Fisica II

Imanes

Magnetismo

Abigail Velázquez Gómez

28/04/2012

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.

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¿Qué es un imán?

Un imán es un material que tiene la capacidad de producir un campo magnético en su exterior, el que es capaz de atraer al hierro, así como también al níquel y al cobalto.

Existen imanes de origen natural y otros fabricados de forma artificial. Generalmente, aquellos que son naturales manifiestan sus propiedades en forma permanente, como es el caso de la magnetita o Fe304. Los imanes artificiales se pueden crear a partir de la mezcla o aleación de diferentes metales. Otra forma de generar el magnetismo es mediante el principio que opera en los electroimanes, cuyo artículo también puedes leer en este sitio.

La característica de atracción que poseen los imanes se hace más potente y evidente hacia sus extremos o polos, los que son denominados norte y sur, ya que tienden a orientarse a los extremos de nuestro planeta, ya que sus polos son imanes naturales gigantes. Así como sucede con los imanes, debido a los polos, en la Tierra, el espacio en el que se manifiesta la acción de los enormes imanes se denomina campo magnético. Éste se representa a través de líneas de fuerza. Las líneas de fuerza son trazos imaginarios de van de polo a polo, de norte a sur por fuera del imán y en sentido contrario por su parte interna.

El magnetismo de los imanes se explica debido a las pequeñas corrientes eléctricas que se encuentran al interior de la materia. Estas corrientes se producen debido al movimiento de los electrones en los átomos, y cada una de ellas da origen a un imán microscópico. Si todos estos imanes se orientan en forma desordenada, entonces el efecto magnético se anula y el material no contará con esta propiedad. Por el contrario, si todos estos pequeños imanes se alinean, entonces actúan como un solo gran imán, entonces la materia resulta ser magnética.

Si se quiere lograr que un imán deje de ser magnético, entonces es necesario someterlo a la denominada “temperatura Curie”, es decir, a la temperatura precisa que cada tipo de imán requiere. Por ejemplo, un imán cerámico deberá ser sometido a una temperatura de 450ºC, mientras que para un imán de cobalto es necesario alcanzar los 800ºC.

Imanes naturales: La magnetita es un potente imán natural, tiene la propiedad de atraer todas las sustancias magnéticas. Su característica de atraer trozos de hierro es natural. Está compuesta por óxido de hierro. Las sustancias magnéticas son aquellas que son atraídas por la magnetita.

Imanes artificiales permanentes: Son las sustancias magnéticas que al frotarlas con la magnetita, se convierten en imanes, y conservan durante mucho tiempo su propiedad de atracción.

Imanes artificiales temporales: Aquellos que producen un campo magnético sólo cuando circula por ellos una corriente eléctrica. Un ejemplo es el electroimán.

PARTES DE UN IMÁN

Eje Magnético: Eje magnético de la barra de la línea que une los dos polos.

Línea neutra: Línea de la superficie de la barra que separa las zonas polarizadas.

Polos: Son los dos extremos del imán donde las fuerzas de atracción son más intensas. Son el polo norte y el polo sur.

INTERACCIÓN ENTRE IMANES

Los polos magnéticos del de diferente nombre se atraen; los del mismo nombre se repelen. Si se rompe un imán, cada uno de los trozos se comporta como nuevo imán, y presenta sus propios polos norte y sur. Cuando se aproxima una aguja imantada o brújula a un imán, el polo sur de la aguja se orienta hacia el polo norte debido a la atracción entre ambos. Es imposible separar los polos de un imán.

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¿De dónde procede el magnetismo?

Desde hace tiempo es conocido que una corriente eléctrica genera un campo magnético a su alrededor. En el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas debidas al movimiento de los electrones que contienen los átomos, cada una de ellas origina un microscópico imán o dipolo. Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el material no presenta propiedades magnéticas; en cambio si todos los imanes se alinean actúan como un único imán y en ese caso decimos que la sustancia se ha magnetizado.

¿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 aluminio, níquel 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;

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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, níquel 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.

CAMPO MAGNÉTICO

Es la región del espacio en la que actúa una fuerza sobre una aguja imantada o sobre un imán. Un imán altera el espacio a su alrededor: pequeñas agujas imantadas o trozos de hierro, son atraídos por el imán, pero no experimenten ningún efecto en ausencia del mismo. Los campos magnéticos se representan mediante líneas de fuerza. El campo es más intenso en las regiones próximas a las líneas de fuerza (los polos).

GALVANÓMETRO

Formado por una bobina situada en un campo magnético. La bobina gira al circular la corriente eléctrica y lleva acoplado un resorte que se opone a su giro. Cuando el giro de la bobina se equilibra con la oposición ejercida por el resorte, la bobina se detiene en un cierto ángulo, que depende de la intensidad de la corriente eléctrica. Sus características son:

La intensidad máxima o valor de la intensidad de la corriente eléctrica.

La resistencia interna.

Tiene dos utilidades:

Amperímetro: utilizado para medir directamente la intensidad de corriente.

Voltímetro: Se le acopla una resistencia en serie.

