Cómo funcionan los imanes

Probablemente sepa que los imanes atraen metales específicos y que tienen polos norte y sur. Los polos opuestos se atraen mientras que los polos iguales se repelen. Los campos magnético y eléctrico están relacionados, 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 esos hechos responde a la pregunta más básica: ¿Qué es exactamente lo que hace que un imán se adhiera a ciertos metales? ¿O por qué no se adhieren a otros metales? ¿Por qué se atraen o se repelen, dependiendo de su posicionamiento? ¿Y qué hace que los imanes de neodimio sean mucho más fuertes que los imanes de cerámica con los que jugábamos de niños?

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Para comprender las respuestas a estas preguntas, es útil tener una definición básica de un imán. Los imanes son objetos que producen campos magnéticos y atraen metales como el hierro, el níquel y el cobalto. Las líneas de fuerza del campo magnético salen del imán desde su polo norte y entran en su polo sur. Los imanes permanentes o duros crean su propio campo magnético todo el tiempo. Los imanes temporales o suaves producen campos magnéticos mientras están en presencia de un campo magnético y por un corto tiempo después de salir del campo. Los electroimanes producen campos magnéticos solo cuando la electricidad viaja a través de sus bobinas de alambre.

Debido a que los electrones y los protones son pequeños imanes, todos los materiales tienen algún tipo de propiedad magnética. En la mayoría de los materiales, sin embargo, la forma en que los electrones giran en direcciones opuestas anula las propiedades magnéticas de un átomo. Los metales son las opciones más comunes para fabricar imanes. Aunque algunos están hechos de metales simples, las combinaciones de metales, llamadas aleaciones, producen imanes de diferentes fuerzas. Por ejemplo:

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Muchos de los dispositivos electrónicos actuales 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. La piedra imán, una forma de magnetita, es el imán natural más fuerte. Puede atraer objetos pequeños, como clips y grapas.

En el siglo XII, la gente había descubierto que podían usar magnetita para magnetizar piezas de hierro, creando una brújula. Frotar piedra imán repetidamente a lo largo de una aguja de hierro en una dirección magnetizó la aguja. Luego 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 debía a que la Tierra se comportaba como un enorme imán con polos norte y sur.

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La aguja de una brújula no es tan fuerte como muchos de los imanes permanentes que se usan hoy en día. Pero el proceso físico que magnetiza las agujas de las brújulas y los trozos de aleación de neodimio es esencialmente el mismo. Se basa en regiones microscópicas conocidas como dominios magnéticos, que forman parte de la estructura física de los materiales ferromagnéticos, como el hierro, el cobalto y el níquel. Cada dominio es esencialmente un pequeño imán autónomo con un polo norte y sur. En un material ferromagnético no magnetizado, el polo norte de cada dominio apunta en una dirección aleatoria. Los dominios magnéticos que están orientados en direcciones opuestas se anulan entre sí, por lo que el material no produce un campo magnético neto.

En los imanes, por otro lado, la mayoría o todos los dominios magnéticos apuntan en la misma dirección. En lugar de cancelarse entre sí, 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 tiene delante.

Esto explica por qué romper un imán por la mitad crea dos imanes más pequeños con polos norte y sur. También explica por qué los polos opuestos se atraen: 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 iguales se repelen entre sí porque sus líneas de fuerza viajan en direcciones opuestas, chocando entre sí en lugar de moverse juntas.

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Para hacer un imán permanente, todo lo que tiene que hacer es alentar los dominios magnéticos en una pieza de metal para que apunten en la misma dirección. Eso es lo que sucede cuando frotas una aguja con un imán: la exposición al campo magnético alienta la alineación de los dominios. Otras formas de alinear dominios magnéticos en una pieza de metal incluyen:

Dos de estos métodos se encuentran entre las teorías científicas sobre cómo se forma la piedra imán en la naturaleza. Algunos científicos especulan que la magnetita se vuelve magnética cuando la golpea un rayo. Otros teorizan que las piezas de magnetita se convirtieron en imanes cuando se formó la Tierra por primera vez. Los dominios se alinearon con el campo magnético de la Tierra mientras el óxido de hierro estaba fundido y flexible.

