principios_mecanicos_y_electricos

ALUMNO: ALEJANDRO GIL CHAVES
CURSO: 2ºBAC.TECNOLÓGICO
ASIGNATURA: TECN.INDUSTRIAL
PROFESOR: ANTONIO BUENO
CONCEPTO DE MÁQUINA
Dispositivo utilizado en ingeniería para cambiar la magnitud y
dirección de aplicación de una fuerza. Las cuatro máquinas simples son la
palanca, la polea, el torno y el plano inclinado, que consiste en una rampa. El
tornillo y la cuña se consideran a veces máquinas simples, pero en realidad
son adaptaciones del plano inclinado.
Un motor es una máquina que convierte energía en movimiento o
trabajo mecánico. La energía se suministra en forma de combustible
químico, como gasóleo o gasolina, vapor de agua o electricidad, y el trabajo
mecánico que proporciona suele ser el movimiento rotatorio de un árbol o
eje. Los motores se clasifican según el tipo de energía que utilizan, como
motores de aire comprimido o de gasolina; según el tipo de movimiento de
sus piezas principales, como alternativos o rotatorios; según dónde tiene
lugar la transformación de energía química a calor se llaman de combustión
interna o externa; según el método utilizado para enfriar el motor se
clasifican en refrigerados por agua o por aire; según la posición de sus
cilindros, alineados o en V; según las fases por las que pasa el pistón para
completar un ciclo, como de dos tiempos o de cuatro, y según el tipo de
ciclo, como tipo Otto (el de los motores de gasolina) o diesel. Ciertos
motores transforman energía eléctrica en energía mecánica. Otros
motores especializados son el molino, la turbina de combustión, la turbina
de vapor y los utilizados en los cohetes y aviones a reacción.
La utilidad de una máquina simple radica en que permite ejercer una
fuerza mayor que la que una persona podría aplicar sólo con sus músculos
(en el caso de la palanca, el torno y el plano inclinado), o aplicarla de forma
más eficaz (en el caso de la polea). El aumento de la fuerza suele hacerse
a expensas de la velocidad. La relación entre la fuerza aplicada y la
resistencia ofrecida por la carga contra la que actúa la fuerza se denomina
ventaja teórica de la máquina. Debido a que todas las máquinas deben
superar algún tipo de rozamiento cuando realizan su trabajo, la ventaja
real de la máquina siempre es menor que la ventaja teórica. La eficacia de
funcionamiento de una máquina se obtiene del cociente entre la energía
generada (la salida) y la cantidad de energía empleada (la entrada). La
eficacia, que se expresa en tanto por ciento, siempre inferior al 100 por
ciento.
Combinando máquinas simples se construyen máquinas complejas.
Con estas máquinas complejas, a su vez, se construye todo tipo de
máquinas utilizadas en metalistería, carpintería y otras áreas de la
ingeniería.
Estas máquinas son las llamadas máquina herramienta o máquina
estacionaria y motorizada que se utiliza para dar forma o modelar
materiales sólidos, especialmente metales. El modelado se consigue
eliminando parte del material de la pieza o estampándola con una forma
determinada. Son la base de la industria moderna y se utilizan directa o
indirectamente para fabricar piezas de máquinas y herramientas.
Estas máquinas pueden clasificarse en tres categorías: máquinas
desbastadoras convencionales, prensas y máquinas herramientas
especiales. Las máquinas desbastadoras convencionales dan forma a la
pieza cortando la parte no deseada del material y produciendo virutas. Las
prensas utilizan diversos métodos de modelado, como cizallamiento,
prensado o estirado. Las máquinas herramientas especiales utilizan la
energía luminosa, eléctrica, química o sonora, gases a altas temperaturas y
haces de partículas de alta energía para dar forma a materiales especiales
y aleaciones utilizadas en la tecnología moderna.
Entre las máquinas herramientas básicas se encuentran el torno, las
perfiladoras, las cepilladoras y las fresadoras. Hay además máquinas
taladradoras y perforadoras, pulidoras, sierras y diferentes tipos de
máquinas para la deformación del metal.
