Tabla de contenidos
Probablemente sabes que los imanes atraen metales específicos y que tienen polos norte y sur. Los polos opuestos se atraen mientras que los polos iguales se repelen. Los campos magnéticos y eléctricos están relacionados, y el 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 responde a la pregunta más básica: ¿qué es exactamente lo que hace que un imán se adhiera a ciertos metales? ¿O por qué no se adhieren a otros metales? ¿Por qué se atraen o se repelen, según su posición? ¿Y qué hace que los imanes de neodimio sean mucho más fuertes que los imanes de cerámica con los que jugábamos cuando éramos niños?
Para comprender las respuestas a estas preguntas, es útil tener una definición básica de imán. Los imanes son objetos que producen campos magnéticos y atraen metales como el hierro, el níquel y el cobalto. Las líneas de fuerza del campo magnético salen del imán desde su polo norte y entran en su polo sur.
Los imanes permanentes o duros crean su propio campo magnético todo el tiempo. Los imanes temporales o blandos producen campos magnéticos mientras están en presencia de un campo magnético y durante un breve período de tiempo después de salir del campo. Los electroimanes producen campos magnéticos solo cuando la electricidad viaja a través de sus bobinas de alambre.
Como los electrones y los protones son imanes diminutos, todos los materiales tienen algún tipo de propiedad magnética. Sin embargo, en la mayoría de los materiales, la forma en que los electrones giran en direcciones opuestas anula las propiedades magnéticas de un átomo.
Te recomendamos leer: Cómo funcionan las baterías | Todo lo que necesitas saber
Metales para fabricar imanes
Los metales son las opciones más comunes para fabricar imanes. Aunque algunos están hechos de metales simples, las combinaciones de metales (llamadas aleaciones) producen imanes de diferentes fuerzas. Por ejemplo:
Ferritas o imanes cerámicos
Son como los que se utilizan en los imanes de nevera y en los experimentos científicos de la escuela primaria. Contienen óxido de hierro y otros metales en un compuesto cerámico. Un imán cerámico conocido como imán o magnetita, fue el primer material magnético descubierto y se produce de forma natural.
Aunque los imanes cerámicos existen desde hace tanto tiempo, no se produjeron comercialmente hasta 1952. Aunque son comunes y mantienen su magnetismo, tienden a tener un campo magnético más débil (conocido como producto energético) que otros tipos de imanes.
Imanes de álnico
Fueron desarrollados en la década de 1930 y están hechos de aluminio, níquel y cobalto. Son más fuertes que los imanes cerámicos, pero no tanto como los que incorporan una clase de elementos conocidos como metales de tierras raras.
Imanes de neodimio
Contienen hierro, boro y el elemento de tierras raras neodimio y, al momento de escribir este artículo, son los imanes más fuertes disponibles comercialmente. Aparecieron por primera vez en la década de 1980, después de que científicos de los Laboratorios de Investigación de General Motors y la Sumitomo Special Metals Company publicaran su investigación.
Imanes de samario y cobalto
Fueron desarrollados por científicos de Investigación de la Universidad de Dayton en la década de 1960 y combinan cobalto con el elemento de tierras raras samario. En los últimos años, los científicos también han descubierto polímeros magnéticos o imanes de plástico. Algunos de estos son flexibles y moldeables. Sin embargo, algunos solo trabajan a temperaturas extremadamente bajas y otros solo utilizan materiales muy ligeros, como limaduras de hierro.
Hacer imanes: conceptos básicos
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 que sean más fuertes que los que se encuentran en la naturaleza. La 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 descubrió que podía utilizar la piedra imán para magnetizar piezas de hierro y crear una brújula. Frotar repetidamente la piedra imán a lo largo de una aguja de hierro en una dirección magnetizaba la aguja. Luego se alinearían en dirección norte-sur cuando estuvieran suspendidos. 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 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 las brújulas 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, el cobalto y el níquel. Cada dominio es esencialmente un pequeño imán autónomo con un polo norte y un polo sur.
En un material ferromagnético no magnetizado, el polo norte de cada dominio 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 los imanes, por el contrario, la mayoría o todos los dominios magnéticos apuntan en la misma dirección. En lugar de anularse entre sí, los campos magnéticos microscópicos se combinan para crear un gran campo magnético. Cuantos más dominios apunten en la misma dirección, más fuerte será el campo general. El campo magnético de cada dominio se extiende desde su polo norte hasta el polo sur del dominio que tiene delante.
