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Cómo funcionan los imanes

Cómo funcionan los imanes
Satisfacer
  1. Fabricación de imanes: conceptos básicos
  2. Hacer imanes: los detalles
  3. ¿Por qué se pegan los imanes?
  4. mitos magnéticos

Fabricación de imanes: conceptos básicos

Hoy en día, muchos dispositivos electrónicos requieren imanes para funcionar. Esta dependencia de los imanes es relativamente reciente, principalmente porque la mayoría de los dispositivos modernos requieren imanes más fuertes que los que se encuentran en la naturaleza. Magnetita, un tipo de magnetita, es el imán natural más fuerte. Puede atraer objetos pequeños como sujetapapeles y sujetapapeles.

En el siglo XII, las personas descubrieron que podían usar magnetita para magnetizar piezas de hierro, creando así una Brújula. La fricción repetida del imán a lo largo de una aguja de hierro en una dirección magnetizó la aguja. Por lo tanto, se alinearía en dirección norte-sur cuando estuviera suspendido. Finalmente, el científico William Gilbert explicó que esta alineación norte-sur de las agujas magnetizadas se debió al comportamiento de la Tierra como un gran imán con sus polos norte y sur.

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La aguja de una brújula no es tan poderosa como la mayoría de los imanes permanentes que se utilizan en la actualidad. Pero el proceso físico que magnetiza las agujas de la brújula y las piezas de aleación de neodimio es esencialmente el mismo. Se basa en regiones microscópicas llamadas dominios magnéticos, que forman parte de la estructura física de materiales ferromagnéticoscomo hierro, cobalto y níquel. Cada dominio es esencialmente un pequeño imán independiente con un polo norte y un polo sur. En un material ferromagnético no magnetizado, cada uno de los polos norte apunta en una dirección aleatoria. Los dominios magnéticos orientados en direcciones opuestas se cancelan entre sí, por lo que el material no produce un campo magnético nítido.

En un material ferromagnético no magnetizado, los dominios apuntan en direcciones aleatorias.
En un material ferromagnético no magnetizado, los dominios apuntan en direcciones aleatorias.

En los imanes, sin embargo, la mayoría o todos los dominios magnéticos apuntan en la misma dirección. En lugar de cancelar, los campos magnéticos microscópicos se combinan para crear un gran campo magnético. Cuantos más dominios apunten en la misma dirección, más fuerte será el campo general. El campo magnético de cada dominio se extiende desde su polo norte hasta el polo sur del dominio que lo precede.

En un imán, la mayoría o todas las áreas apuntan en la misma dirección.
En un imán, la mayoría o todas las áreas apuntan en la misma dirección.

Esto explica por qué romper un imán por la mitad crea dos imanes más pequeños con polos norte y sur. También explica por qué se atraen los polos opuestos: las líneas de campo salen del polo norte de un imán y entran naturalmente en el polo sur de otro, creando esencialmente un imán más grande. Los polos se repelen porque sus líneas de fuerza se mueven en direcciones opuestas, chocando entre sí en lugar de moverse juntas.

Conectar el polo norte de un imán al polo sur de otro imán crea esencialmente un imán más grande.
Conectar el polo norte de un imán al polo sur de otro imán crea esencialmente un imán más grande.

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Hacer imanes: los detalles

Las limaduras de hierro se alinean a lo largo de los campos magnéticos de cuatro pequeños imanes.  Después de retirar el imán, los chips seguirán teniendo sus propios campos magnéticos débiles.
Las limaduras de hierro se alinean a lo largo de los campos magnéticos de cuatro pequeños imanes. Después de retirar el imán, los chips seguirán teniendo sus propios campos magnéticos débiles.

Para crear un imán, anime los dominios magnéticos de una pieza de metal para que apunten en la misma dirección. Esto es lo que sucede cuando se frota una aguja con un imán: la exposición al campo magnético estimula la alineación de los dominios. Otras formas de alinear dominios magnéticos en una pieza de metal incluyen:

  • Poner un campo magnético fuerte en dirección norte-sur
  • Sosténgalo en dirección norte-sur y golpéelo repetidamente con un martillo, sacudiendo físicamente las áreas en mala alineación.
  • dale una corriente eléctrica

Dos de estos métodos son parte de las teorías científicas de la formación de imanes en la naturaleza. Algunos científicos creen que la magnetita se vuelve magnética cuando es alcanzada por un rayo. Otros teorizan que las piezas de magnetita se convirtieron en imanes cuando se formó la Tierra. Los dominios se alinearon con el campo magnético de la Tierra cuando el óxido de hierro se fusionó y fue flexible.

