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Magnetismo

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"dove andremo", obra de Danilo CannoneDetalle de una brújula

El magnetismo es un fenómeno físico por el que los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay materiales que presentan propiedades magnéticas detectables fácilmente, como el níquel, el hierro o el cobalto, que pueden llegar a convertirse en un imán.

Existe un mineral llamado magnetita que es conocido como el único imán natural. De hecho de este mineral proviene el término de  magnetismo.

Sin embargo, todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.

Aprende más sobre el magnetismo

Historia del magnetismo: sus orígenes

"Magnetita Fe3O4", obra de Beatrice MurchLa magnetita es un mineral ferromagnético, formado principalmente por óxido ferroso férrico

Los fenómenos magnéticos fueron conocidos por primera vez por los antiguos griegos, a través de una mineral llamado magnetita (de ahí surge el término magnetismo). Se dice que se pudo observar por primera vez en la ciudad de Magnesia, en Asia Menor.  Originariamente se pensó que la magnetita se podría utilizar para mantener la piel joven. De hecho, Cleopatra dormía con una magnetita en la frente para retrasar el proceso de envejecimiento.

Esta reputación terapéutica de la magnetita se transmitió también a los griegos, los cuales la usaban para la curación de dolencias. En el siglo III a.C., Aristóteles escribió acerca de las propiedades curativas de los imanes naturales, que llamaba "imanes blancos". 

Posteriormente las aplicaciones basadas en el magnetismo fueron desarrollándose. Por el siglo 12 d.C., los marineros chinos ya utilizaban magnetitas como brújulas para la navegación marítima.

¿Para qué sirven los imanes?

Un gran número de médicos y sanadores utilizaron los imanes para curar diferentes problemas médicos a lo largo de la historia. Hoy en día la ciencia médica utiliza el magnetismo más que nunca, por ejemplo:

  • La magnetoencefalografía (MEG) se utiliza para medir la actividad cerebral.
  • La terapia de choque para volver a iniciar corazones.

El uso de imanes en aplicaciones industriales y mecánicas también es muy común. Los imanes son la fuerza motriz básica para todos los motores eléctricos y generadores eléctricos.

Los imanes

¿Qué es un imán?

Los imanes son los materiales que presentan las propiedades del magnetismo. Hay que destacar que estos pueden ser naturales o artificiales. El más común de los imanes naturales e sun mineral llamado magnetita.

Los imanes pueden ser permanentes o temporales, según el material con el que se fabriquen y según la intensidad de campo magnético al que le sometan.

Imán artificial temporal y permanente
Imán artificial temporal (a) y permanente (b)

Partes de un imán: los polos magnéticos

Cualquier imán presenta dos zonas donde las acciones se manifiestan con mayor fuerza. Estas zonas están situadas en los extremos del imán y son los denominados polos magnéticos: Norte y Sur.

Polos de un imán
Detalle sobre las zonas de acción de mayor fuerza magnética
Efecto repulsión y atracción en un imán Efecto repulsión y atracción en un imán

Una de las propiedades fundamentales de la interacción entre imanes es que los polos iguales se repelen, mientras que los  polos opuestos se atraen.

El efecto de atracción y repulsión tiene que ver con las líneas de campo magnéticas. Las líneas de campo magnéticas exteriores suelen ir del polo Norte al polo Sur. Por lo tanto, cuando se acercan dos polos opuestos, estas líneas tienen a saltar de un polo a otro: tienden a pegarse. Y según sea la distancia entre los dos imanes esta atracción será mayor o menor.

En cambio, cuando se acercan dos polos iguales, estas líneas de campos no tienden a saltar de un polo a otro, si no que se empiezan a comprimir hacia su propio polo. Cuando esta compresión es máxima, las líneas de campo tienden a expandirse, lo que provoca que los polos iguales de dos imanes no puedan acercarse y se repelan.

Efecto de un imán al ser divididoEfecto de un imán al ser dividido en varias partes

Otra característica de los imanes es que los polos no se pueden separar. Si un imán se rompe en dos partes no se obtienen un polo norte y un polo sur sino que se obtienen dos imanes, cada uno de ellos con un polo norte y un polo sur.

