Las limaduras de hierro muestran maravillosamente los campos opuestos de los mismos polos de dos imanes de barra. Spencer Grant / Elección del fotógrafo RF / Getty Images Todo comenzó cuando fuimos a comprar un imán para una demostración de chalecos antibalas líquidos. Queríamos mostrar que un campo magnético podría hacer que ciertos líquidos se comporten como sólidos. Junto con las placas de Petri y las limaduras de hierro que necesitábamos, el catálogo de Steve Spangler Science tenía un imán de neodimio que describió como "superfuerte". Pedimos nuestros suministros, con la esperanza de que el imán fuera lo suficientemente potente como para crear un efecto que pudiéramos capturar en la película.
El imán no solo transformó nuestro fluido de hierro y aceite en un sólido; a veces, su tirón en el líquido rompió la placa de Petri que lo sostenía. Una vez, el imán voló inesperadamente de la mano de un camarógrafo y se metió en un plato lleno de limaduras secas, que requirió considerable ingenio para eliminar. También se adhirió tan firmemente a la parte inferior de una mesa de metal que tuvimos que usar un par de alicates de bloqueo para recuperarlo. Cuando decidimos que sería más seguro guardar el imán en un bolsillo entre tomas, la gente terminó momentáneamente pegada a la mesa, una escalera y la puerta del estudio.
Alrededor de la oficina el imán se convirtió en objeto de curiosidad y objeto de experimentos improvisados. Su extraña fuerza y su tendencia a saltar repentina y ruidosamente de los agarres desprevenidos a la superficie de metal más cercana nos hizo pensar. Todos conocíamos los conceptos básicos de los imanes y el magnetismo:los imanes atraen metales específicos, y tienen norte y sur postes . Los polos opuestos se atraen entre sí mientras que los polos iguales se repelen. Los campos magnéticos y eléctricos están relacionados, y magnetismo, junto con la gravedad y las fuerzas atómicas fuertes y débiles, es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo.
Pero ninguno de esos hechos condujo a una respuesta a nuestra pregunta más básica. ¿Qué hace exactamente que un imán se adhiera a ciertos metales? Por extensión, ¿Por qué no se adhieren a otros metales? ¿Por qué se atraen o se repelen? dependiendo de su posicionamiento? ¿Y qué hace que los imanes de neodimio sean mucho más fuertes que los imanes de cerámica con los que jugábamos de niños?
Las limaduras de hierro (derecha) se alinean a lo largo de las líneas del campo magnético de un imán de neodimio cilíndrico. Para comprender las respuestas a estas preguntas, ayuda tener una definición básica de un imán. Los imanes son objetos que producen campos magnéticos y atrae metales como el hierro, níquel y cobalto. El campo magnético lineas de fuerza salga del imán de su polo norte y entre en su polo sur. Permanente o duro los imanes crean su propio campo magnético todo el tiempo. Temporal o suave los imanes producen campos magnéticos mientras están en presencia de un campo magnético y durante un tiempo breve después de salir del campo. Electroimanes producen campos magnéticos solo cuando la electricidad viaja a través de sus bobinas de alambre.
Las limaduras de hierro (derecha) se alinean a lo largo de las líneas del campo magnético de un imán de neodimio cúbico. Hasta hace poco, todos los imanes están hechos de metal elementos o aleaciones . Estos materiales produjeron imanes de diferentes fuerzas. Por ejemplo:
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Muchos de los dispositivos electrónicos actuales requieren imanes para funcionar. Esta dependencia de los imanes es relativamente reciente, principalmente porque la mayoría de los dispositivos modernos requieren imanes más fuertes que los que se encuentran en la naturaleza. Piedra imán , una forma de magnetita , es el imán natural más fuerte. Puede atraer objetos pequeños, como clips y grapas.
En el siglo XII, la gente había descubierto que podían usar piedra imán para magnetizar piezas de hierro, creando un Brújula . Frotar repetidamente la piedra imán a lo largo de una aguja de hierro en una dirección magnetizó la aguja. Luego se alinearía en una dirección norte-sur cuando estuviera suspendido. Finalmente, El científico William Gilbert explicó que esta alineación norte-sur de agujas magnetizadas se debía a que la Tierra se comportaba como un enorme imán con los polos norte y sur.
