Imán

Objeto que tiene un campo magnético

Una roca de magnetita está siendo atraída por un imán de neodimio 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 a otros materiales ferromagnéticos , como el hierro , el acero , el níquel , el cobalto , etc. y atrae o repele a otros imanes.

Un imán permanente es un objeto hecho de un material que está magnetizado y crea su propio campo magnético persistente. Un ejemplo cotidiano es un imán de refrigerador que se usa para sostener notas en la puerta de un refrigerador. Los materiales que se pueden magnetizar, que también son los que son fuertemente atraídos por un imán, se denominan ferromagnéticos (o ferrimagnéticos ). Estos incluyen los elementos hierro , níquel y cobalto y sus aleaciones, algunas aleaciones de metales de tierras raras y algunos minerales naturales como la piedra imán . Aunque los materiales ferromagnéticos (y ferrimagnéticos) son los únicos atraídos por un imán con la suficiente fuerza como para ser considerados comúnmente magnéticos, todas las demás sustancias responden débilmente a un campo magnético, por uno de varios otros tipos de magnetismo .

Los materiales ferromagnéticos se pueden dividir en materiales magnéticamente "blandos", como el hierro recocido , que se puede magnetizar pero no tiende a permanecer magnetizado, 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 respectivo. Los materiales "duros" tienen una alta coercitividad, mientras que los materiales "blandos" tienen una baja coercitividad. La fuerza total de un imán se mide por su momento magnético o, alternativamente, el flujo magnético total que produce. La fuerza local del magnetismo en un material se mide por su magnetización .

Un electroimán está hecho de una bobina de alambre que actúa como un imán cuando pasa una corriente eléctrica a través de él, pero deja de ser un imán cuando la corriente se detiene. A menudo, la bobina está enrollada alrededor de un núcleo de material ferromagnético "blando", como acero dulce , que mejora en gran medida el campo magnético producido por la bobina.

Descubrimiento y desarrollo

Los pueblos antiguos aprendieron sobre el magnetismo a partir de las piedras imán (o magnetita ), que son piezas de mineral de hierro magnetizadas de forma natural. La palabra imán fue adoptada en inglés medio del latín magnetum "piedra imán", en última instancia del griego μαγνῆτις [λίθος] ( magnētis [lithos] ) ^[1] que significa "[piedra] de Magnesia", ^[2] un lugar en Anatolia donde se encontraron piedras imán (hoy Manisa en la actual Turquía ). Las piedras imán, suspendidas para que pudieran girar, fueron las primeras brújulas magnéticas . Las primeras descripciones conocidas que sobreviven de los imanes y sus propiedades son de Anatolia, India y China, hace unos 2500 años. ^{[3] [4] [5]} Las propiedades de las piedras imán y su afinidad con el hierro fueron escritas por Plinio el Viejo en su enciclopedia Naturalis Historia en el siglo I d. C. ^[6]

En China, en el siglo XI, se descubrió que apagar el hierro al rojo vivo en el campo magnético de la Tierra dejaría el hierro magnetizado de forma permanente. Esto condujo al desarrollo de la brújula de navegación , como se describe en Dream Pool Essays en 1088. ^{[7] [8]} Entre los siglos XII y XIII d. C., las brújulas magnéticas se utilizaban en la navegación en China, Europa, la península Arábiga y otros lugares. ^[9]

Un imán de hierro recto 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 al pasar 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 siguió desarrollando el electroimán hasta convertirlo en un producto comercial entre 1830 y 1831, lo que permitió a las personas acceder por primera vez a campos magnéticos fuertes. En 1831, construyó un separador de minerales con un electroimán capaz de levantar 750 libras (340 kg). ^[13]

Física

Campo magnético

Limaduras de hierro que se han orientado en el campo magnético producido por un imán de barra

Detección del campo magnético con brújula y limaduras de hierro

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

1. Su dirección , que sigue la orientación de la aguja de una brújula .
2. Su magnitud (también llamada fuerza ), que es proporcional a la fuerza con la 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 μ ) es un vector que caracteriza las propiedades magnéticas generales del imán. Para un imán de barra, la dirección del momento magnético apunta desde el polo sur del imán hasta su polo norte, ^[15] y la magnitud se relaciona con la fuerza y ​​la distancia entre estos polos. En unidades del SI , el momento magnético se especifica en términos de A·m ² (amperios por metros al cuadrado).

