Teoría moderna del magnetismo

Marcos Benyamin Arias Flores
Luis Eber García Pantoja
El
MAGNETISMO
Índice
ÍNDICE
PRÓLOGO
PRESENTACIÓN
MAGNETISMO
CAMPO MAGNÉTICO
TEORIA MODERNA DEL
MAGNETISMO
IMANES
· NATURALES
· ARTIFICIALES
PROPIEDADES
MAGNETICAS
ELECTROIMAN
EL MAGNETISMO EN
LA ACTUALIDAD
CUESTIONARIO
BIBLIOGRAFIA
©2012
5 A-Contabilidad. Colegio de Estudios Científicos y
Tecnológicos del Estado de Baja California.
Rosarito Bicentenario.
Esta obra se imprimió en Diciembre de 2012
PRÓLOGO
AL LECTOR:
Esta publicación analiza el magnetismo y otros temas que se relacionan con él.
El magnetismo ha ayudado a la humanidad a poder adaptarse más fácilmente a
los cambios tecnológicos y le ha permitido describir y analizar fenómenos que
antes se consideraban inexplicables.
Gracias a algunos científicos que se interesaron por explicar los fenómeno que
sucedían a su alrededor, analizaron y llegaron a sus propias conclusiones. Estas
quedaron plasmadas en la historia y han servido como base para otros
experimentos y creaciones.
También se lograron conclusiones en cuanto al campo magnético, los imanes
artificiales y naturales, el electroimán etc. Además se logro establecer una nueva
teoría en cuanto al magnetismo y sus propiedades.
Gracias a todos estos avances se ha logrado diversos adelantos en los campos de
la comunicación y la ciencia.
Atentamente
La redacción
PRESENTACIÓN
Gracias por tener en tus manos esta publicación. Al decidir analizarla, has
tomado la decisión de profundizar en uno de los temas de la física más
importantes: el magnetismo. Este es uno de los adelantos más importantes en la
historia de la ciencia, pues ha dado paso a que la tecnología se desarrolle a su
máximo potencial.
Esta publicación toma como base el tema del magnetismo para analizar
cuestiones de gran importancia a nivel mundial, pues ha permitido la creación de
artefactos que han facilitado la vida de millones de personas.
Esta publicación no solo analiza el significado del magnetismo, sino también las
ramificaciones de este y los ámbitos en los que se utiliza.
Abordamos otros temas de relevancia como:
·
Tipos de magnetismo
·
Campo magnético
·
Historia del campo magnético
·
Teoría moderna del magnetismo
·
Imanes naturales
·
Imanes artificiales
·
Propiedades magnéticas
·
Electroimán
·
Etc.
Esperamos que, al analizar completamente esta publicación, logres reforzar los
conocimientos ya adquiridos y puedas sacar el mayor provecho posible. Recuerda
que todo en la vida es aprender y analizar, lo cual nos lleva a la realización de la
persona y a evaluar nuestros conocimientos ya adquiridos.
MAGNETISMO
DEFINICIÓN
El magnetismo es un fenómeno físico por el que dos objetos ejercen fuerzas de
atracción o repulsión sobre otros materiales. El magnetismo es uno de los
aspectos del electromagnetismo. Las fuerzas magnéticas son producidas por el
movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la
estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo.
TIPOS DE MATERIALES MAGNETICOS
A continuación definimos los tipos de materiales magnéticos:
MATERIALES MAGNETICOS
No magnético
Diamagnético
Paramagnético
Ferro magnético
Anti ferro magnético
Ferri magnético
Súper para magnético
Ferritas
CARACTERISTICAS
No afecta el paso de las líneas de
campo magnético.
Material débilmente magnético. Si se
sitúa una barra magnética cerca de él lo
repele.
Presenta un magnetismo significativo.
Atraído con la barra magnética.
Magnético por excelencia o fuertemente
magnético.
No magnético aun bajo la acción de un
campo magnético.
Menor grado magnético que los
materiales ferro magnéticos.
Materiales
ferro
magnéticos
suspendidos en una matriz dieléctrica.
Ferro magnético de baja conductividad
eléctrica.
¿Sabias que?
LOS PRIMEROS FENOMENOS MAGNETICOS FUERON
OBSERVADOS POR LOS ANTIGUOS GRIEGOS.
CARACTERISTICAS GENERALES
Aunque hay una estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo, ambas
fuerzas son totalmente diferentes, ya que para que interactúen debe haber
movimiento en alguna de ellas. Se sabe que el electrón tiene una carga
electroestática que aplica una fuerza hacia el centro del electrón, además que los
electrones tiene un campo magnético a su alrededor debido a su rotación orbital.