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El método más común para fabricar imanes en la actualidad es colocar metal en un campo magnético. ejercicios de tierra Pareja en hardware, fomentando la alineación de dominios. Hay un pequeño retraso, llamado histéresis, entre la aplicación del campo y el cambio de dominios, los dominios tardan unos momentos en empezar a moverse. Esto es lo que está sucediendo:

  • Los dominios magnéticos giran, lo que les permite alinearse a lo largo de las líneas norte-sur del campo magnético.
  • Los dominios que ya apuntaban en dirección norte-sur se hacen más grandes a medida que los dominios que los rodean se reducen.
  • paredes de propiedad, o los límites entre dominios vecinos, cambian físicamente para adaptarse al crecimiento del dominio. En un campo muy fuerte, algunas paredes desaparecen por completo.

La fuerza del imán resultante depende de la cantidad de fuerza utilizada para mover los dominios. tu permanencia, o resplandor, depende de lo difícil que sea fomentar la alineación de dominios. Los materiales que son difíciles de magnetizar generalmente retienen su magnetismo durante largos períodos de tiempo, mientras que los materiales que son fáciles de magnetizar suelen volver a su estado original no magnético.

Puede reducir la fuerza de un imán o desmagnetizarlo por completo exponiéndolo a un campo magnético alineado en la dirección opuesta. También puede desmagnetizar un material calentándolo sobre su Punto Curie, o la temperatura a la que pierde su magnetismo. El calor deforma el material y excita las partículas magnéticas, provocando que los dominios se desalineen.

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¿Por qué se pegan los imanes?

Una vista simplificada de un átomo, con un núcleo y electrones en órbita.
Una vista simplificada de un átomo, con un núcleo y electrones en órbita.

Si ha leído Cómo funcionan los electroimanes, sabrá que una corriente eléctrica que fluye a través de un cable crea un campo magnético. Las cargas eléctricas en movimiento también son responsables del campo magnético en los imanes permanentes. Pero el campo de un imán no proviene de una gran corriente que fluye a través de un cable: proviene del movimiento de electrones.

Mucha gente piensa en los electrones como partículas diminutas que orbitan un átomo. centro la forma en que los planetas orbitan alrededor del sol. Como explican actualmente los físicos cuánticos, o el movimiento de los electrones es un poco más complicado que eso. Básicamente, los electrones llenan la capa de un átomo. orbitales, donde se comportan como partículas y como ondas. Los electrones tienen un para cargar es un Pasta, así como un movimiento que los físicos describen como turno Arriba o abajo. Puede leer más sobre los electrones en Cómo funcionan los átomos.

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Los electrones suelen llenar los orbitales del átomo en parejas. Si uno de los electrones de un par gira hacia arriba, el otro gira hacia abajo. Es imposible que dos electrones de un par giren en la misma dirección. Esto es parte de un principio mecánico cuántico conocido como Principio de exclusión de Pauli.

Aunque los electrones de un átomo no viajan muy lejos, su movimiento es suficiente para crear un pequeño campo magnético. Cuando los electrones emparejados giran en direcciones opuestas, sus campos magnéticos se cancelan entre sí. Los átomos de los elementos ferromagnéticos, por otro lado, tienen varios electrones desapareados con el mismo espín. El hierro, por ejemplo, tiene cuatro electrones desapareados con el mismo giro. Dado que no tienen campos opuestos para cancelar sus efectos, estos electrones tienen una momento magnético orbital. El momento magnético es un vector – tiene una grandeza y una dirección. Está relacionado con la fuerza del campo magnético y el par ejercido por el campo. Los momentos magnéticos de un imán completo provienen de los momentos de todos sus átomos.