Un imán produce su propio campo magnético y responde a los 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, está sujeto a un par que tiende a orientar el momento magnético en paralelo al campo. ^[16] La cantidad de este par es proporcional tanto al momento magnético como al campo externo. Un imán también puede estar sujeto a una fuerza que lo impulse en una u otra dirección, según las posiciones y orientaciones del imán y la fuente. Si el campo es uniforme en el espacio, el imán no está sujeto a ninguna fuerza neta, aunque sí a un par. ^[17]

Un cable con 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, normalmente denotado M , con unidades A / m . ^[18] Es un campo vectorial , en lugar de solo un vector (como el momento magnético), porque diferentes áreas en un imán pueden magnetizarse con diferentes direcciones e intensidades (por ejemplo, debido a los dominios, ver más abajo). Un buen imán de barra puede tener un momento magnético de magnitud 0,1 A·m ² y un volumen de 1 cm ³ , o 1×10 ⁻⁶  m ³ , 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 eficaces para producir campos magnéticos.

Imanes para modelar

Campo de un imán de barra cilíndrico calculado con precisión

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

Aunque para muchos propósitos es conveniente pensar en un imán como si tuviera polos magnéticos norte y sur diferenciados, el concepto de polos no debe tomarse literalmente: es simplemente una forma de referirse a los dos extremos diferentes de un imán. El imán no tiene partículas norte o sur diferenciadas en lados opuestos. Si se parte un imán de barra en dos pedazos, en un intento de separar los polos norte y sur, el resultado serán dos imanes de barra, cada uno de los cuales tiene un polo norte y un polo sur. Sin embargo, los magnetistas profesionales utilizan una versión del enfoque de los polos magnéticos para diseñar imanes permanentes. ^{[ cita requerida ]}

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 realmente haya monopolos en el imán. Si se conoce la distribución de polos magnéticos, entonces el modelo de polos da el campo magnético H. Fuera del imán, el campo B es proporcional a H , mientras que dentro de la magnetización debe sumarse a H. Una extensión de este método que permite cargas magnéticas internas se utiliza en teorías de ferromagnetismo.

Otro modelo es el modelo de Ampère , donde toda la magnetización se debe al efecto de corrientes circulares atómicas o microscópicas , también llamadas corrientes amperianas, a lo largo del material. Para un imán de barra cilíndrico magnetizado uniformemente, el efecto neto de las corrientes microscópicas ligadas 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 son canceladas por 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 en todo el material. ^[20] La regla de la mano derecha dice en qué dirección fluye la corriente cargada positivamente. Sin embargo, la corriente debido a la electricidad cargada negativamente es mucho más frecuente en la práctica. ^{[ cita requerida ]}

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 magnético y geográfico 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 de la Tierra. ^{[21] [22] [23] [24]} En la práctica, para saber qué polo de un imán es el norte y cuál es el sur, no es necesario utilizar el campo magnético de la Tierra en absoluto. Por ejemplo, un método sería compararlo con un electroimán , cuyos polos se pueden identificar mediante la regla de la mano derecha . Se considera por convención que las líneas del campo magnético de un imán emergen del polo norte del imán y vuelven a entrar en el polo sur. ^[24]

Materiales magnéticos

El término imán se suele reservar para los objetos que producen su propio campo magnético persistente incluso en ausencia de un campo magnético aplicado. Solo ciertas clases de materiales pueden hacer esto. Sin embargo, la mayoría de los materiales producen 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 la estructura del material, en particular de su configuración electrónica . Se han observado varias formas de comportamiento magnético en diferentes materiales, entre ellas:

