magnetismo para hacer levitar vehículos o trenes. Para ello se necesitan imanes de gran potencia capaces de sostener y empujar objetos pesados como los trenes. El uso del Maglev ha facilitado enormemente el proceso de transporte.

- Almacenamiento magnético

El magnetismo también ha demostrado ser una tecnología muy beneficiosa para el almacenamiento. Los discos duros utilizan ahora bandas magnéticas para conservar los datos y los puertos de lectura utilizan campos magnéticos para leer los datos conservados.

- Separación magnética

La separación magnética es una de las aplicaciones clave del magnetismo. Se utilizan imanes muy robustos para separar objetos distintos de otros en función de su afinidad magnética. Por ejemplo, el magnetismo se utiliza mucho en la minería para separar metales preciosos de otros objetos.

Conclusión

Como puede ver, el magnetismo desempeña un papel importante en las aplicaciones industriales y domésticas modernas. Existen diferentes tipos de imanes para requisitos de aplicación únicos.

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