Un átomo de hierro y sus cuatro electrones desapareados.
Un átomo de hierro y sus cuatro electrones desapareados.

En metales como el hierro, el impulso magnético orbital alienta a los átomos cercanos a alinearse a lo largo de las mismas líneas de campo norte-sur. El hierro y otros materiales ferromagnéticos son cristalinos. Después de enfriarse desde un estado fundido, grupos de átomos con orbitales de espín paralelo se alinean en la estructura cristalina. Esto forma los dominios magnéticos discutidos en la sección anterior.

Es posible que haya notado que los materiales que hacen buenos imanes son los mismos que los materiales que atraen los imanes. Esto se debe a que los imanes atraen materiales que tienen electrones no apareados que giran en la misma dirección. En otras palabras, la cualidad que convierte un metal en un imán también atrae el metal hacia los imanes. Muchos otros elementos son diamagnético – sus átomos no apareados crean un campo que repele débilmente un imán. Algunos materiales no reaccionan en absoluto con los imanes.

Esta explicación y su física cuántica subyacente son bastante complicadas y, sin ellas, la idea de atracción magnética puede resultar confusa. Por lo tanto, no es de extrañar que la gente haya visto los materiales magnéticos con sospecha durante gran parte de la historia.

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mitos magnéticos

Tren Transrapid en las instalaciones de prueba en Emsland, Alemania
Tren Transrapid en las instalaciones de prueba en Emsland, Alemania

Imagen utilizada bajo la licencia de documentación libre GNU

Cada vez que usa una computadora, usa imanes. Un disco duro se basa en imanes para almacenar datos y algunos monitores usan imanes para crear imágenes de pantalla. Si su casa tiene timbre, probablemente use un electroimán para tocar el timbre. Los imanes también son componentes esenciales de televisores CRT, parlantes, micrófonos, generadores, transformadores, motores eléctricos, alarmas, cintas, brújulas y velocímetros de automóviles.

Además de sus usos prácticos, los imanes tienen muchas propiedades sorprendentes. Pueden inducir corriente en el cable y proporcionar par para motores eléctricos. Un campo magnético lo suficientemente fuerte puede hacer que leviten objetos pequeños o incluso animales pequeños. Los trenes de levitación magnética utilizan propulsión magnética para viajar a altas velocidades, y los fluidos magnéticos ayudan a llenar de combustible los motores de los cohetes. El campo magnético de la Tierra, conocido como magnetosfera, te protege de viento solar. Según la revista Wired, algunas personas incluso implantan pequeños imanes de neodimio en sus dedos, lo que les permite detectar campos electromagnéticos. [Source: Wired].

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Las máquinas de imágenes por resonancia magnética (IRM) utilizan campos magnéticos para permitir que los médicos examinen los órganos internos de los pacientes. Los médicos también utilizan campos electromagnéticos pulsados ​​para curar huesos rotos que no se han curado correctamente. Este método, aprobado por la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. En la década de 1970, puede reparar huesos que no han respondido a otros tratamientos. Pulsos similares de energía electromagnética pueden ayudar a prevenir la pérdida ósea y muscular en los astronautas que se encuentran en entornos de gravedad cero durante períodos prolongados.

Los imanes también pueden proteger la salud de los animales. Las vacas son susceptibles a una enfermedad llamada reticulopericarditis traumática, o enfermedad del hardware, que resulta de la ingestión de objetos metálicos. Los objetos ingeridos pueden perforar el estómago de una vaca y dañar su diafragma o corazón. Los imanes son fundamentales para prevenir esta afección. Una práctica consiste en pasar un imán sobre el alimento de la vaca para quitar los objetos metálicos. Otro es alimentar a las vacas con imanes. Imanes de alnico largos y estrechos, llamados imanes de vaca, puede atraer piezas de metal y evitar que lastimen el estómago de la vaca. Los imanes ingeridos ayudan a proteger a las vacas, pero siempre es una buena idea mantener las áreas de alimentación libres de desechos metálicos. Las personas, por otro lado, nunca deben comer imanes porque pueden adherirse a las paredes intestinales de una persona, bloqueando el flujo sanguíneo y matando el tejido. En los seres humanos, los imanes ingeridos a menudo requieren cirugía para ser extraídos.