• Los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos son los que normalmente se consideran magnéticos; son atraídos por un imán con la suficiente fuerza como para que se pueda sentir la atracción. Estos materiales son los únicos que pueden retener la magnetización y convertirse en imanes; un ejemplo común es un imán de refrigerador tradicional . Los materiales ferrimagnéticos, que incluyen ferritas y los materiales magnéticos más utilizados y de origen natural, la magnetita y la piedra imán , son similares a los ferromagnéticos pero más débiles. La diferencia entre los materiales ferromagnéticos y los 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 cualquiera de los polos de un imán. Esta atracción es cientos de miles de veces más débil que la de los materiales ferromagnéticos, por lo que solo se puede detectar utilizando instrumentos sensibles o utilizando imanes extremadamente fuertes. Los ferrofluidos magnéticos , aunque están hechos de pequeñas partículas ferromagnéticas suspendidas en líquido, a veces se consideran paramagnéticos ya que no se pueden magnetizar.
• 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 incluso más débilmente repelidas 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 sobre un objeto diamagnético de un imán ordinario es demasiado débil para ser sentida, utilizando imanes superconductores extremadamente fuertes , los objetos diamagnéticos como trozos de plomo e incluso ratones ^[25] pueden levitar , por lo que flotan en el aire. Los superconductores repelen los campos magnéticos de 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 tiene una gran influencia en sus propiedades magnéticas. Cuando se magnetiza un imán , se creará un campo desmagnetizador en su interior. Como sugiere el nombre, el campo desmagnetizador trabajará para desmagnetizar el imán, disminuyendo sus propiedades magnéticas. La fuerza del campo desmagnetizador es proporcional a la magnetización y la forma del imán , según ${\displaystyle H_{d}}$ ${\displaystyle M}$

${\displaystyle H_{d}=-N_{d}M.}$

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

El valor del factor de desmagnetización también depende de la dirección de la magnetización en relación con la forma del imán. Como una esfera es simétrica desde todos los ángulos, el factor de desmagnetización solo tiene un valor. Pero un imán con forma de cilindro largo producirá dos factores de desmagnetización diferentes, dependiendo de si está magnetizado en paralelo o en perpendicular a su longitud. ^[16]

Usos comunes

Las unidades de disco duro graban datos en una fina capa magnética

Separador magnético manual para minerales pesados

• Medios de grabación magnéticos: las cintas VHS contienen un rollo de cinta magnética . La información que compone el vídeo y el sonido está codificada en el revestimiento magnético de la cinta. Los casetes de audio comunes también dependen de la cinta magnética. De manera similar, en las computadoras, los disquetes y los discos duros graban datos en un revestimiento magnético delgado. ^[26]
• Tarjetas de crédito , débito y cajeros automáticos : 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 conectarla con su(s) cuenta(s). ^[27]
• Tipos más antiguos de televisores (no de pantalla plana) y monitores de computadora grandes más antiguos : las pantallas de televisión y computadora que contienen un tubo de rayos catódicos emplean un electroimán para guiar los electrones a la pantalla. ^[28]
• Altavoces y micrófonos : la mayoría de los altavoces utilizan un imán permanente y una bobina que transporta corriente para convertir la energía eléctrica (la señal) en energía mecánica (movimiento que crea el sonido). La bobina se enrolla alrededor de una bobina unida al cono del altavoz y transporta la señal como una corriente cambiante 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 reposa dentro de un imán de 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 a través de la bobina. Este voltaje impulsa una corriente en el alambre que es característica del sonido original.
• Las guitarras eléctricas utilizan pastillas magnéticas para transformar la vibración de las cuerdas de la guitarra en corriente eléctrica que luego se puede amplificar . Esto es diferente del principio detrás del altavoz y el micrófono dinámico porque las vibraciones son detectadas directamente por el imán y no se utiliza un diafragma. El órgano Hammond utilizó un principio similar, con ruedas fónicas 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 es lo contrario: convierte la energía mecánica en energía eléctrica al mover 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 campo de la metalurgia 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 refrigerador .
• Brújulas : Una brújula (o brújula de marinero) es un puntero magnetizado que puede alinearse con un campo magnético, normalmente el campo magnético de la Tierra .
• Arte : Las láminas de vinilo con imanes se pueden pegar a cuadros, fotografías y otros artículos ornamentales, lo que permite fijarlas a refrigeradores y otras superficies metálicas. Se pueden aplicar objetos y pintura directamente a la superficie del imán para crear obras de arte en collage. Se pueden utilizar láminas de vinilo con imanes de metal, tiras, puertas, hornos microondas, lavavajillas, automóviles, vigas en I de metal y cualquier superficie metálica para crear arte con vinilo magnético.
• Proyectos científicos : muchas preguntas temáticas se basan en imanes, incluida la repulsión de cables que transportan corriente, el efecto de la temperatura y los motores que involucran imanes. ^[29]

