Magnetismo

GENERALIDADES, BOSQUEJO HISTÓRICO, IMPORTANCIA DEL

ELECTROMAGNETISMO, IMANES, CLASIFICACIÓN, DESCRICPIÓN DE UN

IMÁN, CONVECCIÓN PARA NOMBRAR POLOS MAGNÉTICOS, METODOS DE

MAGNETIZACIÓN, GEOMAGNETISMO, ANGULOS DE DECLINACIÓN E

INCLINACIÓN, TEORIAS DEL MAGNETISMO, WEBER, EDWIN (DOMINIOS).

El magnetismo es una rama de la física muy compleja ya que no puede ser explicado únicamente mediante postulados de la mecánica clásica, por lo que aquí trataremos brevemente algunos de los fenómenos más básicos.

El fenómeno del magnetismo era conocido ya por los antiguos griegos desde hace más de 2000 años. Se observaba que ciertos minerales (imanes) podían atraer o repeler pequeños objetos de hierro. De hecho, el nombre de magnetismo proviene de la provincia griega Magnesia, donde se encuentran los yacimientos más importantes de la magnetita (Fe3O4), mineral con acusadas propiedades magnéticas.

Aunque se tenía conocimiento de este fenómeno de forma experimental no fue hasta mediados del siglo XIX cuando se formularon teóricamente todas las interacciones de tipo eléctrico y magnético, resumidas en las ecuaciones de Maxwell.

Nociones previas

Las propiedades magnéticas son más acusadas en los extremos del imán, que se denominan polos magnéticos, polo Norte (N) y polo Sur (S). Del mismo modo que cargas eléctricas del mismo signo se repelen y de distinto se atraen, imanes que se acercan por polos iguales se repelen y si se acercan por polos opuestos se atraen. Es imposible aislar un único polo magnético, de modo que si un imán se parte en dos, en cada trozo vuelve a haber un polo Norte y uno Sur.

De forma análoga al campo eléctrico en magnetismo hablamos en términos de un vector llamado campo magnético B representado por sus líneas de campo de modo que en cada punto del espacio el campo es tangente a dichas líneas.

El hecho de que los polos magnéticos nunca se puedan dar por separado se traduce en que las líneas de campo son siempre cerradas, saliendo del polo Norte y entrando por el polo Sur.

Cuando un trozo de hierro, un imán o un hilo de corriente se colocan en una zona en la que existe un campo se ven sometidos una fuerza que tiende a orientarlos de una forma determinada.

Materiales magnéticos

El comportamiento de los materiales en presencia de un campo magnético sólo puede explicarse a partir de la mecánica cuántica, ya que se basa en una propiedad del electrón conocida como espín. Se clasifican fundamentalmente en los siguientes grupos:

o Ferromagnéticos: constituyen los imanes por excelencia, son materiales que pueden ser magnetizados permanentemente por la aplicación de campo magnético externo. Por encima de una cierta temperatura (temperatura de Curie)se convierten en paramagnéticos. Como ejemplos más importantes podemos citar el hierro, el níquel, el cobalto y aleaciones de éstos.

o Paramagnéticos: cada átomo que los constituye actúa como un pequeño imán pero se encuentran orientados al azar de modo que el efecto magnético se cancela. Cuando se someten a la aplicación de un B adquieren una imanación paralela a él que desaparece al ser retirado el campo externo. Dentro de esta categoría se encuentran el aluminio, el magnesio, titanio, el wolframio o el aire.

o Diamagnéticos: en estos materiales la disposición de los electrones de cada átomo es tal que se produce una anulación global de los efectos magnéticos. Bajo la acción de un campo magnético externo la sustancia adquiere una

imanación débil y en el sentido opuesto al campo aplicado. Son diamagnéticos por ejemplo el bismuto, la plata, el plomo o el agua.

Relación entre campos eléctricos y magnéticos

A continuación se comentan, de forma cualitativa, algunas de los fenómenos que ponen de manifiesto la interacción entre campo eléctricos y campos magnéticos:

Una brújula cambia de orientación cerca de una corriente eléctrica: las brújulas son pequeños imanes sujetos a un soporte de forma que puedan girar libremente. De forma casi fortuita, el científico danés Oersted se percató de que una brújula sufría desviaciones al estar cerca de una corriente eléctrica. Si se disponen varias brújulas en torno a un hilo conductor, se observa que cuando no circula corriente eléctrica, todas ellas apuntan al Norte de la Tierra, debido al efecto del campo magnético terrestre (sección sabías que... de esta página). Si se hace circular una corriente, se orientan formando una circunferencia en torno al hilo.

