Imanes

Definición de imán Física

A continuación se muestra una barra magnética, con un polo norte y un polo sur en extremos opuestos. Si suspendes una barra magnética en el aire, se orientará con respecto a la dirección cardinal, de donde deriva el nombre de los polos. Una brújula, por ejemplo, no es más que una pequeña barra magnética que apunta siempre en dirección norte y sur.

Fig. 2 - Un imán de barra consta de un polo norte y un polo sur.

Al igual que ocurre con la fuerza entre las cargas eléctricas, los polos opuestos de los imanes se atraen, mientras que los polos semejantes se repelen. La diferencia entre las cargas y los polos magnéticos es que las cargas pueden aislarse. En el caso de una barra magnética, no importa cuántas veces cortes una barra magnética en pedazos, siempre tendrá un polo norte y un polo sur. Decimos que no existe el monopolo magnético.

Funciones de los imanes

Los imanes pueden desempeñar diversas funciones, desde hacer funcionar motores y generadores hasta altavoces y micrófonos, los imanes también ayudan a transformar la energía de una forma a otra. Pero en este artículo no nos ocuparemos del aspecto de la transformación de la energía, sino de las funciones del imán relacionadas con la fuerza. Los imanes tienen varias funciones:

• Un imán puede atraer materiales magnéticos como el cobalto, el níquel, el hierro, ciertos aceros y aleaciones.
• Un imán puede ejercer una fuerza, tanto atractiva como repulsiva, sobre otros imanes en función de los polos.
• Un imán también crea un campo magnético que influye en la trayectoria de las partículas cargadas eléctricamente que se desplazan por el espacio libre, haciendo que actúe una fuerza que las desvía de su trayectoria de movimiento.

Propiedades de los imanes

Hemos hablado de lo que pueden hacer los imanes, pero ¿qué ocurre en el interior del imán que hace que un imán sea, bueno, un imán? ¿Por qué algunos materiales son magnéticos mientras que el resto de materiales no poseen en absoluto esta propiedad?

Configuración de los electrones

Todos los objetos de la naturaleza están formados por átomos, que a su vez pueden dividirse en protones, electrones y neutrones. Para comprender el magnetismo, son los electrones los que deben preocuparnos. Los electrones tienen una propiedad intrínseca llamada "espín". En realidad no giran, pero es una forma útil de pensar en ello. Los electrones que giran en sentido contrario a las agujas del reloj tendrán un vector de momento angular de espín apuntando hacia arriba: podemos llamarlos electrones con espín hacia arriba. En cambio, los electrones que giran en el sentido de las agujas del reloj tienen un vector de momento angular de espín hacia abajo: son electrones de espín hacia abajo. El sentido del espín de estos electrones, en la mayoría de los materiales, es tal que forman orbitales con un electrón de espín arriba y otro de espín abajo, lo que hace que se anulen mutuamente.

Pero las sustancias magnéticas, como el cobalto, el níquel y el hierro, tienen espines de electrones que no se anulan. En este tipo de sustancias, los átomos pueden orientarse de tal manera que todos los espines de los electrones se alineen en la misma dirección, por lo que se denominan ferromagnéticos.

Sin embargo, como sugiere la definición anterior, los materiales ferromagnéticos no son imanes por sí mismos y deben colocarse en un campo magnético para convertirse en uno. Al exponerlos a un fuerte campo magnético externo, los electrones del material alinean su espín, lo que hace que el material se vuelva magnético. Ciertos materiales pueden conservar este estado incluso después de ser retirados del campo, y se conocen como imanes permanentes.

Campos magnéticos

Un campo magnético describe la influencia sobre un material magnético en cada punto del espacio. En un dibujo de un campo magnético, las flechas muestran la dirección de la fuerza que actuaría sobre un polo norte colocado en esa posición. Las líneas de campo pueden representarse igual que dibujamos las líneas de campo eléctrico para mostrar el campo eléctrico alrededor de una carga. A continuación se muestra el campo magnético debido a una barra magnética. Las líneas de campo parecen generarse desde el polo norte y terminar en el polo sur, pero en realidad no tienen una posición inicial ni una posición final: las líneas de campo magnético son bucles cerrados.

Debido a este campo, los imanes y otras sustancias se atraen o repelen. Por tanto, si un objeto magnético, como un clip por ejemplo, se acerca a estas líneas de campo magnético, se sentirá atraído por el imán que genera este campo. El sujetapapeles será atraído por cualquier polo al que se sitúe cerca, ya que se convierte en un imán inducido. Esto se explicará más adelante, cuando hablemos de los distintos tipos de imanes.

Fig. 3 - Los sujetapapeles se convierten en imanes inducidos cuando se colocan cerca de un imán.

Al igual que ocurre con las líneas de campo eléctrico, la densidad de las líneas de campo magnético indica la intensidad del campo. En la figura anterior, puedes ver las líneas de campo magnético muy juntas cerca de los extremos de la barra magnética, lo que indica que la intensidad del campo magnético es mayor aquí.