Torno
El torno, la máquina giratoria más común y más antigua, sujeta una
pieza de metal o de madera y la hace girar mientras un útil de corte da
forma al objeto. El útil puede moverse paralela o perpendicularmente a la
dirección de giro, para obtener piezas con partes cilíndricas o cónicas, o
para cortar acanaladuras. Empleando útiles especiales un torno puede
utilizarse también para obtener superficies lisas, como las producidas por
una fresadora, o para taladrar orificios en la pieza.
Perfiladora
La perfiladora se utiliza para obtener superficies lisas. El útil se
desliza sobre una pieza fija y efectúa un primer recorrido para cortar
salientes, volviendo a la posición original para realizar el mismo recorrido
tras un breve desplazamiento lateral. Esta máquina utiliza un útil de una
sola punta y es lenta, porque depende de los recorridos que se efectúen
hacia adelante y hacia atrás. Por esta razón no se suele utilizar en las
líneas de producción, pero sí en fábricas de herramientas y troqueles o en
talleres que fabrican series pequeñas y que requieren mayor flexibilidad.
Cepilladora
Esta es la mayor de las máquinas herramientas de vaivén. Al
contrario que en las perfiladoras, donde el útil se mueve sobre una pieza
fija, la cepilladora mueve la pieza sobre un útil fijo. Después de cada
vaivén, la pieza se mueve lateralmente para utilizar otra parte de la
herramienta. Al igual que la perfiladora, la cepilladora permite hacer
cortes verticales, horizontales o diagonales. También puede utilizar varios
útiles a la vez para hacer varios cortes simultáneos.
Fresadora
En las fresadoras, la pieza entra en contacto con un dispositivo
circular que cuenta con varios puntos de corte. La pieza se sujeta a un
soporte que controla el avance de la pieza contra el útil de corte. El
soporte puede avanzar en tres direcciones: longitudinal, horizontal y
vertical. En algunos casos también puede girar. Las fresadoras son las
máquinas herramientas más versátiles. Permiten obtener superficies
curvadas con un alto grado de precisión y un acabado excelente. Los
distintos tipos de útiles de corte permiten obtener ángulos, ranuras,
engranajes o muescas.
Taladradoras y perforadoras
Las máquinas taladradoras y perforadoras se utilizan para abrir
orificios, para modificarlos o para adaptarlos a una medida o para
rectificar o esmerilar un orificio a fin de conseguir una medida precisa o
una superficie lisa.
Hay taladradoras de distintos tamaños y funciones, desde
taladradoras portátiles a radiales, pasando por taladradoras de varios
cabezales, máquinas automáticas o máquinas de perforación de gran
longitud.
La perforación implica el aumento de la anchura de un orificio ya
taladrado. Esto se hace con un útil de corte giratorio con una sola punta,
colocado en una barra y dirigido contra una pieza fija. Entre las máquinas
perforadoras se encuentran las perforadoras de calibre y las fresas de
perforación horizontal y vertical.
Las máquinas hidráulicas transmiten la energía a través de un fluido,
utilizado para canalizar las fuerzas a distancias donde los acoplamientos
mecánicos no serían apropiados ni efectivos. En el caso de los frenos de un
automóvil la fuerza aplicada en el pedal se transmite por una conducción
hidráulica hasta el activador del freno en cada llanta o rueda.
TRABAJO
El producto de una fuerza aplicada sobre un cuerpo y del
desplazamiento del cuerpo en la dirección de esta fuerza. Mientras se
realiza trabajo sobre el cuerpo, se produce una transferencia de energía
al mismo, por lo que puede decirse que el trabajo es energía en
movimiento. Las unidades de trabajo son las mismas que las de energía.
Cuando se levanta un objeto desde el suelo hasta la superficie de una
mesa, por ejemplo, se realiza trabajo al tener que vencer la fuerza de la
gravedad, dirigida hacia abajo; la energía comunicada al cuerpo por este
trabajo aumenta su energía potencial. También se realiza trabajo cuando
una fuerza aumenta la velocidad de un cuerpo, como ocurre por ejemplo en
la aceleración de un avión por el empuje de sus reactores.
La aceleración es la variación de la velocidad de un objeto por
unidad de tiempo. La velocidad se define como vector, es decir, tiene
módulo (magnitud), dirección y sentido. De ello se deduce que un objeto se
acelera si cambia su celeridad (la magnitud de la velocidad), su dirección
de movimiento, o ambas cosas. Si se suelta un objeto y se deja caer
libremente, resulta acelerado hacia abajo. Si se ata un objeto a una
cuerda y se le hace girar en círculo por encima de la cabeza con celeridad
constante, el objeto también experimenta una aceleración uniforme; en
este caso, la aceleración tiene la misma dirección que la cuerda y está
dirigida hacia la mano de la persona.