HISTORIA DEL MAGNETISMO
Los fenómenos magnéticos fueron conocidos por los antiguos griegos. Se dice
que por primera vez se observaron en la ciudad de Magnesia de Meandro 1 en
Asia Menor, de ahí el término magnetismo. Sabían que ciertas piedras atraían el
hierro y que los trocitos de hierro atraían, a su vez, a otros. Estas se denominaron
imanes naturales.
El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes, hasta que en
1820 Hans Christian Orsted, 2 profesor de la Universidad de Copenhague,
descubrió que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente ejercía una
perturbación magnética a su alrededor, a que llegaba a poder mover una aguja
magnética situada en ese entorno. Ya en 1905, Einstein utilizo estos
conocimientos para comprobar su teoría de la relatividad espacial, en el proceso
mostro que la electricidad y el magnetismo estaban fundamentalmente vinculadas.
Magnesia de Meandro 1
Hans Christian Orsted 2
CAMPO MAGNETICO
DEFINICIÓN
Es un campo de fuerza creado como consecuencia del movimiento de cargas
eléctricas (flujo de la electricidad). También lo podemos definir como el efecto
sobre una región en el espacio en la que una carga eléctrica puntual, que se
desplaza a una velocidad, experimenta los efectos de una fuerza que
perpendicular y proporcional, tanto a la velocidad como al campo.
HISTORIA
Si bien algunos materiales magnéticos han sido conocidos desde la antigüedad,
no fue sino hasta el siglo XIX cuando la relación entre la electricidad y el
magnetismo quedo plasmada, pasando ambos campos de ser diferenciados a
formar el cuerpo de lo que se conoce como electromagnetismo.
¿PARA QUÉ SE UTILIZA?
El nombre de campo magnético se aplica a dos magnitudes:
1. La excitación magnética (campo H), desde el punto de vista histórico.
2. La inducción magnética (campo B), que en la actualidad se considera el
autentico campo magnético.
El campo H se ha considerado tradicionalmente el campo principal o intensidad
del campo magnético, ya que se puede relacionar con unas cargas, masas o polos
magnéticos por medio de una ley similar a la de Coulomb para la electricidad.
Un campo magnético tiene dos fuentes que lo originan:
1. Campo magnético producido por una carga puntual: campo magnético
generado por una única carga en movimiento
2. Campo magnético producido por una distribución de cargas: origina un
campo magnético variante en el tiempo.
La energía es necesaria para generar un campo magnético, para trabajar contra el
campo eléctrico que un campo magnético crea y para cambiar la magnetización de
cualquier material dentro del campo magnético.
También hay campos magnéticos en relatividad, estos son:
1. Campo medido por dos observadores.
2. Campo creado por una carga en movimiento.
TEORIA MODERNA DEL MAGNETISMO
¿QUÉ ESTABLECE?
El magnetismo es el resultado del movimiento de los electrones en los átomos de
las sustancias. Por lo tanto, el magnetismo es una propiedad de la carga en
movimiento y está estrechamente relacionada con el fenómeno eléctrico. De
acuerdo con la teoría clásica, los átomos individuales de una sustancia magnética
son, en efecto, diminutos imanes con polos norte y sur. La polaridad magnética de
los átomos se basa, principalmente, en el espín de los electrones y se debe solo
en parte a sus movimientos orbitales alrededor del núcleo.
BASES
Los campos magnéticos de todas las partículas deben ser causados por cargas en
movimiento y tales modelos nos ayudan a describir los fenómenos. Los átomos en
un material magnético están agrupados en microscópicas regiones magnéticas a
las cuales se aplica el nombramiento de dominios. Estos están polarizados
magnéticamente a lo largo de un eje cristalino. Si el material no está magnetizado,
los dominios se encuentran en direcciones al azar, pero si un gran número de
dominios se encuentran en una misma dirección, el material mostrara fuertes
propiedades magnéticas.
La introducción de un campo magnético provoca la alimentación de sus dominios y
eso da por resultado la magnetización.
APLICACIONES
Hoy en día el magnetismo tiene aplicaciones diversamente variadas. La ciencia
del magnetismo ha jugado un papel fundamental en la tecnología como medio
ideal de almacenamiento de datos en cintas magnéticas, discos magnéticos y
burbujas magnéticas. Además, sus aplicaciones comienzan a desarrollarse en el
campo de la medicina. A continuación te presentamos otros campos en la que se
utiliza:
·
·
·
·
Aleaciones y compuestos cristalinos.
Ferrofluidos.
Metales líquidos.
Etc.
IMANES
NATURALES
DEFINICION
Un imán natural es un mineral con propiedades magnéticas, es decir, se dan en la
naturaleza. Se cree que estos fueron encontrados por primera vez en una
provincia de Asia llamada Magnetia, eran rocas duras y negras. Primero fueron
nombradas “calamita”, luego “magnetita”, finalmente fue cortado a magnet o imán.