En ausencia de corriente eléctrica las brújulas apuntan al Norte (a). Cuando circula una corriente por el conductor las brújulas se orientan en torno al conductor(b).

A partir de este hecho se empezó a estudiar la relación existente entre la electricidad y el magnetismo, fenómenos que se consideraban independientes. Se comprueba que, además de los imanes, la corriente eléctrica genera campo magnético y finalmente se concluye que el campo creado por los imanes responde a corrientes eléctricas a nivel microscópico por lo que: .

la corriente eléctrica es la única fuente de campo magnético

En el siguiente enlace podrás ver cuánto vale el campo generado por una corriente eléctrica que circula por un conductor.

Un hilo de corriente sufre una fuerza en presencia de un campo magnético: en este caso la relación entre corriente eléctrica y magnetismo se manifiesta de forma inversa que en el ejemplo anterior: un hilo de corriente, cuando se encuentra en una región del espacio en la que existe un campo magnético, sufre una fuerza perpendicular al hilo. Si se invierte sentido de la corriente se comprueba que la desviación del hilo se produce en sentido contrario.

La fuerza ejercida por el campo magnético que sufre un conductor por el que circula una corriente eléctrica cambia de sentido si se invierte el sentido de la corriente.

Es decir, no sólo los imanes sufren una fuerza en presencia de un campo magnético, también podremos calcular la fuerza de B sobre un hilo de corriente.

Inducción magnética: con el primer ejemplo quedó en evidencia que una corriente eléctrica genera un campo. ¿Sucede el fenómeno inverso?, es decir, ¿un campo magnético genera un campo eléctrico? Se comprueba que si, por ejemplo, se acerca y se aleja un imán cerca de un material conductor se detecta una intensidad de corriente, pero si el imán permanece en reposo desaparece esa corriente. A este proceso se le denomina inducción magnética y se resume diciendo que un campo magnético (exactamente, flujo magnético) variable genera una corriente eléctrica. Este hecho fue enunciado por primera vez por Faraday (Ley de Faraday) y constituye el principio básico del funcionamiento de los generadores eléctricos.

Espectro electromagnético: todas estas interacciones entre campos eléctricos y campos magnéticos fueron resumidas y formuladas matemáticamente por Maxwell en las llamadas ecuaciones de Maxwell; quedan demostradas también la existencia de las ondas electromagnéticas. El primero en generar estas ondas predichas teóricamente por Maxwell fue Hertz, quien las llamó ondas de radio. Estas ondas están formadas por un campo magnético B y uno eléctrico E, perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación, que se transmiten en el vacío a la velocidad c de 3 108 m/s, cumpliéndose en cualquier instante la relación E = c B. El conjunto de estas ondas en todo su rango posible de frecuencias constituye el espectro electromagnético, del cual la luz visible representa un pequeño intervalo (entre 400 y 700 nm de longitud de onda).

Geomagnetismo. El magnetismo es la propiedad natural que tienen algunos cuerpos de atraer el hierro. El globo terráqueo, lo mismo que un imán, engendra un campo magnético. Este fenómeno se denota con el término de geomagnetismo, el cual incluye tanto la imanación propia de la tierra como la ciencia consagrada a su estudio. Se prefiere en la actualidad al antiguo de magnetismo terrestre.

Campo Geomagnético

Si se coloca una aguja de acero imantado sobre un corcho, que se deja flotando en un recipiente lleno de agua, se verá que gira hasta que uno de sus extremos apunta hacia el norte. Es un ejemplo bastante elemental del principio en que se basa la brújula, instrumento usado para determinar la situación. Los dos lugares hacia los que se orientan las puntas de la brújula se llaman polos magnéticos.

Si se suspende una aguja imantada por su centro de gravedad, de modo que pueda moverse libremente alrededor de él, su polo norte apuntará siempre en el

hemisferio boreal hacia el suelo, no de manera pendicular, sino formando respecto a la horizontal cierto ángulo que varía de un lugar a otro y que recibe el nombre de inclinación magnética. En las regiones australes el polo sur es el que se dirige a la tierra. Ello se debe a que el globo terráqueo se porta como un gigantesco imán natural, dotado de fuerza de atracción lo mismo que los de menor tamaño. Se ignora a que obedece esta propiedad.