Cuando la celeridad de un objeto disminuye, se dice que decelera. La
deceleración es una aceleración negativa.
Un objeto sólo se acelera si se le aplica una fuerza. Según la
segunda ley del movimiento de Newton, el cambio de velocidad es
directamente proporcional a la fuerza aplicada.
La fuerza puede no ser mecánica, como ocurre en el levantamiento
de un cuerpo o en la aceleración de un avión de reacción; también puede
ser una fuerza electrostática, electrodinámica o de tensión superficial.
Por otra parte, si una fuerza constante no produce movimiento, no se
realiza trabajo. Por ejemplo, el sostener un libro con el brazo extendido
no implica trabajo alguno sobre el libro, independientemente del esfuerzo
necesario.
La unidad de trabajo en el Sistema Internacional de Unidades es el
julio, que se define como el trabajo realizado por una fuerza de 1 newton a
lo largo de un metro. El trabajo realizado por unidad de tiempo se conoce
como potencia. La potencia correspondiente a un julio por segundo es un
vatio.
POTENCIA
La potencia es el trabajo, o transferencia de energía, realizado por
unidad de tiempo. El trabajo es igual a la fuerza aplicada para mover un
objeto multiplicada por la distancia a la que el objeto se desplaza en la
dirección de la fuerza. La potencia mide la rapidez con que se realiza ese
trabajo. En términos matemáticos, la potencia es igual al trabajo realizado
dividido entre el intervalo de tiempo a lo largo del cual se efectúa dicho
trabajo.
El concepto de potencia no se aplica exclusivamente a situaciones en las
que se desplazan objetos mecánicamente. También resulta útil, por
ejemplo, en electricidad. Imaginemos un circuito eléctrico con una
resistencia. Hay que realizar una determinada cantidad de trabajo para
mover las cargas eléctricas a través de la resistencia. Para moverlas más
rápidamente —en otras palabras, para aumentar la corriente que fluye por
la resistencia— se necesita más potencia.
La potencia siempre se expresa en unidades de energía divididas entre
unidades de tiempo. La unidad de potencia en el Sistema Internacional es
el vatio, que equivale a la potencia necesaria para efectuar 1 julio de
trabajo por segundo. Una unidad de potencia tradicional es el caballo de
vapor (CV), que equivale aproximadamente a 746 vatios.
Es la unidad tradicional para expresar la potencia mecánica, es
decir, el trabajo mecánico que puede realizar un motor por unidad de
tiempo; suele abreviarse por CV. En el Sistema Internacional de unidades,
la unidad de potencia es el vatio; 1 caballo de vapor equivale a 736 vatios.
Su valor original era, por definición, 75 kilográmetros por segundo.
La electricidad es la categoría de fenómenos físicos originados por
la existencia de cargas eléctricas y por la interacción de las mismas.
Cuando una carga eléctrica se encuentra estacionaria, o estática, produce
fuerzas eléctricas sobre las otras cargas situadas en su misma región del
espacio; cuando está en movimiento, produce además efectos magnéticos.
Los efectos eléctricos y magnéticos dependen de la posición y movimiento
relativos de las partículas con carga. En lo que respecta a los efectos
eléctricos, estas partículas pueden ser neutras, positivas o negativas. La
electricidad se ocupa de las partículas cargadas positivamente, como los
protones, que se repelen mutuamente, y de las partículas cargadas
negativamente, como los electrones, que también se repelen mutuamente.
En cambio, las partículas negativas y positivas se atraen entre sí. Este
comportamiento puede resumirse diciendo que las cargas del mismo signo
se repelen y las cargas de distinto signo se atraen.
FORMAS DE ENERGÍA. CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA. ENERGÍA ÚTIL
La Energía es la capacidad de un sistema físico para realizar
trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de
su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. La radiación
electromagnética posee energía que depende de su frecuencia y, por
tanto, de su longitud de onda. Esta energía se comunica a la materia
cuando absorbe radiación y se recibe de la materia cuando emite
radiación. La energía asociada al movimiento se conoce como energía
cinética, mientras que la relacionada con la posición es la energía potencial.