CARACTERISTICAS
Un imán natural tiene dos propiedades particulares:
1. Las limaduras de hierro se adhieren a él.
2. Se alinea asimismo con la tierra y apunta su polo norte hacia el norte
geográfico.
Observa el dato
Cualquier sustancia que demuestre estas dos propiedades sin haber sido
artificialmente alteradas es un imán natural. Se establece que están compuestos
por oxido de hierro. La tierra es un imán natural.
LOS IMANES NATURALES SE DAN EN LA NATURALEZA
ARTIFICIALES
DEFINICION
Cuerpo de material ferro magnético al que se ha comunicado la propiedad del
magnetismo, ya sea mediante frotamiento con un imán natural o por la acción de
corrientes eléctricas aplicadas en forma conveniente (electroimanacion).
CARACTERISTICAS
Los imanes artificiales se dividen en dos tipos:
1. Imanes artificiales permanentes: Son las sustancias magnéticas que al
frotarlas con la magnetita, se convierten en imanes y conservan durante
mucho tiempo sus propiedades de atracción. Estos son más conocidos por
la mayoría de las personas. Estos tienden a ser campos magnéticos
relativamente fuertes que no se desvanecen y también pueden ser
magnetizados en sus polos norte y sur con muchas configuraciones.
2. Imanes artificiales temporales: Son aquellos que producen un campo
magnético, solo cuando circula por ellos una corriente eléctrica. Un claro
ejemplo seria el electroimán ya que no puede funcionar sin electricidad.
Observa el dato
LOS IMANES ARTIFICIALES
TEMPORALES NO
FUNCIONAN SIN UNA
FUENTE DE PODER
¿Sabias que?
LOS IMANES ARTIFICIALES SE
DA POR LA FROTACION DE UN
IMAN NATURAL O POR LA
ACCION DE CORRIENTES
ELECTRICAS
Para saber
LOS IMANES ARTIFICIALES
PERMANENETES TIENDEN A
SER CAMPOS RELATIVAMENTE
FUERTES
PROPIEDADES MAGNETICAS
DEFINICION
El comportamiento magnético está determinado por las interacciones entre dipolos
magnéticos. Estos dipolos a su vez están dados por la estructura electrónica del
material. Por lo tanto, al modificar la micooestructura, la composición o el
procesamiento se pueden alterar las propiedades magnéticas.
CARACTERISTICAS
Los materiales tienen momentos magnéticos, que podemos representar como
pequeños vectores de fuerza. Cada uno de esos momentos magnéticos tiene una
dirección y sentido. Si ante la aplicación de un campo magnético todos los
momentos magnéticos se alinean de la misma forma, existe un momento
magnético total resultante con la misma dirección y sentido que el resto. Los
materiales que alinean sus momentos magnéticos ante la presencia de un campo
magnético y los mantienen alineados, es decir, que el material queda magnetizado
se denominan ferro magnéticos.
De acuerdo con sus propiedades magnéticas y cuando los materiales se someten
a un campo magnético, estos se pueden clasificar en:
·
Diamagnéticos:
Estos son débilmente repelidos por las zonas de campo magnético elevado.
Cuando se someten a un campo, los dipolos se orientan produciendo
campos magnéticos negativos, contrarios al campo aplicado. Los valores de
susceptibilidad de estos materiales es pequeña y negativa; y su
permeabilidad próxima a la unidad. Estos son una forma muy débil del
magnetismo, la cual no es permanente y persiste no solamente cuando se
aplica un campo externo.
·
Paramagnéticos:
Estos son débilmente atraídos por las zonas de campo magnético intenso.
Se observa comúnmente en gases. Los momentos dipolares se orientan en
dirección al campo y tiene permeabilidades próximas a la unidad y su
susceptibilidad es pequeña pero positiva. Este efecto desaparece al dejar
de aplicar el campo magnético. Es decir, el paramagnetismo se produce
cuando las moléculas de una sustancia tienen un momento magnético
permanente.
El campo magnético externo crea un momento que tiene a alinear los
dipolos magnéticos en la dirección del campo. La agitación térmica
aumenta con la temperatura y tiende a compensar el alineamiento del
campo magnético. En las sustancias paramagnéticas la susceptibilidad
magnética es muy pequeña comparada con la unidad.
·
Ferro magnéticos:
Se caracterizan por ser siempre metálicos y su intenso magnetismo no es
debido a los dipolos. Este magnetismo puede ser conservado o eliminado.
Los tres principales materiales de este tipo son:
1. Hierro
2. Cobalto
3. Níquel
La causa de este magnetismo son los electrones desapareados en la capa
3D que presentan estos elementos. Los materiales ferro magnéticos
afectan drásticamente las características de los sistemas en los que los
usa. Estos no son lineales, lo que indica que la magnetización tiene una
curva complicada, llamada histéresis. A esto se debe la magnetización,
pues las curvas varían a medida que la temperatura cambia: si la
temperatura aumenta, la magnetización disminuye a la temperatura de
Curie, en la que la materia deja de comportarse como ferro magnético y
pasa a comportarse como paramagnético.