Los imanes tienen muchos usos en los juguetes . M-tic utiliza varillas magnéticas conectadas a esferas de metal para la construcción .

• Juguetes : Dada su capacidad para contrarrestar la fuerza de la gravedad a corta distancia, los imanes se emplean a menudo en juguetes para niños, como la Rueda Espacial Magnética y el Levitron , con un efecto divertido.
• Los imanes para refrigeradores se utilizan para adornar las cocinas, como recuerdo o simplemente para colgar una nota o una foto en la puerta del refrigerador.
• Los imanes se pueden utilizar para hacer joyas. Los collares y las pulseras pueden tener un cierre magnético o pueden estar fabricados enteramente con una serie de imanes y cuentas ferrosas enlazadas.
• Los imanes pueden atrapar objetos magnéticos (clavos de hierro, grapas, tachuelas, sujetapapeles) que sean demasiado pequeños, difíciles de alcanzar o demasiado finos para que los dedos los puedan sujetar. Algunos destornilladores están imantados para este propósito.
• Los imanes se pueden utilizar en operaciones de desguace y recuperación para separar metales magnéticos (hierro, cobalto y níquel) de metales no magnéticos (aluminio, aleaciones no ferrosas, etc.). La misma idea se puede utilizar en la llamada "prueba del imán", en la que se inspecciona el chasis de un automóvil con un imán para detectar áreas reparadas con masilla de fibra de vidrio o plástico.
• Los imanes se utilizan en las industrias de proceso, especialmente en la fabricación de alimentos, para eliminar cuerpos extraños metálicos de los materiales que entran en el 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 proceso y para el consumidor final. ^[30]
• El transporte por levitación magnética, o maglev , es una forma de transporte que suspende, guía e impulsa vehículos (especialmente trenes) mediante fuerza electromagnética. Al eliminar la resistencia a la rodadura se aumenta la eficiencia. La velocidad máxima registrada de un tren de levitación magnética es de 581 kilómetros por hora (361 mph).
• Los imanes se pueden utilizar como dispositivo de seguridad para algunas conexiones de cables. Por ejemplo, los cables de alimentación de algunas computadoras portátiles son magnéticos para evitar que se dañen accidentalmente en el puerto si alguien se tropieza con ellos. La conexión de alimentación MagSafe de la MacBook de Apple es un ejemplo de ello.

Cuestiones médicas y seguridad

Debido a que los tejidos humanos tienen un nivel muy bajo de susceptibilidad a los campos magnéticos estáticos, hay poca evidencia científica general que demuestre que la exposición a los campos estáticos tiene efectos sobre la salud. Sin embargo, los campos magnéticos dinámicos pueden ser un problema diferente; se han postulado correlaciones entre la radiación electromagnética y las tasas de cáncer debido a correlaciones demográficas (véase Radiación electromagnética y salud ).

Si hay un cuerpo extraño ferromagnético presente en el tejido humano, un campo magnético externo que interactúe con él puede suponer un grave riesgo de seguridad. ^[31]

Existe otro tipo de riesgo indirecto para la salud relacionado con los marcapasos. Si se ha implantado un marcapasos en el pecho de un paciente (normalmente con el fin de controlar y regular el corazón para que emita latidos constantes inducidos eléctricamente ), se debe tener cuidado de mantenerlo alejado de los campos magnéticos. Por este motivo, no se puede realizar pruebas con un dispositivo de resonancia magnética a un paciente que tenga el dispositivo instalado.