Por ejemplo, un péndulo que oscila tiene una energía potencial máxima en
los extremos de su recorrido; en todas las posiciones intermedias tiene
energía cinética y potencial en proporciones diversas. La energía se
manifiesta en varias formas, entre ellas la energía mecánica, térmica,
química, eléctrica, radiante o atómica. Todas las formas de energía pueden
convertirse en otras formas mediante los procesos adecuados. En el
proceso de transformación puede perderse o ganarse una forma de
energía, pero la suma total permanece constante.
Un peso suspendido de una cuerda tiene energía potencial debido a
su posición, puesto que puede realizar trabajo al caer. Una batería
eléctrica tiene energía potencial en forma química. Un trozo de magnesio
también tiene energía potencial en forma química, que se transforma en
calor y luz si se inflama. Al disparar un fusil, la energía potencial de la
pólvora se transforma en la energía cinética del proyectil. La energía
cinética del rotor de una dinamo o alternador se convierte en energía
eléctrica mediante la inducción electromagnética.
Esta energía eléctrica puede a su vez almacenarse como energía
potencial de las cargas eléctricas en un condensador o una batería,
disiparse en forma de calor o emplearse para realizar trabajo en un
dispositivo eléctrico. Todas las formas de energía tienden a
transformarse en calor, que es la forma más degradada de la energía. En
los dispositivos mecánicos la energía no empleada para realizar trabajo útil
se disipa como calor de rozamiento, y las pérdidas de los circuitos
eléctricos se producen fundamentalmente en forma de calor.
Las observaciones empíricas del siglo XIX llevaron a la conclusión de
que aunque la energía puede transformarse no se puede crear ni destruir.
Este concepto, conocido como principio de conservación de la energía,
constituye uno de los principios básicos de la mecánica clásica. Al igual que
el principio de conservación de la materia, sólo se cumple en fenómenos
que implican velocidades bajas en comparación con la velocidad de la luz.
Cuando las velocidades se empiezan a aproximar a la de la luz, como
ocurre en las reacciones nucleares, la materia puede transformarse en
energía y viceversa. En la física moderna se unifican ambos conceptos, la
conservación de la energía y de la masa.
Ahorro de energía y efecto invernadero
Hay diversos métodos pero el más efectivo es quemar menos
combustibles fósiles y en especial, combustibles ricos en carbono como el
carbón y petróleo. Estos combustibles también tienen un alto contenido de
azufre, que junto con nitrógeno provocan emisiones ácidas durante la
combustión y causan la lluvia ácida. De ello se desprende que la protección
del medio ambiente es hoy el mayor incentivo para el ahorro de energía. A
largo plazo, también es importante el agotamiento de los recursos de
combustibles fósiles no renovables. Al ritmo de consumo actual se calcula
que las reservas de petróleo y gas durarán unos cincuenta años y las de
carbón unos doscientos años.
La demanda creciente de combustibles fósiles y los daños por la
contaminación derivados de su utilización han motivado llamadas de
atención por parte de la Comisión Brutland (1987), entre otras, para ir
avanzando hacia un desarrollo sostenible, un concepto que apoyan políticos
de muchos países. La enorme dificultad para conseguir esta meta ha sido
menospreciada a menudo. El Consejo Mundial de la Energía estima que las
fuentes de energía renovables sólo podrán aportar un 30% de la demanda
mundial en el año 2020 (aunque la cifra podría llegar a un 60% para el año
2100).
Por esta razón, la Unión Europea ha llevado a cabo numerosas
iniciativas para estimular el ahorro de energía, estimando posible lograr un
ahorro del 20%. El Consejo Mundial de la Energía ha aconsejado una
reducción de la intensidad de la energía para el futuro en distintas zonas,
teniendo en cuenta la cantidad de energía necesaria para producir una
unidad del Producto Interior Bruto (PIB). En un informe de 1993, el
Consejo Mundial de la Energía publicó sus estimaciones para un uso eficaz
de la energía, situándolo en un 3 o 3,5% para los países medios, un 4-5%
para Europa occidental y Japón, y sólo un 2% para Estados Unidos.
