Propiedades de imanes y electroimanes

la física rara vez se siente más mágica que cuando te encuentras con un imán cuando eras niño. conseguir un imán de barra en la clase de ciencias e intentar, con todas tus fuerzas, empujarlo hacia el polo correspondiente de otro imán pero ser completamente incapaz de hacerlo, o dejar los polos opuestos cerca uno del otro pero sin tocarse para que puedas verlos arrastrarse juntos y eventualmente únete. rápidamente aprendes que este comportamiento es el resultado del magnetismo, pero ¿qué es realmente el magnetismo? ¿Cuál es el vínculo entre la electricidad y el magnetismo que permite que funcionen los electroimanes? ¿Por qué no usarías un imán permanente en lugar de un electroimán en un depósito de chatarra, por ejemplo? El magnetismo es un tema fascinante y complicado, pero si solo quieres aprender las propiedades de un imán y lo básico, es realmente fácil de aprender.

El comportamiento magnético es causado en última instancia por el movimiento de los electrones. una carga eléctrica en movimiento genera un campo magnético y, como es de esperar, los imanes y los campos magnéticos están intrincadamente unidos. Como un electrón es una partícula cargada, su movimiento orbital alrededor del núcleo de un átomo crea un pequeño campo magnético. en términos generales, sin embargo, hay toneladas de electrones en un material, y el campo creado por uno será cancelado por el campo creado por otro, y no habrá ningún magnetismo del material en su conjunto.

Sin embargo, algunos materiales funcionan de manera diferente. El campo magnético creado por un electrón puede afectar la orientación del campo producido por los electrones vecinos, y se alinean. esto produce lo que se llama un "dominio" magnético dentro del material, donde todos los electrones tienen campos magnéticos alineados. Los materiales que hacen esto se denominan ferromagnéticos y, a temperatura ambiente, solo el hierro, el níquel, el cobalto y el gadolinio son ferromagnéticos. Estos son los materiales que pueden convertirse en imanes permanentes.

todos los dominios dentro de un material ferromagnético tendrán orientaciones aleatorias; A pesar de que los electrones vecinos alinean sus campos, es probable que otros grupos estén alineados en una dirección diferente. esto no deja magnetismo a gran escala, porque los diferentes dominios se cancelan entre sí al igual que lo hacen los electrones individuales en otros materiales.

sin embargo, si aplica un campo magnético externo, al acercar un imán de barra al material, por ejemplo, los dominios comienzan a alinearse. cuando todos los dominios están alineados, toda la pieza de material contiene efectivamente un solo dominio y desarrolla dos polos, generalmente llamados norte y sur (aunque también se pueden usar positivos y negativos).

En los materiales ferromagnéticos, esta alineación continúa incluso cuando se elimina el campo externo, pero en otros tipos de materiales (materiales paramagnéticos), las propiedades magnéticas se pierden cuando se elimina el campo externo.

Las propiedades definitorias de los imanes son que atraen algunos materiales y los polos opuestos de otros imanes, y se repelen como polos de otros imanes. así que si tiene dos imanes de barra permanentes, empujar dos polos norte (o sur) juntos produce una fuerza repulsiva, que se hace más fuerte cuanto más se unen los dos extremos. Si une dos polos opuestos (uno norte y otro sur) hay una fuerza atractiva entre ellos. cuanto más los unes, más fuerte es esta fuerza.

Los materiales ferromagnéticos, como el hierro, el níquel y el cobalto, o las aleaciones que los contienen (como el acero) son atraídos por imanes permanentes, incluso si no producen un campo magnético propio. sin embargo, solo se sienten atraídos por los imanes, y no serán repelidos a menos que comiencen a producir un campo magnético propio. Otros materiales, como el aluminio, la madera y la cerámica, no se sienten atraídos por los imanes.

un imán permanente y un electroimán son bastante diferentes. Los electroimanes involucran electricidad de una manera más obvia y se generan esencialmente por el movimiento de electrones a través de un cable o conductor eléctrico. Al igual que con la creación de dominios magnéticos, el movimiento de electrones a través de un cable produce un campo magnético. la forma del campo depende de la dirección en la que viajan los electrones: si apuntas el pulgar de la mano derecha en la dirección de la corriente, tus dedos se curvan en la dirección del campo.

Para producir un electroimán simple, el cable eléctrico se enrolla alrededor de un núcleo central, generalmente de hierro. Cuando la corriente fluye a través del cable, viajando en círculos alrededor del núcleo, se produce un campo magnético, que corre a lo largo del eje central de la bobina. este campo está presente independientemente de si tiene o no un núcleo, pero con un núcleo de hierro, el campo alinea los dominios en el material ferromagnético y, por lo tanto, se fortalece.

Cuando se detiene el flujo de electricidad, los electrones cargados dejan de moverse alrededor de la bobina de alambre y el campo magnético desaparece.

Los electroimanes y los imanes tienen las mismas propiedades clave. La distinción entre un imán permanente y un electroimán es esencialmente una en la forma en que se crea el campo, no las propiedades del campo posterior. entonces los electroimanes todavía tienen dos polos, todavía atraen materiales ferromagnéticos y todavía tienen polos que repelen a otros polos similares y atraen polos diferentes. la diferencia es que la carga en movimiento en los imanes permanentes se crea por el movimiento de los electrones en los átomos, mientras que en los electroimanes se crea por el movimiento de los electrones como parte de una corriente eléctrica.

Sin embargo, los electroimanes tienen muchas ventajas. Debido a que el campo magnético es producido por la corriente, sus características pueden cambiarse cambiando la corriente. por ejemplo, aumentar la corriente aumenta la fuerza del campo magnético. de manera similar, se puede usar una corriente alterna (electricidad de CA) para producir un campo magnético en constante cambio, que se puede usar para inducir una corriente en otro conductor.

Para aplicaciones como grúas magnéticas en depósitos de chatarra, la gran ventaja de los electroimanes es que el campo se puede apagar con facilidad. Si recogiste un pedazo de chatarra con un imán permanente grande, ¡quitarlo del imán sería todo un desafío! Con un electroimán, todo lo que tiene que hacer es detener el flujo de corriente y la chatarra caerá.

Las leyes del electromagnetismo son descritas por las leyes de Maxwell. estos están escritos en el lenguaje de cálculo vectorial y requieren algunas matemáticas bastante complicadas para usar. sin embargo, los conceptos básicos de las reglas relacionadas con el magnetismo se pueden entender sin profundizar en las matemáticas complicadas.

La primera ley relacionada con el magnetismo se llama "ley sin monopolo". Esto básicamente establece que todos los imanes tienen dos polos, y que nunca habrá un imán con un solo polo. en otras palabras, no puedes tener un polo norte de un imán sin un polo sur, y viceversa.

La segunda ley relacionada con el magnetismo se llama ley de Faraday. esto describe el proceso de inducción, donde un campo magnético cambiante (producido por un electroimán con una corriente variable o por un imán permanente en movimiento) induce un voltaje (y corriente eléctrica) en un conductor cercano.

La ley final relacionada con el magnetismo se llama ley de ampere-maxwell, y esto describe cómo un campo eléctrico cambiante produce un campo magnético. La intensidad del campo está relacionada con la corriente que pasa a través del área y la tasa de cambio del campo eléctrico (que es producido por portadores de carga eléctrica como los protones y los electrones). Esta es la ley que utiliza para calcular un campo magnético en casos más simples, como para una bobina de cable o un cable recto largo.