Si tenemos un imán supendido por un hilo colocado en su centro de gravedad, observamos que siempre queda orientado hacia una misma dirección. Uno de los polos se orienta hacia el norte y otro hacia el sur, pues los polos del imán se alinean según los polos magnéticos de la Tierra, que actúa como imán natural.

imanes tierra Sentido de los polos magnéticos de la tierra

El campo magnético, flujo magnético e intensidad de campo magnético

El campo magnético es  la agitación que produce un imán a la región que lo envuelve. Es decir, el espacio que envuelve el imán en donde son apreciables sus efectos magnéticos, aunque sea imperceptible para nuestros sentidos.

Para poder representar un campo magnético utilizamos las llamadas líneas de campo. Estas líneas son cerradas: parten (por convenio) del polo Norte al polo Sur, por el exterior del imán. Sin embargo por el interior circulan a la inversa, de polo Sur a polo Norte.

Las líneas de campo no se cruzan, y se van separando, unas de las otras, en alejarse del imán tangencialmente a la dirección del campo en cada punto.

El recorrido de las líneas de fuerza recibe el nombre de circuito magnético, y el número de líneas de fuerza existentes en un circuito magnético se le conoce como flujo magnético.

Estas líneas nos dan una idea de:

  • Dirección que tendrá el campo magnético. Las líneas de campo van desde el polo sur al polo norte en el interior del imán y desde el polo norte hasta el polo sur por el exterior.
  • La intensidad del campo magnético,también conocida como intensidad de campo magnético, es inversamente proporcional al espacio entre las líneas (a menos espacio más intensidad).

En un campo magnético uniforme, la densidad de flujo de campo magnético  que atraviesa una superficie plana y perpendicular a las líneas de fuerza valdrá:

Fórmula del campo magnético

Donde la letra griega phi es el flujo magnético y su unidad es el Weber (Wb).

En el caso de que la superficie atravesada por el flujo magnético no sea perpendicular a la dirección de este tendremos que:

Fórmula del flujo magnético

Donde alfa es el angulo que forma B con el vector perpendicular a la superficie.

Imán con dirección de las lineas de flujo
Detalle de un imán con la dirección de las líneas de campo

Las propiedades magnéticas de la materia

Las líneas de campo magnético atraviesan todas las sustancias. No se conoce ninguna sustancia que impida la penetración del campo magnético, pero no todas las sustancias se comportan de la misma manera.

Según su comportamiento, los materiales se pueden clasificar de la siguiente manera:

Materiales ferromagnéticos

Cuando a un material ferromagnético se le somete a un campo magnético este se magnetiza:  se consigue un imán artificial. Este fenómeno se conoce como imantación. Una vez se aleja el imán del material magnético y según la intensidad de campo magnético aplicada,  este puede quedarse imantado permanentemente o mantener sus propiedades magnéticas durante un periodo determinado de tiempo (imán temporal). 

El ferromagnetismo está presente en el cobalto, el hierro puro, en el níquel y en todas las aleaciones de estos tres materiales.

Materiales paramagnéticos

Los materiales paramagnéticos son aquellas sustancias, como el magnesio, el aluminio, el estaño o el hidrógeno, que al ser colocados dentro de un campo magnético se convierten en imanes y se orientan en la dirección del campo. En cesar el campo magnético desaparece el magnetismo inmediatamente y, por tanto, dejan de actuar como imanes.

Materiales diamagnéticos

Los materiales diamagnéticos son aquellas sustancias, como el cobre, el sodio, el hidrógeno, o el nitrógeno, que en ser colocadas dentro de un campo magnético, se magnetizan en sentido contrario al campo aplicado.

La permeabilidad relativa

El hecho de que los materiales ferromagnéticos, se queden imantados permanentemente, y que tengan la propiedad de atraer y de ser atraídos con más intensidad que los paramagnéticos o diamagnéticos, es debido a su permeabilidad relativa.