¿Cómo sabemos que las líneas de campo magnético forman bucles y no cualquier otra forma? Podemos demostrarlo colocando un trozo de papel sobre una barra magnética y esparciendo limaduras de hierro sobre el papel. Cada limadura de hierro se alinea paralela a la dirección del campo magnético en el punto donde cae.

Fig. 4 - Las limaduras de hierro pueden utilizarse para mostrar las líneas del campo magnético de una barra magnética

También se puede utilizar una brújula magnética para encontrar la dirección de las líneas del campo magnético. Dentro de la brújula se aloja un imán diminuto que pivota desde el centro para que pueda girar con facilidad. La flecha roja del imán apunta siempre hacia el polo norte geográfico de la Tierra. Para cartografiar las líneas de campo alrededor de un imán de barra, puedes ir moviendo la brújula alrededor del imán de barra y dibujar una flecha en la dirección de la flecha roja en cada punto.

Traza una línea curva para unir todas las flechas que has dibujado y verás cómo se forman las líneas de campo. Si sigues moviendo la brújula sobre la mesa alrededor de la barra magnética a diferentes distancias de la barra magnética, obtendrás diferentes líneas de campo, como se muestra en la figura siguiente. Al final, marca las líneas de campo magnético dibujadas con una flecha desde el polo norte al polo sur.

Volviendo al primer experimento del principio de este artículo, ¿sabes por qué la brújula se desviaba de su posición original cuando pasaba una corriente continua por el alambre? Porque el hilo conductor de corriente producía un campo magnético a su alrededor. Cómo y por qué un hilo conductor de corriente produce un campo magnético a su alrededor es para otro momento, pero de momento recuerda que todos los imanes producen un campo magnético.

Tipos de imanes en Física

No todos los imanes son imanes de barra en la naturaleza. Otro tipo de imán es el imán de herradura, que se muestra a continuación junto con un diagrama de sus líneas de campo. Compara las líneas de campo magnético con las de un imán de barra: esto demuestra que las líneas de campo dependen de la forma del imán.

Del mismo modo, existe un imán de disco en el que un lado del disco actúa como polo norte, mientras que el otro lado del disco actúa como polo sur. A continuación se muestra un imán de disco junto con sus líneas de campo. Sus líneas de campo son similares a las de una barra magnética.

También hay otros tipos de imanes, como los cilíndricos, los esféricos y los anulares. Sin embargo, todos ellos se diferencian únicamente por su forma. También hay distintos tipos de imanes que se comportan de forma diferente aunque tengan la misma forma. ¿Cómo podemos clasificar los imanes? Los imanes se clasifican en dos categorías principales: imanes permanentes e imanes inducidos.

Imanes permanentes

Los imanes permanentes son aquellos que conservan sus propiedades magnéticas durante mucho tiempo o para siempre. Por tanto, podemos definir los imanes permanentes como

Imanes inducidos

Los imanes inducidos, como su nombre indica, tienen un campo magnético inducido mientras están cerca de un campo magnético externo. En cuanto los imanes inducidos se alejan de un campo magnético, pierden su propio magnetismo. El punto clave a tener en cuenta aquí es que la fuerza entre un imán inducido y un imán permanente siempre será atractiva porque los polos opuestos se inducirán en el imán inducido.

Ejemplos de imanes

Ya hemos hablado de algunos imanes artificiales, como los imanes de barra y los imanes de herradura, ¡pero también hay muchos imanes naturales!

El campo magnético de la Tierra

La Tierra también tiene un campo magnético a su alrededor. Esto se debe a las potentes corrientes eléctricas producidas por el metal líquido que fluye en el núcleo externo. Si suspendes una barra magnética o miras una brújula, ambas se alinean automáticamente en las direcciones norte y sur, siempre que no haya otro imán cerca. Si imaginas una barra magnética extremadamente grande en el centro de la Tierra, sus líneas de campo magnético se parecerían a las de la Tierra.

Una brújula siempre apunta hacia el norte geográfico. La polaridad de este gran imán imaginario enterrado en el interior de la Tierra es tal que el lado norte geográfico corresponderá al polo sur del imán.

Resonancias magnéticas

Los imanes naturales se utilizan a menudo en aplicaciones médicas. Las exploraciones por resonancia magnética (RM) se basan en el efecto de la resonancia magnética nuclear (RMN). Los núcleos de hidrógeno tienen su propia frecuencia natural, y si se aplica a uno de ellos un campo magnético muy fuerte, puede absorber energía de la radiación electromagnética (en la gama de radiofrecuencias) igual a esta frecuencia. La desexcitación controlada de los núcleos de hidrógeno permite localizarlos en función de la radiación que emiten, lo que permite cartografiar el tejido corporal en tres dimensiones de forma no invasiva.

La resonancia magnética puede utilizarse para obtener imágenes del cerebro