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. ^[32]

Los aparatos de obtención de imágenes magnéticas (por ejemplo, las resonancias magnéticas ) generan enormes campos magnéticos y, por lo tanto, en las salas destinadas a albergarlos no se permiten metales ferrosos. Llevar objetos fabricados con metales ferrosos (como bombonas de oxígeno) a una sala de este tipo crea un grave riesgo de seguridad, ya que esos objetos pueden ser lanzados con fuerza por los intensos campos magnéticos.

Ferroimanes magnetizantes

Los materiales ferromagnéticos se pueden magnetizar de las siguientes maneras:

• Calentar el objeto a una temperatura superior a su temperatura de Curie , dejar que se enfríe en un campo magnético y golpearlo con un martillo mientras se enfría. Este es el método más eficaz y es similar a los procesos industriales que se utilizan para crear imanes permanentes.
• La colocación del objeto en un campo magnético externo hará que el objeto conserve parte del magnetismo al retirarlo. Se ha demostrado que la vibración aumenta el efecto. Se ha demostrado que los materiales ferrosos alineados con el campo magnético de la Tierra que están sujetos a vibración (por ejemplo, el marco de una cinta transportadora) adquieren un magnetismo residual significativo. Del mismo modo, golpear un clavo de acero sostenido con los dedos en una dirección NS con un martillo magnetizará temporalmente el clavo.
• Acariciar: un imán existente se mueve de un extremo del objeto al otro repetidamente en la misma dirección ( método de toque único ) o se mueven dos imanes hacia afuera desde el centro de un tercero ( método de toque doble ). ^[33]
• Corriente eléctrica: el campo magnético producido al pasar una corriente eléctrica a través de una bobina puede hacer que los dominios se alineen. Una vez que todos los dominios están alineados, aumentar la corriente no aumentará la magnetización. ^[34]

Desmagnetización de ferroimanes

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

• Al calentar un imán más allá de su temperatura de Curie , el movimiento molecular destruye la alineación de los dominios magnéticos. Esto siempre elimina toda magnetización.
• Colocar el imán en un campo magnético alterno con una intensidad superior a la coercitividad del material y luego extraer lentamente el imán o reducir 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 desmagnetizadoras que se utilizan para desmagnetizar los CRT .
• 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 .
• 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).
• Martilleo o sacudidas: las perturbaciones mecánicas tienden a aleatorizar los dominios magnéticos y reducir la magnetización de un objeto, pero pueden causar daños inaceptables.

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 vagamente magnético). Debido a la forma en que su estructura atómica cristalina regular hace que sus espines interactúen, algunos metales son ferromagnéticos cuando se encuentran en sus estados naturales, como minerales . Estos incluyen el mineral de hierro ( magnetita o piedra imán ), el cobalto y el níquel , así como los metales de tierras raras gadolinio y disprosio (cuando se encuentran a una temperatura muy baja). Estos ferroimanes naturales se utilizaron en los primeros experimentos con magnetismo. Desde entonces, la tecnología ha ampliado la disponibilidad de materiales magnéticos para incluir varios productos artificiales, todos basados, sin embargo, en elementos magnéticos naturales.

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 usar 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 otras cerámicas.

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 altos y permite el diseño de formas intrincadas. Los imanes de alnico resisten la corrosión y tienen propiedades físicas más tolerantes que la ferrita, pero no tan deseables como un metal. Los nombres comerciales de las aleaciones de esta familia incluyen: Alni, Alcomax, Hycomax, Columax y Ticonal . ^[35]

Los imanes moldeados por inyección son un compuesto de varios 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 tienen una fuerza magnética menor y se parecen a los plásticos en sus propiedades físicas.