Estos materiales son fuertemente atraídos por las zonas de campo
magnético intenso.
·
Ferri magnéticos:
Se considera la base de la mayoría de los imanes metálicos de utilidad, los
materiales magnéticos cerámicos se basan en un fenómeno ligeramente
diferente. Y la histéresis, su comportamiento es básicamente el mismo.
Pero, la estructura cristalina de la mayoría de los materiales magnéticos
cerámicos comunes implica un emparejamiento anti paralelo de los spines
de los electrones, reduciendo por tanto el movimiento magnético neto que
es posible alcanzar en los metales. Así, este fenómeno se distingue del
ferromagnetismo mediante un nombre ligeramente diferente nombrado ferri
magnetismo.
Para saber
LA HISTERESIS ES LA TENDENCIA DE UN MATERIAL A
CONSERVAR SUS PROPIEDADES
ELECTROIMAN
DEFINICION
Tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una
corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. Este está
formado por un núcleo de hierro dulce, en el que se ha enrolladlo, en forma de
bobina, un hilo conductor recubierto de un material aislante. Este dispositivo se
comporta como un imá n en tanto se hace circular una corriente por la bobina,
terminando el magnetismo al terminar el flujo de corriente.
CARACTERÍSTICAS
Este funciona como tal en la medida que pase corriente por su bobina. Este fue
desarrollado por el ingles William Sturgeon en 1823.
La composición de un electroimán comienza con su núcleo de hierro, al cual se le
ha recubierto con un material aislante; después el hilo va enrollado en el núcleo
para que el electroimán funcione debidamente.
MÉTODOS DE UTILLIZACION
Este se utiliza generalmente en el funcionamiento de los timbres, aunque su uso
es muy variado, como en las que se utiliza un campo magnético variable rápida o
fácilmente. También son componentes esenciales para muchos interruptores,
siendo usados en los frenos y embragues electromagnéticos de los automóviles.
También se utilizan electroimanes muy potentes en grúas para levantar pesados
bloques de hierro y acero: para separar magnéticamente metales en chatarrerías y
centros de reciclaje.
EL ELECTROIMAN SE
PRODUCE MEDIANTE EL
FLUJO DE UNA CORRIENTE
ELECTRICA
EL ELECTROIMAN FUE
DESARROLLADO POR
WILLIAM STURGEON EN
1823
CONCLUSION
“EL MAGNETISMO EN LA ACTUALIDAD”
En los últimos 100 años, han surgido diversas y números aplicaciones del
magnetismo y de los materiales magnéticos. El electroimán, por ejemplo, es la
base del motor eléctrico y del transformado. Y en épocas más recientes, el
desarrollo de nuevos materiales magnéticos ha influido muy notablemente en el
desarrollo y adelanto de los ordenadores y computadoras.
Es posible fabricar memorias de computadoras utilizando dominios de burbuja.
Estos son dominios son pequeñas regiones de magnetización, paralelas o antiparalelas a la magnetización global del material. Según que el sentido sea uno u
otro, la burbuja indica un uno o un cero, por lo que actúa como digito en el sistema
binario empleado por los ordenadores.
Los materiales magnéticos también son componentes importantes de las cintas y
discos para almacenar datos.
Los imanes grandes y potentes son cruciales en muchas tecnologías modernas.
Los trenes de levitación magnética utilizan poderosos imanes para elevarse por
encima de los raíles y evitar el rozamiento. En la exploración mediante la
resonancia magnética nuclear, una importante herramienta de diagnostico
empleada en la medicina, se utilizan campos magnéticos de gran intensidad.
Los imanes superconductores se emplean en los aceleradores de partículas más
potentes para mantener las partículas aceleradas en una trayectoria curva y
enfocarlas.
Como lo hemos analizado a lo largo del desarrollo del tema, tanto el magnetismo,
el campo magnético, los imanes, sus propiedades magnéticas, el electroimán y la
teoría moderna del magnetismo han sido de gran ayuda para el hombre, a fin de
lograr avances únicos en campos que benefician no solo a una comunidad en
particular, sino afectan mundialmente y se reflejan en los más destacados avances
tecnológicos.
Esperamos, a nombre de la redacción, que la explicación proporcionada en esta
publicación reafirme en el lector sus conocimientos y valore aun más la
importancia del magnetismo y sus ramificaciones en el mundo actual.
BIBLIOGRAFIA
1. Microsoft ® Encarta ® 2008. © 1993-2007 Microsoft
Corporation.
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Otros
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El Magnetismo
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FISICA II