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El método más común para fabricar imanes en la actualidad consiste en colocar metal en un campo magnético. El campo ejerce un par de torsión sobre el material, fomentando la alineación de los dominios. Hay un ligero retraso, conocido como histéresis, entre la aplicación del campo y el cambio de dominio; los dominios tardan unos minutos en empezar a moverse. Esto es lo que sucede:

La fuerza del imán resultante depende de la cantidad de fuerza utilizada para mover los dominios. Su permanencia, o remanencia, depende de lo difícil que haya sido animar a los dominios a alinearse. Los materiales que son difíciles de magnetizar generalmente retienen su magnetismo por períodos más largos, mientras que los materiales que son fáciles de magnetizar a menudo vuelven a su estado original no magnético.

Puede reducir la fuerza de un imán o desmagnetizarlo por completo exponiéndolo a un campo magnético que está alineado en la dirección opuesta. También puede desmagnetizar un material calentándolo por encima de su punto de Curie, o la temperatura a la que cambian las propiedades magnéticas de un objeto. El calor distorsiona el material y excita las partículas magnéticas, lo que hace que los dominios se desalineen.

Los imanes grandes y potentes tienen numerosos usos industriales, desde escribir datos hasta inducir corriente en los cables. Pero enviar e instalar imanes enormes puede ser difícil y peligroso. Los imanes no solo pueden dañar otros artículos en tránsito, sino que pueden ser difíciles o imposibles de instalar a su llegada. Además, los imanes tienden a acumular una serie de desechos ferromagnéticos, que son difíciles de eliminar e incluso pueden ser peligrosos. Por esta razón, las instalaciones que usan imanes muy grandes a menudo tienen equipos en el lugar que les permiten convertir materiales ferromagnéticos en imanes. A menudo, el dispositivo es esencialmente un electroimán.

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Si ha leído Cómo funcionan los electroimanes, sabe que una corriente eléctrica que se mueve 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 viaja a través de un cable, sino del movimiento de los electrones.

Mucha gente imagina a los electrones como partículas diminutas que orbitan alrededor del núcleo de un átomo de la misma manera que los planetas orbitan alrededor del sol. Como lo explican actualmente los físicos cuánticos, el movimiento de los electrones es un poco más complicado que eso. Esencialmente, los electrones llenan los orbitales en forma de capa de un átomo, donde se comportan como partículas y ondas. Los electrones tienen una carga y una masa, así como un movimiento que los físicos describen como giro hacia arriba o hacia abajo.

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Generalmente, los electrones llenan los orbitales del átomo en pares. Si uno de los electrones de un par gira hacia arriba, el otro gira hacia abajo. Es imposible que los dos electrones de un par giren en la misma dirección. Esto es parte de un principio mecánico-cuántico conocido como el Principio de Exclusión de Pauli.

Aunque los electrones de un átomo no se mueven muy lejos, su movimiento es suficiente para crear un pequeño campo magnético. Dado que los electrones apareados giran en direcciones opuestas, sus campos magnéticos se anulan entre sí. Los átomos de elementos ferromagnéticos, por otro lado, tienen varios electrones desapareados que tienen el mismo espín. El hierro, por ejemplo, tiene cuatro electrones desapareados con el mismo espín. Debido a que no tienen campos opuestos para cancelar sus efectos, estos electrones tienen un momento magnético orbital. El momento magnético es un vector, tiene una magnitud y una dirección. Está relacionado tanto con la fuerza del campo magnético como con el par que ejerce el campo. Los momentos magnéticos de todo un imán provienen de los momentos de todos sus átomos.