Imán flexible

Los imanes flexibles están compuestos de un compuesto ferromagnético de alta coercitividad (normalmente óxido férrico ) mezclado con un aglutinante de polímero resinoso. ^[36] Esto se extruye como una lámina y se pasa sobre una línea de potentes imanes permanentes cilíndricos. Estos imanes están dispuestos en una pila con polos magnéticos alternos hacia arriba (N, S, N, S...) en un eje giratorio. Esto imprime la lámina de plástico con los polos magnéticos en un formato de línea alterna. No se utiliza electromagnetismo para generar los imanes. La distancia de polo a polo es del orden de 5 mm, pero varía según el fabricante. Estos imanes tienen una fuerza magnética menor, pero pueden ser muy flexibles, dependiendo del aglutinante utilizado. ^[37]

Para los compuestos magnéticos (por ejemplo, _Nd2Fe14B ) que son vulnerables a un problema de corrosión en el límite de grano, _proporciona protección adicional. ^[36]

Imanes de tierras raras

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

Los elementos de tierras raras ( lantánidos ) tienen una capa de electrones f parcialmente ocupada (que puede albergar hasta 14 electrones). El espín de estos electrones se puede alinear, lo que da como resultado campos magnéticos muy fuertes y, por lo tanto, estos elementos se utilizan en imanes compactos de alta resistencia donde su precio más alto no es un problema. Los tipos más comunes de imanes de tierras raras son los imanes de samario-cobalto y los imanes 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. 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. Muy brevemente, los dos atributos principales de un SMM son:

1. un valor de espín del estado fundamental grande ( S ), que se proporciona mediante el acoplamiento ferromagnético o ferromagnético entre los centros metálicos paramagnéticos
2. un valor negativo de la anisotropía de la división del campo cero ( D )

La mayoría de los SMM contienen manganeso, pero también se pueden encontrar con cúmulos de vanadio, hierro, níquel y cobalto. Más recientemente, se ha descubierto que algunos sistemas de cadenas también pueden mostrar una magnetización que persiste durante mucho tiempo a temperaturas más altas. Estos sistemas se han denominado 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 . ^{[38] [39]}

Imanes permanentes sin tierras raras

El Departamento de Energía de los Estados Unidos ha identificado la necesidad de encontrar sustitutos para los metales de tierras raras en la tecnología de imanes permanentes y ha comenzado a financiar dicha investigación. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) ha patrocinado un programa de Alternativas de Tierras Raras en Tecnologías Críticas (REACT) para desarrollar materiales alternativos. En 2011, la ARPA-E otorgó 31,6 millones de dólares para financiar proyectos de Sustitutos de Tierras Raras. ^[40] Los nitruros de hierro son materiales prometedores para los imanes libres de tierras raras. ^[41]

Costos

Los imanes permanentes más baratos actuales ^[update], teniendo en cuenta la intensidad de los campos, son los imanes flexibles y cerámicos, pero también se encuentran entre los tipos más débiles. Los imanes de ferrita son principalmente imanes de bajo coste, ya que están hechos de materias primas baratas: óxido de hierro y carbonato de Ba o Sr. Sin embargo, se ha desarrollado un nuevo imán de bajo coste, la aleación de Mn-Al, ^{[36] [ fuente no primaria necesaria ] [42] [43]} y ahora domina el campo de los imanes de bajo coste. ^{[ cita requerida ]} Tiene una magnetización de saturación más alta que los imanes de ferrita. También tiene coeficientes de temperatura más favorables, aunque puede ser térmicamente inestable. Los imanes de neodimio-hierro-boro (NIB) se encuentran entre los más fuertes. Estos cuestan más por kilogramo que la mayoría de los demás materiales magnéticos pero, debido a su intenso campo, son más pequeños y más baratos en muchas aplicaciones. ^[44]

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. Sin embargo, los imanes a menudo se pueden remagnetizar.

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

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 ferrita y SmCo, aproximadamente 140 °C (280 °F) para NIB y menor para cerámica flexible, pero los números exactos dependen del grado del material.

Electroimanes

Un electroimán, en su forma más simple, es un cable que se ha enrollado en uno o más bucles, conocido como solenoide . Cuando la corriente eléctrica fluye a través del cable, se genera un campo magnético. 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 está determinada por la regla de la mano derecha . El momento magnético y el campo magnético del electroimán son proporcionales al número de bucles de cable, a la sección transversal de cada bucle y a la corriente que pasa a través del cable. ^[45]

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 neto producido puede resultar en un aumento de la intensidad del campo de cientos a miles de veces.