Polos Magnéticos Terrestres

La Tierra tiene polos magnéticos como todos los imanes. El norte está situado hoy día aproximadamente entra Canadá y Groenlandia, en las cercanías de la isla de Bathurst, a más de un millar de kilómetros de su homónimo geográfico. El sur se encuentra en las inmediaciones de la costa antártica, al mediodía de Tasmania, a unos mil quinientos kilómetros del establecido geográficamente. Conviene recargar que tales son sus posiciones al presente puesto que sufren un lento y continuo desplazamiento. Además, no se hayan emplazados en los antípodas, o sea en lugares diametralmente opuesto respecto al centro de la Tierra. Si fuera posible trazar una línea que los uniera, o eje magnético, no pasaría por aquel.

El campo magnético terrestre sufre perturbaciones regulares e irregulares. Las primeras dependen de la posición diurna y anual del Sol con referencia a la Tierra; las segundas, a la actividad y alteraciones que ocurren en el astro. Durante las anomalías y erupciones solares, la multitud de corpúsculo se adensa hasta multiplicarse por cien y se verifican fenómenos luminosos en las latitudes magnéticas, y solo en ellas, es decir, en los polos norte y sur: las auroras polares una boreal y otra austral, la producción de las cuales ha merecido diversas interpretaciones.

¿Qué es un imán?

Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4) o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales.

En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural.

La región del espacio donde se pone de manifiesto la acción de un imán se llama campo magnético. Este campo se representa mediante líneas de fuerza, que son unas líneas imaginarias, cerradas, que van del polo norte al polo sur, por fuera del imán y en sentido contrario en el interior de éste; se representa con la letra B.

¿Puede un imán perder su potencia?

Para que un imán pierda sus propiedades debe llegar a la llamada "temperatura de Curie" que es diferente para cada composición. Por ejemplo para un imán cerámico es de 450 ºC, para uno de cobalto 800 ºC, etc.

También se produce la desimanación por contacto, cada vez que pegamos algo a un imán perdemos parte de sus propiedades. Los golpes fuertes pueden descolocar las partículas haciendo que el imán pierda su potencia.

¿Cuántos tipos de imanes permanentes hay?

Además de la magnetita o imán natural existen diferentes tipos de imanes fabricados con diferentes aleaciones:

Imanes cerámicos o ferritas. Imanes de alnico. Imanes de tierras raras. Imanes flexibles. Otros.

Imanes cerámicos

Se llaman así por sus propiedades físicas. Su apariencia es lisa y de color gris oscuro, de aspecto parecido a la porcelana. Se les puede dar cualquier forma, por eso es uno de los imanes más usados (altavoces, aros para auriculares, cilindros para pegar en figuras que se adhieren a las neveras, etc.). Son muy frágiles, pueden romperse si se caen o se acercan a otro imán sin el debido cuidado.

Se fabrican a partir de partículas muy finas de material ferromagnético (óxidos de hierro) que se transforman en un conglomerado por medio de tratamientos térmicos a presión elevada, sin sobrepasar la temperatura de fusión.

Otro tipo de imanes cerámicos, conocidos como ferritas, están fabricados con una mezcla de bario y estroncio. Son resistentes a muchas sustancias químicas (disolventes y ácidos) y pueden utilizarse a temperaturas comprendidas entre _40 ºC y 260 ºC

Imanes de alnico

Se llaman así porque en su composición llevan los elementos alumnio, niquel y cobalto. Se fabrican por fusión de un 8 % de aluminio, un 14 % de níquel, un 24 % de cobalto, un 51 % de hierro y un 3 % de cobre. Son los que presentan mejor comportamiento a temperaturas elevadas. Tienen la ventaja de poseer buen precio, aunque no tienen mucha fuerza.

Imanes de tierras raras

Son imanes pequeños, de apariencia metálica, con una fuerza de 6 a 10 veces superior a los materiales magnéticos tradicionales. Los imanes de boro/neodimio están formados por hierro, neodimio y boro; tienen alta resistencia a la desmagnetización. Son lo bastante fuertes como para magnetizar y desmagnetizar algunos imanes de

alnico y flexibles. Se oxidan fácilmente, por eso van recubiertos con un baño de cinc, niquel o un barniz epoxídico y son bastante frágiles.

Los imanes de samario/cobalto no presentan problemas de oxidación pero tienen el inconveniente de ser muy caros. Están siendo sustituidos por los de boro_neodimio.

Es importante manejar estos imanes con cuidado para evitar daños corporales y daño a los imanes (los dedos se pueden pellizcar seriamente).

Imanes flexibles

Se fabrican por aglomeración de partículas magnéticas (hierro y estroncio) en un elastómero (caucho, PVC, etc.).

Su principal característica es la flexibilidad, presentan forma de rollos o planchas con posibilidad de una cara adhesiva. Se utilizan en publicidad, cierres para nevera, llaves codificadas, etc.