En metales como el hierro, el momento magnético orbital anima 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. A medida que se enfrían desde un estado fundido, grupos de átomos con espín orbital paralelo se alinean dentro de 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 materiales que atraen los imanes. Esto se debe a que los imanes atraen materiales que tienen electrones desapareados 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 diamagnéticos: sus átomos desapareados crean un campo que repele débilmente un imán. Algunos materiales no reaccionan con los imanes en absoluto.

Esta explicación y su física cuántica subyacente son bastante complicadas y, sin ellas, la idea de la atracción magnética puede resultar desconcertante. Así que no sorprende que la gente haya visto los materiales magnéticos con recelo durante gran parte de la historia.

Puede medir campos magnéticos usando instrumentos como medidores de gauss, y puede describirlos y explicarlos usando numerosas ecuaciones. Estos son algunos de los conceptos básicos:

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Cada vez que usas una computadora, estás usando imanes. Si su casa tiene un timbre, probablemente use un electroimán para hacer funcionar un generador de ruido. Los imanes también son componentes vitales en televisores CRT, altavoces, micrófonos, generadores, transformadores, motores eléctricos, alarmas antirrobo, cintas de cassette, brújulas y velocímetros de automóviles.

Además de sus usos prácticos, los imanes tienen numerosas propiedades sorprendentes. Pueden inducir corriente en el cable y suministrar par para motores eléctricos. Los trenes Maglev usan propulsión magnética para viajar a altas velocidades, y los fluidos magnéticos ayudan a llenar los motores de los cohetes con combustible.

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El campo magnético de la Tierra, conocido como magnetosfera, la protege del viento solar. Según la revista Wired, algunas personas incluso implantan pequeños imanes de neodimio en sus dedos, lo que les permite detectar campos electromagnéticos.

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 usan campos electromagnéticos pulsados ​​para tratar huesos rotos que no se han curado correctamente. Este método, aprobado por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos en la década de 1980, puede reparar huesos que no han respondido a otro tratamiento. Pulsos similares de energía electromagnética pueden ayudar a prevenir la pérdida ósea y muscular en los astronautas que se encuentran en entornos de microgravedad durante períodos prolongados.

Los imanes también pueden proteger la salud de los animales. Las vacas son susceptibles a una condición llamada reticulopericarditis traumática o enfermedad de hardware, que proviene de tragar objetos metálicos. Los objetos tragados pueden perforar el estómago de una vaca y dañar su diafragma o corazón. Los imanes son fundamentales para prevenir esta condición.

Una práctica consiste en pasar un imán sobre la comida de las vacas para quitar objetos metálicos. Otra es alimentar a las vacas con imanes. Los imanes de alnico largos y angostos, conocidos como imanes de vaca, pueden atraer piezas de metal y ayudar a evitar que dañen el estómago de la vaca.

Las personas, por otro lado, nunca deben comer imanes, ya que pueden pegarse entre sí a través de las paredes intestinales de una persona, bloqueando el flujo sanguíneo y matando el tejido. En los seres humanos, los imanes tragados a menudo requieren cirugía para extraerlos.

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, las almohadillas para colchones y las almohadas pueden curar o aliviar todo, desde la artritis hasta el cáncer. Algunos defensores también sugieren que consumir agua potable magnetizada puede tratar o prevenir diversas dolencias.

Los defensores ofrecen varias explicaciones de cómo funciona esto. Una es que el imán atrae el hierro que se encuentra en la hemoglobina en la sangre, mejorando la circulación en un área específica. Otra es que el campo magnético cambia de alguna manera la estructura de las células cercanas.

Sin embargo, los estudios científicos no han confirmado que el uso de imanes estáticos tenga algún efecto sobre el dolor o la enfermedad. Los ensayos clínicos sugieren que los beneficios positivos atribuidos a los imanes en realidad pueden provenir del paso del tiempo, la amortiguación adicional en las plantillas magnéticas o el efecto placebo. Además, el agua potable normalmente no contiene elementos que puedan magnetizarse, lo que hace que la idea del agua potable magnética sea cuestionable.

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Publicado originalmente: 2 de abril de 2007