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

Unidades y cálculos

Para la mayoría de las aplicaciones de ingeniería, se utilizan comúnmente las unidades MKS (racionalizadas) o SI (Sistema Internacional). Otros dos conjuntos de unidades, la gaussiana y la CGS-EMU , son las mismas para las propiedades magnéticas y se utilizan comúnmente en física. ^{[ cita requerida ]}

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 teslas (T) del SI. B es el campo magnético cuya variación temporal produce, según la Ley de Faraday, campos eléctricos circulantes (que las compañías eléctricas venden). B también produce una fuerza de deflexión sobre partículas cargadas en movimiento (como en los tubos de televisión). El tesla es equivalente al flujo magnético (en webers) por unidad de área (en metros cuadrados), lo que da a B la unidad de densidad de flujo. En el CGS, la unidad de B es el gauss (G). Un tesla equivale a 10 ⁴  G.
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 cable que transporta corriente, su valor es proporcional al número de vueltas de ese cable. En el sistema CGS, la unidad de H es el oerstedio (Oe). Una A-vuelta/m equivale a 4π×10 ⁻³ Oe.
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/cm ³ . Un buen imán permanente puede tener una magnetización de hasta un millón de amperios por metro.
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 el sistema de ecuaciones diferenciales, se escribe B  = H  + 4π M . (El método de los polos da μ ₀ H en unidades del SI. Un término μ ₀ M en el SI debe entonces complementar este μ ₀ H para dar el campo correcto dentro de B , el imán. Coincidirá con el campo B calculado utilizando corrientes amperianas).

Los materiales que no son imanes permanentes generalmente satisfacen la relación M  = χ H en el SI, donde χ es la susceptibilidad magnética (adimensional). La mayoría de los materiales no magnéticos tienen un χ relativamente pequeño (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. Tanto los imanes duros como los blandos tienen un comportamiento más complejo, dependiente de la historia, descrito por lo que se denomina bucles de histéresis , que dan B frente a H o M frente a H . En CGS, M  = χ H , pero χ _SI  = 4 πχ _CGS , y μ = μ _r .

Precaución: en parte porque no hay suficientes símbolos romanos y griegos, no hay un símbolo comúnmente acordado 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 aquí la m vertical es para el metro) como para el momento magnético (unidad A•m ² ). El símbolo μ se ha utilizado en algunos textos para la permeabilidad magnética y en otros textos para el momento magnético. Usaremos 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 está dada por q _m  = MA , de modo que M puede considerarse como una fuerza del polo por unidad de área.

Campos de un imán

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

Lejos de un imán, el campo magnético creado por ese imán casi siempre se describe (con una buena aproximación) mediante un campo dipolar caracterizado por su momento magnético total. Esto es así independientemente de la forma del imán, siempre que el momento magnético no sea cero. Una característica de un campo dipolar es que la intensidad del campo disminuye inversamente con el cubo de la distancia desde el centro del imán.

Cuanto más cerca del imán se encuentra, el campo magnético se vuelve más complicado y depende más de la forma detallada y la magnetización del imán. Formalmente, el campo se puede expresar como una expansión multipolar : un campo dipolar, más un campo cuadrupolar , más un campo octupolar, etc.

A corta distancia, son posibles muchos campos diferentes. Por ejemplo, en el caso de un imán de barra largo y delgado con el polo norte en un extremo y el polo sur en el otro, el campo magnético cerca de cada extremo disminuye inversamente al cuadrado de la distancia desde ese polo.

Calcular la fuerza magnética

Fuerza de atracción de un solo imán

La fuerza de un imán determinado a veces se expresa en términos de su fuerza de atracción : su capacidad para atraer objetos ferromagnéticos . ^[46] La fuerza de atracción ejercida por un electroimán o un imán permanente sin espacio de aire (es decir, el objeto ferromagnético está en contacto directo con el polo del imán ^[47] ) se expresa mediante la ecuación de Maxwell : ^[48]

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

dónde

F es fuerza (unidad 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 derivar 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 simple ecuación:

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

donde g es la aceleración gravitacional .