Le permeabilidad relativa es el resultado del producto entre la permeabilidad magnética  y la permeabilidad de vacío (constante magnética).

fórmula permeablidad

La permeabilidad del vacío es una constante magnética cuyo valor es: 

Permeabilidad del vacío

Para los materiales ferromagnéticos esta permeabilidad relativa tiene que ser muy superior a 1, para los paramagnéticos es aproximadamente 1, y para los diamagnéticos es inferior a 1. 

Histéresis magnética

El estudio de la histéresis tiene gran importancia en los materiales magnéticos ya que produce pérdidas. Las pérdidas por histéresis representan una pérdida de energía que se manifiesta en forma de calor en los núcleos magnéticos. El calor así generado reduce el rendimiento de los dispositivos con circuitos magnéticos como transformadores, motores y/o generadores.

La histéresis es el fenómeno de inercia por el cual un material ofrece resistencia a un cambio, ya que tiene tendencia a conservar sus  propiedades. Esta resistencia se manifiesta haciendo que el proceso de variación sea distinto en un sentido contrario.

Después de someter a una sustancia ferromagnética a la acción de un campo magnético, cuando este desaparece la sustancia manifiesta todavía un cierto nivel de inducción magnética, que llamamos magnetismo remanente.

La pérdida de potencia es directamente proporcional al área de la curva de histéresis.

Curva de histéresis magnética

La curva de histéresis muestra la curva de magnetización de un material. Sea cual sea el material específico, la forma siempre tiene características similares:

  • Al principio, la magnetización requiere un mayor esfuerzo eléctrico. Este intervalo es la llamada zona reversible.
  • En un determinado punto, la magnetización se produce de forma proporcional. En ese punto se inicia la denominada zona lineal.
  • Finalmente, se llega un instante a partir del cual, por mucha fuerza magnética que induzcamos al material, ya no se magnetiza más. Este es el llamado punto de saturación, que determina el inicio de la llamada zona de saturación.

La curva de histéresis magnética se representa:

  • En horizontal la intensidad de campo magnético H.
  • En vertical representamos la inducción magnética B, que aparece en el material que estamos estudiando como consecuencia del campo magnético creado.

1) En el inicio, punto O, el material no ha sido magnetizado todavía y la inducción magnética es nula.

Curva de histéresis

2) En el tramo O-Hs, se va aumentando progresivamente la intensidad de campo magnético, y en el material aparece una inducción cada vez mayor hasta llegar al su punto de saturación, punto Hs.

3) En el tramo entre Hs y Br, se reduce la intensidad de campo magnético en el material. La inducción también ser reduce pero en una proporción menor que antes.

4) En el punto Br, se ha anulado la intensidad de campo magnético pero el material manifiesta todavía un cierto magnetismo remanente

5) En el tramo Br-Hc, se invierte el sentido de campo magnético ( la corriente circula en sentido contrario, a través del material).

6) En el punto Hc, la inducción(B) es nula, se ha eliminado el magnetismo remanente, para ellos ha sido necesario aplicar una intensidad Hc, llamada campo coercitivo.

7) En el tramo Hc-D, se sigue aplicando una intensidad de campo negativa, con lo que se consigue que la inducción aumente hasta el punto de saturación D.

8) En el tramo D-Hs, se completa el ciclo. La curva no vuelve a pasar por O, a causa de la histéresis.

Las pérdidas que se originan en los materiales ferromagneticos debido a la histéresis son proporcionales al área del ciclo. Una medida de su amplitud la da el valor del campo coercitivo, Hc. 

Por lo tanto para construir aparatos que funcionan con corriente alterna se eligen materiales con un campo coercitivo lo más pequeño posible. En cambio, si se desean fabricar imanes permanentes, se buscan materiales con un campo coercitivo  muy grande.

Preguntas sobre magnetismo

Los materiales paramagnéticos, el aluminio...¿Imanes?

¿Cómo funciona el tren magnético?

Imanes y magnetismo

¿Cómo determinar la polaridad de un imán?