Esto explica por qué al dividir un imán por la mitad se crean dos imanes más pequeños con polos norte y sur. También explica por qué los polos opuestos se atraen: las líneas de campo salen del polo norte de un imán y entran naturalmente en el polo sur de otro, creando esencialmente un imán más grande. Los polos similares se repelen entre sí porque sus líneas de fuerza viajan en direcciones opuestas, chocando entre sí en lugar de moverse juntas.
Contenido similar: Cómo funciona el almacenamiento en caché
Hacer imanes: los detalles
Para hacer un imán permanente, todo lo que tienes que hacer es estimular los dominios magnéticos de 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:
- Colocándolo en un fuerte campo magnético en dirección norte-sur.
- Sosteniéndolo en dirección norte-sur y golpeándolo repetidamente con un martillo, sacudiendo físicamente los dominios en una alineación débil.
- Pasar una corriente eléctrica a través de él.
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 la alcanza un rayo. Otros teorizan que trozos 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 el óxido de hierro estaba fundido y flexible.
El método más común para fabricar imanes en la actualidad consiste en colocar metal en un campo magnético. El campo ejerce un torque sobre el material, estimulando la alineación de los dominios. Existe un ligero retraso, conocido como histéresis, entre la aplicación del campo y el cambio de dominios; Los dominios tardan unos momentos en comenzar a moverse. Esto es lo que sucede:
- Los dominios magnéticos giran, lo que les permite alinearse a lo largo de las líneas norte-sur del campo magnético.
- Los dominios que ya apuntaban en dirección norte-sur se hacen más grandes a medida que los dominios que los rodean se hacen más pequeños.
- Los muros de dominio, o fronteras entre los dominios vecinos, se mueven físicamente para acomodar el crecimiento del dominio. En un campo magnético fuerte, algunas paredes desaparecen por completo.
La fuerza del imán resultante depende de la cantidad de fuerza utilizada para mover los dominios. Su permanencia, o retentividad, depende de lo difícil que fue fomentar 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 a menudo vuelven a su estado no magnético original.
Puede reducir la fuerza de un imán o desmagnetizarlo por completo exponiéndolo a un campo magnético alineado en la dirección opuesta. También puedes desmagnetizar un material calentándolo por encima de su punto de Curie, o la temperatura a la que cambian las propiedades magnéticas de un objeto. El calor distorsiona el material y excita las partículas magnéticas, lo que hace que los dominios se desalineen.
Te recomendamos leer: Cómo funciona realmente el «wifi integrado»
¿Por qué se pegan los imanes?
Si has leído cómo funcionan los electroimanes, sabrás 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 los electrones.
Mucha gente imagina a los electrones como partículas diminutas que orbitan alrededor del núcleo de un átomo de la misma manera 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 los orbitales en forma de capa de un átomo, donde se comportan tanto como partículas como como ondas. Los electrones tienen carga y masa, además de un movimiento que los físicos describen como espín en dirección ascendente o descendente.
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 de la mecánica cuántica 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 pequeño campo magnético. Dado que los electrones emparejados giran en direcciones opuestas, sus campos magnéticos se anulan entre sí. Los átomos de elementos ferromagnéticos, por otro lado, tienen varios electrones desapareados que tienen el mismo espín.
El hierro, por ejemplo, tiene cuatro electrones desapareados con el mismo espín. Debido a que no tienen campos opuestos que cancelen 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 intensidad 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.
En metales como el hierro, el momento magnético orbital estimula 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. A medida que se enfrían desde un estado fundido, grupos de átomos con espines orbitales paralelos se alinean dentro de la estructura cristalina. Esto forma los dominios magnéticos discutidos en la sección anterior.
Es posible que hayas notado que los materiales que forman 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 al metal hacia los imanes. Muchos otros elementos son diamagnéticos: sus átomos desapareados crean un campo que repele débilmente un imán. Algunos materiales no reaccionan en absoluto con los imanes.
Esta explicación y la física cuántica subyacente son bastante complicadas y, sin ellas, la idea de la atracción magnética puede resultar desconcertante. Por lo tanto, no sorprende que la gente haya visto los materiales magnéticos con sospecha durante gran parte de la historia.