Imanes para vacas
Imanes para vacas

Foto cortesía de Amazon

Algunas personas abogan por el uso de la magnetoterapia para tratar una amplia variedad de enfermedades y afecciones. Según los médicos, las plantillas magnéticas, las pulseras, los collares, los colchones y las almohadas pueden curar o aliviar todo, desde la artritis hasta el cáncer. Algunos defensores también sugieren que beber agua potable magnetizada puede tratar o prevenir diversas enfermedades. Los estadounidenses gastan alrededor de $ 500 millones al año en tratamientos magnéticos y las personas de todo el mundo gastan alrededor de $ 5 mil millones. [Source: Winemiller via NCCAM].

Los proponentes ofrecen varias explicaciones sobre cómo funciona. La primera es que el imán atrae el hierro presente en la hemoglobina de la sangre, mejorando la circulación en un área específica. Otra es que el campo magnético de alguna manera altera la estructura de las células vecinas. Sin embargo, los estudios científicos no han confirmado que el uso de imanes estáticos tenga un efecto sobre el dolor o la enfermedad. Los estudios clínicos sugieren que los beneficios positivos atribuidos a los imanes en realidad pueden provenir del paso del tiempo, la amortiguación adicional de las plantillas magnéticas o el efecto placebo. Además, el agua potable generalmente no contiene elementos que puedan magnetizarse, lo que hace que la idea del agua potable sea magnética. cuestionable.

Algunos proponentes también sugieren el uso de imanes para reducir el agua dura en los hogares. Según los fabricantes del producto, los imanes grandes pueden reducir el nivel de suciedad en el agua dura al eliminar los minerales ferromagnéticos del agua dura. Sin embargo, los minerales que generalmente provocan la dureza del agua no son ferromagnéticos. Un estudio de dos años realizado por Consumer Reports también sugiere que tratar el agua entrante con imanes no cambia la cantidad de cal en un calentador de agua doméstico.

Si bien es poco probable que los imanes acaben con el dolor crónico o eliminen el cáncer, siguen siendo fascinantes de estudiar.

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Publicado originalmente: 2 de abril de 2007

Preguntas frecuentes sobre imanes

¿Por qué es importante el campo magnético de la Tierra?
Sin el campo magnético de la Tierra, la vida en el planeta eventualmente desaparecería. Esto se debe a que estaríamos expuestos a grandes cantidades de radiación solar y nuestra atmósfera se dispersaría en el espacio.
¿Son los humanos electromagnéticos?
Los humanos pueden generar sus propios campos electromagnéticos. Esto se puede explicar por la presencia de pequeñas corrientes eléctricas que fluyen por el cuerpo (generadas por reacciones químicas). De hecho, podría inducir corrientes que fluyan a través de su cuerpo con un campo magnético cercano.
¿Los imanes son dañinos para el cuerpo?
Si el campo magnético de un imán es dañino para el cuerpo humano depende de su fuerza. Los científicos están de acuerdo en que los imanes por debajo de los 3000 Gauss son inofensivos, pero cualquier cosa por encima de ese número es potencialmente peligroso.
¿Pueden los imanes dañar mi Macbook?
Los imanes pueden dañar una MacBook. Esto se debe a que los datos del disco duro de su computadora se pueden borrar debido a la magnetización de un imán cercano. Si esto sucede, sus datos podrían dañarse y deberán restaurarse desde una copia de seguridad.
¿Qué es la inductancia magnética?
La inductancia magnética se define como una propiedad que permite que cualquier material (como el hierro) adquiera temporalmente propiedades magnéticas cuando se coloca junto a otro imán. Este fenómeno fue observado por primera vez por Michael Faraday en 1831.

limaduras magnéticas y de hierro

Las limaduras de hierro muestran maravillosamente los campos opuestos de los mismos polos de dos barras magnéticas. Spencer Grant / Elección del fotógrafo RF / Getty Images

Todo empezó cuando fuimos a comprar un imán para una demostración de chaleco antibalas. Queríamos mostrar que un campo magnético puede hacer que ciertos líquidos se comporten como sólidos. Además de las placas de Petri y las limaduras de hierro que necesitábamos, el catálogo de Steve Spangler Science presentaba un imán de neodimio que describió como “superfuerte”. Organizamos nuestros suministros con la esperanza de que el imán fuera lo suficientemente fuerte como para crear un efecto que pudiéramos capturar en la película.

