Propiedades de los imanes y electroimanes

la física rara vez se siente más mágica que la primera vez que te encuentras con un imán de niño. obtener un imán de barra en la clase de ciencias e intentar, con todas sus fuerzas, empujarlo hacia el polo correspondiente de otro imán pero no poder hacerlo completamente, o dejar los polos opuestos cerca uno del otro, pero sin tocarlos, para que puedan verlos arrastrarse juntos y eventualmente unirse. aprendes rápidamente 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 muy 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 puede esperarse, los imanes y los campos magnéticos están estrechamente vinculados. Dado que un electrón es una partícula cargada, su movimiento orbital alrededor del núcleo de un átomo crea un pequeño campo magnético. en general, 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 llaman ferromagnéticos, ya temperatura ambiente, solo el hierro, el níquel, el cobalto y el gadolinio son ferromagnéticos. Estos son los materiales que pueden convertirse en imanes permanentes.

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

sin embargo, si aplica un campo magnético externo, por ejemplo, al acercar una barra magnética al material, 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 materiales ferromagnéticos, esta alineación continúa incluso cuando se elimina el campo externo, pero en otros tipos de material (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 los polos de otros imanes. por lo tanto, si tiene dos imanes de barra permanentes, juntar dos polos norte (o sur) produce una fuerza repulsiva, que se hace más fuerte a medida que se juntan los dos extremos. si se juntan dos polos opuestos (un norte y un sur) hay una fuerza atractiva entre ellos. Cuanto más cerca los juntes, 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 los imanes permanentes, incluso si no producen un campo magnético propio. Sin embargo, solo se sienten atraídos por los imanes, y no serán rechazados a menos que comiencen a producir un campo magnético propio. Otros materiales, como el aluminio, la madera y la cerámica, no son atraídos por los imanes.

Un imán permanente y un electroimán son bastante diferentes. los electroimanes involucran la 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 se mueven los electrones: si apunta el pulgar de su mano derecha en la dirección de la corriente, sus dedos se doblan en la dirección del campo.

Para producir un electroimán simple, el cable eléctrico se enrolla alrededor de un núcleo central, generalmente hecho 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 vuelve más fuerte.

Cuando se detiene el flujo de electricidad, los electrones cargados dejan de moverse alrededor de la bobina del cable 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 uno en cómo se crea el campo, no las propiedades del campo después. por lo tanto, los electroimanes todavía tienen dos polos, aún atraen materiales ferromagnéticos y aún 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 (corriente alterna) 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 escoge 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 están descritas por las leyes de maxwell. estos están escritos en el lenguaje del cálculo vectorial y requieren un uso bastante complejo de las matemáticas. sin embargo, los conceptos básicos de las reglas relacionadas con el magnetismo pueden entenderse sin profundizar en las matemáticas complicadas.

la primera ley relacionada con el magnetismo se denomina "ley de no monopolio". esto básicamente establece que todos los imanes tienen dos polos, y nunca habrá un imán con un solo polo. en otras palabras, no se puede 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 se relaciona con la corriente que pasa a través del área y la velocidad de cambio del campo eléctrico (que es producida por portadores de carga eléctrica como protones y electrones). Esta es la ley que se usa para calcular un campo magnético en casos más simples, como para una bobina de cable o un cable recto largo.