Mitos del imán
Cada vez que usas una computadora, estás usando imanes. Si tu casa tiene un timbre, probablemente utilice un electroimán para accionar una matraca. Los imanes también son componentes vitales en televisores CRT, parlantes, micrófonos, generadores, transformadores, motores eléctricos, 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 los cables y suministrar par a motores eléctricos. Los trenes Maglev utilizan propulsión magnética para viajar a altas velocidades y los fluidos magnéticos ayudan a llenar los motores de los cohetes con combustible.
Contenido que te puede interesar leer: ¿Qué es la impresión por sublimación y cómo funciona?
El campo magnético de la Tierra, conocido como magnetosfera, la protege del viento solar. Según la revista Wired, algunas personas incluso se implantan pequeños imanes de neodimio en los dedos, lo que les permite detectar campos electromagnéticos.
Las máquinas de resonancia magnética (MRI) 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 han sanado correctamente. Este método, aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos en la década de 1980, 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 astronautas que se encuentran en entornos de microgravedad durante períodos prolongados.
Los imanes también pueden proteger la salud de los animales. Las vacas son susceptibles a una afección llamada reticulopericarditis traumática, o enfermedad del hardware, que se produce al tragar objetos metálicos. Los objetos tragados 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 retirar los objetos metálicos. Otra es alimentar con imanes a las vacas. Los imanes de alnico largos y estrechos, conocidos como imanes de vaca, pueden atraer piezas de metal y ayudar a evitar que dañen el estómago de la vaca.
Las personas, por otro lado, nunca deberían comer imanes, ya que pueden pegarse a través de las paredes intestinales de una persona, bloqueando el flujo sanguíneo y matando el tejido. En los seres humanos, los imanes ingeridos a menudo requieren cirugía para extraerlos.
Algunas personas abogan por el uso de la magnetoterapia para tratar una amplia variedad de enfermedades y afecciones. Según los profesionales, las plantillas, pulseras, collares, protectores de colchones y almohadas magnéticos 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 defensores ofrecen varias explicaciones de cómo funciona esto. Una es que el imán atrae el hierro que se encuentra en la hemoglobina de la sangre, mejorando la circulación hacia una zona específica. Otra 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 pueden en realidad provenir del paso del tiempo, de la amortiguación adicional en las plantillas magnéticas o del efecto placebo. Además, el agua potable no suele contener elementos que puedan magnetizarse, lo que hace cuestionable la idea del agua potable magnética.
Preguntas frecuentes sobre imanes
¿Por qué es importante el campo magnético de la Tierra?
Sin el campo magnético de la Tierra, la vida en el planeta acabaría extinguiéndose. Esto se debe a que estaríamos expuestos a grandes cantidades de radiación del sol y nuestra atmósfera se filtraría al espacio.
¿Los humanos somos electromagnéticos?
Los humanos pueden generar sus propios campos electromagnéticos. Esto puede explicarse por la presencia de pequeñas corrientes eléctricas que recorren el cuerpo (generadas por reacciones químicas). De hecho, podrías inducir corrientes circulantes en tu cuerpo con un campo magnético cercano.
¿Son los imanes perjudiciales para el cuerpo?
Que los imanes sean perjudiciales para el cuerpo humano depende de su fuerza. Los científicos coinciden en que los imanes por debajo de 3000 Gauss son inofensivos, pero cualquier valor superior podría ser potencialmente peligroso.
¿Puede un imán dañar mi Macbook?
Los imanes pueden dañar una Macbook. Esto se debe a que los datos del disco duro de su computadora pueden borrarse debido a la magnetización de un imán cercano. Si esto sucede, sus datos pueden corromperse y requerir restauración desde una copia de seguridad.
No te vayas sin leer: Los 10 automóviles más influyentes de todos los tiempos
¿Qué es la inductancia magnética?
La inductancia magnética se define como una propiedad que permite que cualquier material (como el hierro) adquiera temporalmente propiedades magnéticas cuando se coloca cerca de otro imán. Este fenómeno fue observado por primera vez por Michael Faraday en 1831. Espero que esta información te sea útil y responda tus preguntas sobre cómo funcionan los imanes.