Consisten en una serie de bandas estrechas que alternan los polos norte y sur. Justo en la superficie su campo magnético es intenso pero se anula a una distancia muy pequeña, dependiendo de la anchura de las bandas. Se hacen así para eliminar problemas, como por ejemplo que se borre la banda magnética de una tarjeta de crédito (se anulan con el grosor del cuero de una cartera).

Otros imanes

Los imanes de platino/cobalto son muy buenos y se utilizan en relojería, en dispositivos aeroespaciales y en odontología para mejorar la retención de prótesis completas. Son muy caros.

Otras aleaciones utilizadas son cobre/níquel/cobalto y hierro/cobalto/vanadio.

Métodos de magnetización

Existen tres formas fundamentales de magnetizar una cinta:

Magnetización perpendicular Magnetización longitudinal Magnetización transversal

Magnetización perpendicular Magnetización longitudinal

Magnetización transversal

Cabezales magnéticos para grabación en estéreo

Los cabezales magnéticos para la grabación en estéreo consisten en disponer, dentro de una misma cápsula o envoltura, dos o cuatro cabezales magnéticos.

Para reducir la diafonía entre cabezales se insertan entre ellos unas pantallas de mumetal conectadas a masa, utilizándose pantallas externas para evitar la captación de campos magnéticos parásitos.

Cabezal estéreo de 2 canales Cabezal estéreo de 4 canales

Alineación de los cabezales magnéticas

Las alineaciones a tener en cuenta en los cabezales son las siguientes:

Acimut Altura Ángulo Tangencia Contacto

Azimut Altura Ángulo

Tangencia Contacto

Desmagnetización de los cabezales

Los cabezales adquieren una imanación permanente por defecto de campos externos, fugas de los circuitos, sobremodulaciones, etc. Para desmagnetizar el cabezal se utiliza un electroimán con núcleo terminado en punta que tenga la forma adecuada para facilitar su acercamiento a los cabezales.

El proceso consiste en acercar y retirar lentamente el electroimán de los cabezales varias veces, con la platina conectada a la red.

El magnetismo de la Tierra o el campo magnético terrestre

Mediante la observación y el estudio de las ondas sísmicas, se dedujo que

la Tierra tiene un núcleo líquido de alta densidad y que a su vez, dentro de este

núcleo líquido hay un núcleo sólido. La teoría del magnetismo de la Tierra señala

que dicho núcleo actúa como un gigantesco imán gracias al cual, por ejemplo, se

puede explicar cómo funcionan las brújulas.

Según esta teoría, desde el núcleo de la Tierra se extiende un campo

magnético hacia el exterior hasta confluir con las partículas del viento solar, que

como mencionaba, podría simplificarse suponiendo que en el interior de nuestro

planeta existiese un enorme imán. Esta fue una de las primeras teorías del

magnetismo que se plantearon, fue formulada cerca del año 1600 y desde

entonces es aceptada como un hecho que se ha comprobado en innumerables

oportunidades.

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En el siglo XIX se comenzó a investigar el magnetismo seriamente y fue James C.

Maxwell quien completó el estudio del magnetismo, formulando las leyes que

rigen este fenómeno. Hoy en día resulta prácticamente imposible estudiar

el magnetismo y la electricidad de manera separada. El magnetismo es

generado por el movimiento de cargas eléctricas y lateoría de Maxwell logró

unificar numerosos postulados tanto de electricidad como demagnetismo.

Dentro de las ecuaciones de Maxwell está la Ley de Gauss, que fue propuesta

originalmente por Carl Gauss. Esta teoría relaciona los campos magnéticos, sus

fuentes y las cargas eléctricas. Puede ser aplicada sobre campos eléctricos o

magnéticos estáticos y evidencia la inexistencia de un polo magnético único e

independiente. De acuerdo con esta teoría, no existe un polo positivo o uno

negativo aislado.

La teoría de Weber

Otra de las teorías del magnetismo más populares refiere al alineamiento

molecular del material y comúnmente se la conoce como la teoría de Weber.

Dicha teoría señala que todas las sustancias magnéticas están compuestas de

pequeñas moléculas imantadas. Todo material no magnetizado tiene las fuerzas

magnéticas de los imanes moleculares, neutralizados por imanes moleculares

subyacentes, eliminando así cualquier efecto magnético.

Un material magnetizado tendrá la gran mayoría de sus moléculas imantadas

alineadas de forma tal que el polo positivo o norte de cada uno de los puntos de la

molécula están en una dirección y los del polo negativo o sur, en la dirección

opuesta. Así, aquel material con moléculas alineadas tendrá entonces un eficaz

polo positivo y uno negativo igualmente eficaz.