La aguja de una brújula no es tan fuerte como muchos de los imanes permanentes que se utilizan en la actualidad. Pero el proceso físico que magnetiza las agujas de la brújula y los trozos de aleación de neodimio es esencialmente el mismo. Se basa en regiones microscópicas conocidas como dominios magnéticos , que forman parte de la estructura física de materiales ferromagnéticos , como el hierro, cobalto y níquel. Cada dominio es esencialmente un pequeño, imán autónomo con un polo norte y sur. En un material ferromagnético no magnetizado, cada uno de los polos norte apunta en una dirección aleatoria. Los dominios magnéticos que están orientados en direcciones opuestas se cancelan entre sí, por lo que el material no produce un campo magnético neto.
En un material ferromagnético no magnetizado, los dominios apuntan en direcciones aleatorias. En imanes, por otra parte, la mayoría o todos los dominios magnéticos apuntan en la misma dirección. En lugar de anularse unos a otros, los campos magnéticos microscópicos se combinan para crear un gran campo magnético. Cuantos más dominios apunten en la misma dirección, cuanto más fuerte sea el campo general. El campo magnético de cada dominio se extiende desde su polo norte hasta el polo sur del dominio que tiene delante.
En un imán la mayoría o todos los dominios apuntan en la misma dirección. Esto explica por qué romper un imán por la mitad crea dos imanes más pequeños con polos norte y sur. También explica por qué se atraen los polos opuestos:las líneas de campo salen del polo norte de un imán y entran naturalmente en el polo sur de otro. esencialmente creando un imán más grande. Los polos iguales se repelen porque sus líneas de fuerza viajan en direcciones opuestas, chocando entre sí en lugar de moverse juntos.
Conectar el polo norte de un imán al polo sur de otro imán esencialmente crea un imán más grande.
Las limaduras de hierro se alinean a lo largo de los campos magnéticos de cuatro pequeños imanes. Después de quitar el imán, las limaduras seguirán teniendo sus propios campos magnéticos débiles. Para hacer un imán todo lo que tiene que hacer es alentar los dominios magnéticos en una pieza de metal para que apunten en la misma dirección. Eso es lo que sucede cuando frotas una aguja con un imán:la exposición al campo magnético estimula la alineación de los dominios. Otras formas de alinear dominios magnéticos en una pieza de metal incluyen:
Dos de estos métodos se encuentran entre las teorías científicas sobre cómo se forma la piedra imán en la naturaleza. Algunos científicos especulan que la magnetita se vuelve magnética cuando es alcanzada por un rayo. Otros teorizan que las piezas de magnetita se convirtieron en imanes cuando se formó la Tierra por primera vez. Los dominios se alinearon con el campo magnético de la Tierra mientras que el óxido de hierro estaba fundido y era flexible.
El método más común para fabricar imanes en la actualidad consiste en colocar metal en un campo magnético. El campo ejerce esfuerzo de torsión en el material, alentando a los dominios a alinearse. Hay un ligero retraso conocido como histéresis , entre la aplicación del campo y el cambio de dominios, los dominios tardan unos momentos en empezar a moverse. Esto es lo que sucede:
La fuerza del imán resultante depende de la cantidad de fuerza utilizada para mover los dominios. Su permanencia, o remanencia , depende de lo difícil que fue alentar la alineación de los dominios. Los materiales que son difíciles de magnetizar generalmente retienen su magnetismo durante períodos más largos, mientras que los materiales que son fáciles de magnetizar suelen volver a su estado original no magnético.
Puede reducir la fuerza de un imán o desmagnetizarlo por completo exponiéndolo a un campo magnético que está alineado en la dirección opuesta. También puede desmagnetizar un material calentándolo por encima de su Punto curie , o la temperatura a la que pierde su magnetismo. El calor distorsiona el material y excita las partículas magnéticas, provocando que los dominios se desalineen.
Imanes de envíoGrande, potentes imanes tienen numerosos usos industriales, desde escribir datos hasta inducir corriente en los cables. Pero enviar e instalar imanes enormes puede ser difícil y peligroso. Los imanes no solo pueden dañar otros artículos en tránsito, pueden resultar difíciles o imposibles de instalar a su llegada. Además, los imanes tienden a recolectar una serie de desechos ferromagnéticos, que es difícil de eliminar e incluso puede ser peligroso.
Por esta razón, Las instalaciones que utilizan imanes muy grandes a menudo tienen equipos en el lugar que les permiten convertir materiales ferromagnéticos en imanes. A menudo, el dispositivo es esencialmente un electroimán.