El imán no solo convirtió nuestro líquido de hierro y petróleo en un sólido; a veces, al tirar del líquido, rompió la placa de Petri que lo contenía. Una vez, el imán voló inesperadamente de la mano de un camarógrafo a un plato lleno de limaduras secas, que requirió un ingenio considerable para quitarlo. También se adhirió con tanta fuerza al fondo de una mesa de metal que tuvimos que usar unos alicates de bloqueo para recuperarlo. Cuando decidimos que sería más seguro mantener el imán en el bolsillo entre tomas, la gente se encontró momentáneamente pegada a la mesa, una escalera y la puerta del estudio.

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Alrededor de la mesa, el imán se convirtió en objeto de curiosidad y objeto de experimentación improvisada. Su fuerza sobrenatural y su tendencia a saltar repentina y ruidosamente de los agarres imprudentes a la superficie de metal más cercana nos hicieron preguntarnos. Todos conocíamos los conceptos básicos sobre los imanes y el magnetismo: los imanes atraen metales específicos y tienen norte y sur. escuela politécnica. Los polos opuestos se atraen, mientras que los polos iguales se repelen. Los campos magnético y eléctrico están interrelacionados, y el magnetismo, junto con la gravedad y las fuerzas atómicas fuertes y débiles, es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo.

Pero ninguno de estos hechos condujo a una respuesta a nuestra pregunta fundamental. ¿Qué hace exactamente que un imán se adhiera a ciertos metales? Por extensión, ¿por qué no se adhieren a otros metales? ¿Por qué se atraen o se repelen dependiendo de su posición? ¿Y qué hace que los imanes de neodimio sean mucho más fuertes que los imanes de cerámica con los que jugábamos de niños?

Las limaduras de hierro (derecha) se alinean a lo largo de las líneas del campo magnético de un imán de neodimio cilíndrico.
Las limaduras de hierro (derecha) se alinean a lo largo de las líneas del campo magnético de un imán de neodimio cilíndrico.

Para comprender las respuestas a estas preguntas, es útil tener una definición básica de imán. Los imanes son objetos que producen campos magnéticos y atraer metales como hierro, níquel y cobalto. el campo magnético líneas eléctricas retire el imán de su polo norte y entre en su polo sur. Permanente o difícil los imanes crean continuamente su propio campo magnético. Temporal o suave, tierno los imanes producen campos magnéticos en presencia de un campo magnético y durante un tiempo breve después de abandonar el campo. Electroimanes producen campos magnéticos solo cuando la electricidad pasa a través de sus bobinas de alambre.

Las limaduras de hierro (derecha) se alinean a lo largo de las líneas del campo magnético de un imán de neodimio cúbico.
Las limaduras de hierro (derecha) se alinean a lo largo de las líneas del campo magnético de un imán de neodimio cúbico.

Hasta hace poco, todos los imanes se hacían con metal elementos o ligas. Estos materiales produjeron imanes de diversas fuerzas. Por ejemplo:

  • Imanes de ceramica, como los que se utilizan en los imanes de los refrigeradores y en los experimentos científicos de las escuelas primarias, contienen óxido de hierro en un compuesto cerámico. La mayoría de los imanes de cerámica, a veces llamados férrico imanes, no son particularmente fuertes.
  • Imanes de álnico están hechos de aluminio, níquel y cobalto. Son más potentes que los imanes de cerámica, pero no tan fuertes como los que incorporan una clase de elementos llamados metales de tierras raras.
  • Imanes de neodimio contienen hierro, boro y el elemento de tierras raras neodimio.
  • samario cobalto los imanes combinan el cobalto con el samario, un elemento de tierras raras. En los últimos años, los científicos también han descubierto polímeros magnéticoso imanes de plástico. Algunos de ellos son flexibles y moldeables. Sin embargo, algunos solo trabajan a temperaturas extremadamente bajas y otros solo cosechan materiales muy ligeros como limaduras de hierro.

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