Fuerza entre dos polos magnéticos

Clásicamente , la fuerza entre dos polos magnéticos viene dada por: ^[49]

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

dónde

F es fuerza (unidad SI: newton )

q _{m 1} y q _{m 2} son las magnitudes de los polos magnéticos (unidad SI: amperio-metro )

μ es la permeabilidad del medio intermedio (unidad SI: tesla metro por amperio , henrio por metro o newton por amperio al cuadrado)

r es la separación (unidad SI: metro).

La descripción de los polos es útil para los ingenieros que diseñan imanes del mundo real, pero los imanes reales tienen una distribución de polos más compleja que un único 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 dan a continuación será más útil.

Fuerza entre dos superficies magnetizadas cercanas de áreaA

La fuerza mecánica entre dos superficies magnetizadas cercanas se puede calcular con la siguiente ecuación. La ecuación es válida sólo para los casos en los que el efecto de la formación de franjas es despreciable y el volumen del espacio de aire es mucho menor que el del material magnetizado: ^{[50] [51]}

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

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 uno junto a otro a gran distancia es aproximadamente: ^{[ dudoso – discutir ]} , ^[50] ${\displaystyle z\gg R}$

${\displaystyle F\simeq \left[{\frac {B_{0}^{2}A^{2}\left(L^{2}+R^{2}\right)}{\pi \mu _{0}L^{2}}}\right]\left[{\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{(z+2L)^{2}}}-{\frac {2}{(z+L)^{2}}}\right]}$

dónde:

B ₀ es la densidad de flujo magnético muy cerca de cada polo, en T,

A es el área de cada polo, 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 m.

${\displaystyle B_{0}\,=\,{\frac {\mu _{0}}{2}}M}$relaciona la densidad de flujo en el polo con la magnetización del imán.

Cabe señalar que todas estas formulaciones se basan en el modelo de Gilbert, que se puede utilizar en distancias relativamente grandes. En otros modelos (por ejemplo, el modelo de Ampère), se utiliza una formulación más complicada que a veces no se puede resolver analíticamente. En estos casos, se deben utilizar métodos numéricos .

Fuerza entre dos imanes cilíndricos

Para dos imanes cilíndricos con radio y longitud , con su dipolo magnético alineado, la fuerza se puede aproximar asintóticamente a gran distancia mediante, ^[52] ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle z\gg R}$

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

donde es la magnetización de los imanes y es la separación entre los imanes. Una medida de la densidad de flujo magnético muy cercana al imán está relacionada aproximadamente con la fórmula ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle B_{0}}$ ${\displaystyle M}$

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

El dipolo magnético efectivo se puede escribir como

${\displaystyle m=MV}$

¿Dónde está el volumen del imán? Para un cilindro, es . ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle V=\pi R^{2}L}$

Cuando se obtiene la aproximación del dipolo puntual, ${\displaystyle z\gg L}$

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

que coincide con la expresión de la fuerza entre dos dipolos magnéticos.

Véase también

• Imán dipolar
• Teorema de Earnshaw
• Electreto
• Campo electromagnético
• Electromagnetismo
• Matriz de Halbach
• Nanopartículas magnéticas
• Interruptor magnético
• Magneto
• Magnetoquímica
• Imanes basados ​​en moléculas
• Imán de una sola molécula
• Superimán

Notas

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2. La ubicación de Magnesia es motivo de debate; podría ser la región de Grecia continental o Magnesia ad Sipylum . Véase, por ejemplo, "Magnet". Blog de Language Hat . 28 de mayo de 2005. Archivado desde el original el 19 de mayo de 2012. Consultado el 22 de marzo de 2013 .
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Referencias

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Enlaces externos

• Cómo se hacen los imanes Archivado el 16 de marzo de 2013 en Wayback Machine (video)
• Imanes de anillo flotante, Boletín de la IAPT, Volumen 4, N.º 6, 145 (junio de 2012). (Publicación de la Asociación India de Profesores de Física ).
• Una breve historia de la electricidad y el magnetismo