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Una vista simplificada de un átomo, con un núcleo y electrones en órbita Si ha leído Cómo funcionan los electroimanes, sabes que una corriente eléctrica que se mueve a través de un cable crea un campo magnético. Las cargas eléctricas en movimiento también son responsables del campo magnético en los imanes permanentes. Pero el campo de un imán no proviene de una gran corriente que viaja a través de un cable, sino del movimiento de electrones .
Mucha gente imagina los electrones como partículas diminutas que orbitan alrededor de un átomo. núcleo la forma en que los planetas orbitan alrededor del sol. Como lo explican actualmente los físicos cuánticos, el movimiento de los electrones es un poco más complicado que eso. Esencialmente, los electrones llenan el caparazón de un átomo orbitales , donde se comportan como partículas y ondas. Los electrones tienen un cargar y un masa , así como un movimiento que los físicos describen como girar en dirección ascendente o descendente. Puede obtener más información sobre los electrones en Cómo funcionan los átomos.
Generalmente, los electrones llenan los orbitales del átomo en pares . Si uno de los electrones de un par gira hacia arriba, el otro gira hacia abajo. Es imposible que ambos electrones de un par giren en la misma dirección. Esto es parte de un principio mecánico-cuántico conocido como Principio de exclusión de Pauli .
Aunque los electrones de un átomo no se mueven muy lejos, su movimiento es suficiente para crear un minúsculo campo magnético. Dado que los electrones emparejados giran en direcciones opuestas, sus campos magnéticos se anulan entre sí. Átomos de elementos ferromagnéticos, por otra parte, tienen varios electrones no apareados que tienen el mismo espín. Planchar, por ejemplo, tiene cuatro electrones desapareados con el mismo espín. Debido a que no tienen campos opuestos para cancelar sus efectos, estos electrones tienen un momento magnético orbital . El momento magnético es un vector - tiene una magnitud y una dirección. Está relacionado tanto con la fuerza del campo magnético como con el par que ejerce el campo. Los momentos magnéticos de un imán completo provienen de los momentos de todos sus átomos.
Un átomo de hierro y sus cuatro electrones desapareados. En metales como el hierro el momento magnético orbital anima a los átomos cercanos a alinearse a lo largo de las mismas líneas de campo norte-sur. El hierro y otros materiales ferromagnéticos son cristalinos. Mientras se enfrían desde un estado fundido, grupos de átomos con espín orbital paralelo se alinean dentro de la estructura cristalina. Esto forma los dominios magnéticos discutidos en la sección anterior.
Es posible que haya notado que los materiales que hacen buenos imanes son los mismos que los materiales que atraen los imanes. Esto se debe a que los imanes atraen materiales que tienen electrones desapareados que giran en la misma dirección. En otras palabras, la cualidad que convierte un metal en un imán también atrae el metal hacia los imanes. Muchos otros elementos son diamagnético - sus átomos no apareados crean un campo que repele débilmente un imán. Algunos materiales no reaccionan en absoluto con los imanes.
Esta explicación y su física cuántica subyacente son bastante complicadas, y sin ellos, la idea de atracción magnética puede resultar desconcertante. Por lo tanto, no es sorprendente que la gente haya visto los materiales magnéticos con sospecha durante gran parte de la historia.
Imanes de mediciónPuede medir campos magnéticos utilizando instrumentos como metros de gauss , y puede describirlos y explicarlos utilizando numerosas ecuaciones. Éstos son algunos de los conceptos básicos:
Tren transrrápido en el Emsland, Centro de pruebas de Alemania Imagen utilizada bajo la licencia de documentación libre GNU Cada vez que usa una computadora, estás usando imanes. Un disco duro se basa en imanes para almacenar datos, y algunos monitores usan imanes para crear imágenes en la pantalla. Si su casa tiene timbre, probablemente usa un electroimán para impulsar un generador de ruido. Los imanes también son componentes vitales en los televisores CRT, Altavoces, micrófonos, generadores, transformadores motor electrico, alarmas antirrobo, cintas de casete, brújulas y velocímetros de automóviles.