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EXPERIENCIA DE OERSTED: CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDO POR CORRIENTE ELÉCTRICA

Un conductor rectilíneo está recorrido por una corriente eléctrica. En las proximidades del conductor se sitúa una aguja imantada paralela al conductor. Al pasar la corriente la aguja gira hasta ponerse perpendicular al conductor. Al cesar la corriente, la aguja vuelve a su posición inicial. El paso de la corriente eléctrica ejerce sobre la aguja imantada los mismos efectos de un imán.Las corrientes eléctricas producen campos magnéticos.

Campo magnético producido por un conductor rectilíneo:

Al medir el valor de este campo magnético;

El campo es más intenso cuanto mayor es la intensidad de la corriente eléctrica.

El campo es menos intenso cuanto mayor es la distancia entre el punto y el conductor.

Las líneas del campo producido por el conductor son circunferencias concéntricas al conductor, situadas en planos perpendiculares al mismo.

EXPERIENCIA DE FARADAY

Colocó una espira conductora sin estar conectada a ningún generador eléctrico. Al acercar o alejar un imán, el galvanómetro detecta el paso de corriente por la espira mientras el imán está en movimiento. Si se mantiene fijo el imán y se mueve la espira, aparece una corriente mientras exista movimiento entre imán y espira. La variación de las condiciones magnéticas del circuito induce la aparición de una corriente eléctrica. Se denomina inducción electromagnética.

SOLENOIDE

Conductor formado por espiras en forma de hélice. Al circular una corriente eléctrica, genera un campo magnético muy intenso. Las líneas de fuerza son paralelas al eje. Cuanto mayor sea la intensidad de la corriente, mayor será la intensidad del campo.

ELECTROIMÁN

Es un imán artificial temporal que produce un campo magnético cuando circula por él una corriente eléctrica, y sólo mientras dura el paso de la misma. Está formado por un solenoide en cuyo interior hay un núcleo de hierro dulce. El campo magnético creado se puede hacer más o menos intenso variando el valor de la intensidad de la corriente (se utiliza en timbres, grúas, etc.).

CORRIENTE ALTERNA

La corriente alterna es aquella que cambia de sentido a lo largo del tiempo: fluye periódicamente por el circuito en un sentido y en el contrario. Cuando se hace oscilar un conductor en un campo magnético, el flujo de corriente en el conductor cambia de sentido tantas veces como lo hace el movimiento físico del conductor. Varios sistemas de generación de electricidad se basan en este principio. La característica práctica más importante de la corriente alterna es que su voltaje puede cambiarse mediante un sencillo dispositivo electromagnético denominado transformador. Suele utilizarse como fuente de energía eléctrica tanto en aplicaciones industriales como en el hogar.

CORRIENTE CONTINUA

La corriente continua es una corriente eléctrica de polaridad constante: su sentido no cambia con el tiempo. El flujo de una corriente continua está determinado por tres magnitudes relacionadas entre sí. La primera es la diferencia de potencial en el circuito, que en ocasiones se denomina fuerza electromotriz (f.e.m.), tensión o voltaje. La segunda es la intensidad de corriente. La tercera magnitud es la resistencia del circuito. Los generadores de corriente continua se llaman dinamos.

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DECLINACIÓN MAGNÉTICA

Sabemos que la Tierra se comporta como un imán, por lo que, corno todos hemos estudiado en física, si dejamos girar libremente un objeto imantado, éste se orientará de forma que uno de sus polos apunte al polo norte magnético y el opuesto al polo sur magnético. Pero ocurre que esos polos magnéticos no coinciden con los polos geográficos, polos determinados por el imaginario eje de giro de la Tierra, y donde convergen los meridianos. Los polos geográficos forman con los magnéticos un ángulo que llamamos declinación magnética, y que se suele representar con la letra griega “”. Ocurre además que los polos magnéticos no son fijos, sino que sufren un movimiento continuo, aunque lento y cercano a los geográficos. El valor del ángulo de la declinación magnética es diferente en cada punto de la superficie terrestre, de forma que su valor varía desde los 0º sobre el meridiano que pase en cada momento sobre el Polo Norte Magnético, hasta los 180º en el arco del meridiano que una ambos. En esta zona está en torno a los 4º 42'.

En el dibujo podemos observar cómo el ángulo de declinación (A) del punto A es mucho mayor que el del punto B (B), debido a que están situados en diferentes posiciones. El cálculo de las variaciones de la declinación magnética es imposible, al ser éstas irregulares y debidas a múltiples causas.

LA BRÚJULA

Las actuales brújulas utilizan el sistema sexagesimal para dividir la circunferencia del horizonte. Como ya sabemos, este sistema divide la circunferencia en 360 partes iguales (grados), o sea, cuatro ángulos de 90º. Cada grado está dividido a su vez en 60 minutos, y cada minuto en 60 segundos. Esta división va señalada en las brújulas en un círculo graduado que se llama limbo. Según modelos, el limbo puede ser fijo o móvil. Hay muchos tipos de brújulas, pero la más indicada es una brújula de marcha sobre un soporte rectangular transparente, con un limbo amplio de movimiento independiente al de la aguja.