Además de sus usos prácticos, los imanes tienen numerosas propiedades sorprendentes. Pueden inducir corriente en el cable y suministrar par para motores eléctricos. Un campo magnético lo suficientemente fuerte puede hacer levitar objetos pequeños o incluso animales pequeños. Los trenes Maglev utilizan propulsión magnética para viajar a altas velocidades, y los fluidos magnéticos ayudan a llenar de combustible los motores de los cohetes. El campo magnético de la Tierra, conocido como el magnetosfera , lo protege de la viento solar . Según la revista Wired, algunas personas incluso implantan pequeños imanes de neodimio en sus dedos, permitiéndoles detectar campos electromagnéticos [Fuente:Wired].
Las máquinas de resonancia magnética (IRM) utilizan campos magnéticos para permitir a los médicos examinar los órganos internos de los pacientes. Los médicos también utilizan campos electromagnéticos pulsados para tratar huesos rotos que no se han curado correctamente. Este método, aprobado por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos en la década de 1970, puede reparar huesos que no han respondido a otros tratamientos. Pulsos similares de energía electromagnética pueden ayudar a prevenir la pérdida ósea y muscular en los astronautas que se encuentran en entornos de gravedad cero durante períodos prolongados.
Los imanes también pueden proteger la salud de los animales. Las vacas son susceptibles a una condición llamada reticulopericarditis traumática , o enfermedad del hardware , que proviene de la ingestión de objetos metálicos. Los objetos ingeridos pueden perforar el estómago de una vaca y dañar su diafragma o corazón. Los imanes son fundamentales para prevenir esta afección. Una práctica consiste en pasar un imán sobre la comida de las vacas para quitar los objetos metálicos. Otro es alimentar a las vacas con imanes. Largo, imanes de alnico estrechos, conocido como imanes de vaca , puede atraer piezas de metal y ayudar a evitar que dañen el estómago de la vaca. Los imanes ingeridos ayudan a proteger a las vacas, pero sigue siendo una buena idea mantener las áreas de alimentación libres de desechos metálicos. Gente, por otra parte, nunca debería comer imanes, ya que pueden pegarse a través de las paredes intestinales de una persona, bloqueando el flujo sanguíneo y matando tejidos. Inhumanos, Los imanes ingeridos a menudo requieren cirugía para extraerlos.
Imanes de vaca Foto cortesía de Amazon Algunas personas abogan por el uso de la magnetoterapia para tratar una amplia variedad de enfermedades y afecciones. Según los practicantes, plantillas magnéticas, esposas, collares Los protectores de colchón y las almohadas pueden curar o aliviar todo, desde la artritis hasta el cáncer. Algunos defensores también sugieren que consumir agua potable magnetizada puede tratar o prevenir diversas dolencias. Los estadounidenses gastan un estimado de $ 500 millones por año en tratamientos magnéticos, y la gente en todo el mundo gasta alrededor de $ 5 mil millones. [Fuente:Winemiller vía NCCAM].
Los proponentes ofrecen varias explicaciones de cómo funciona esto. Una es que el imán atrae el hierro que se encuentra en la hemoglobina en la sangre, mejorando la circulación a un área específica. Otro es que el campo magnético cambia de alguna manera la estructura de las células cercanas. Sin embargo, Los estudios científicos no han confirmado que el uso de imanes estáticos tenga algún efecto sobre el dolor o la enfermedad. Los ensayos clínicos sugieren que los beneficios positivos atribuidos a los imanes en realidad pueden provenir del paso del tiempo, amortiguación adicional en plantillas magnéticas o el efecto placebo. Además, el agua potable no suele contener elementos que puedan magnetizarse, haciendo cuestionable la idea del agua potable magnética.
Algunos proponentes también sugieren el uso de imanes para reducir el agua dura en los hogares. Según los fabricantes de productos, Los imanes grandes pueden reducir el nivel de incrustaciones de agua dura al eliminar los minerales ferromagnéticos de agua dura. Sin embargo, los minerales que generalmente causan agua dura no son ferromagnéticos. Un estudio de Consumer Reports de dos años también sugiere que tratar el agua entrante con imanes no cambia la cantidad de acumulación de sarro en un calentador de agua doméstico.
Aunque no es probable que los imanes acaben con el dolor crónico o eliminen el cáncer, todavía son fascinantes de estudiar.
Polos magnéticosUn imán puede tener varios polos norte y sur, y estos polos siempre ocurren en pares . No puede haber polo norte sin un polo sur correspondiente, ningún polo sur sin un norte correspondiente.
Publicado originalmente:2 de abril de 2007