Métodos para un ahorro de energía eficaz
El ahorro de energía mediante el aumento de la eficacia en su
manipulado puede lograrse, por lo que respecta a la parte del suministro, a
través de avances tecnológicos en la producción de electricidad, mejora de
los procesos en la refinerías y otros. En cambio, por lo que respecta a la
parte de la demanda (la energía empleada para calefacción de edificios,
aparatos eléctricos, iluminación…), se ha descuidado en relación con la
parte del suministro, existiendo un margen amplio para su mejora. En
Europa occidental el 40% del consumo final de energía se destina al sector
doméstico, un 25% a la industria y un 30% al transporte.
MAGNETISMO
Es uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las
fuerzas fundamentales de la naturaleza. 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. El marco que aúna ambas fuerzas se denomina teoría
electromagnética. La manifestación más conocida del magnetismo es la
fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales magnéticos
como el hierro. Sin embargo, en toda la materia se pueden observar
efectos más sutiles del magnetismo. Recientemente, estos efectos han
proporcionado claves importantes para comprender la estructura atómica
de la materia.
Historia de su estudio
El fenómeno del magnetismo se conoce desde tiempos antiguos. La
piedra imán o magnetita, un óxido de hierro que tiene la propiedad de
atraer los objetos de hierro, ya era conocida por los griegos, los romanos
y los chinos. Cuando se pasa una piedra imán por un pedazo de hierro, éste
adquiere a su vez la capacidad de atraer otros pedazos de hierro. Los
imanes así producidos están ‘polarizados’, es decir, cada uno de ellos tiene
dos partes o extremos llamados polos norte y sur. Los polos iguales se
repelen, y los polos opuestos se atraen.
La brújula se empezó a utilizar en Occidente como instrumento de
navegación alrededor del 1300 d.C. En el siglo XIII, el erudito francés
Petrus Peregrinus realizó importantes investigaciones sobre los imanes.
Sus descubrimientos no se superaron en casi 300 años, hasta que el físico
y médico británico William Gilbert publicó su libro, De magnete en 1600.
Gilbert aplicó métodos científicos al estudio de la electricidad y el
magnetismo.
Observó que la Tierra también se comporta como un imán gigante, y
a través de una serie de experimentos investigó y refutó varios conceptos
incorrectos sobre el magnetismo aceptados en la época. Posteriormente,
en 1750, el geólogo británico John Michell inventó una balanza que utilizó
para estudiar las fuerzas magnéticas. Michell demostró que la atracción o
repulsión entre dos polos magnéticos disminuye a medida que aumenta el
cuadrado de la distancia entre ellos. El físico francés Charles de Coulomb,
que había medido las fuerzas entre cargas eléctricas, verificó
posteriormente la observación de Michell con una gran precisión.
Teoría electromagnética
A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron
simultáneamente las teorías de la electricidad y el magnetismo. En 1819, el
físico danés Hans Christian Oersted llevó a cabo un importante
descubrimiento al observar que una aguja magnética podía ser desviada
por una corriente eléctrica. Este descubrimiento, que mostraba una
conexión entre la electricidad y el magnetismo, fue desarrollado por el
científico francés André Marie Ampère, que estudió las fuerzas entre
cables por los que circulan corrientes eléctricas, y por el físico francés
Dominique François Arago, que magnetizó un pedazo de hierro colocándolo
cerca de un cable recorrido por una corriente.
En 1831, el científico británico Michael Faraday descubrió que el
movimiento de un imán en las proximidades de un cable induce en éste una
corriente eléctrica; este efecto era inverso al hallado por Oersted. Así,
Oersted demostró que una corriente eléctrica crea un campo magnético,
mientras que Faraday demostró que puede emplearse un campo magnético
para crear una corriente eléctrica. La unificación plena de las teorías de la
electricidad y el magnetismo se debió al físico británico James Clerk
Maxwell, que predijo la existencia de ondas electromagnéticas e identificó
la luz como un fenómeno electromagnético.
Los estudios posteriores sobre el magnetismo se centraron cada vez
más en la comprensión del origen atómico y molecular de las propiedades
magnéticas de la materia. En 1905, el físico francés Paul Langevin
desarrolló una teoría sobre la variación con la temperatura de las
propiedades magnéticas de las sustancias paramagnéticas, basada en la
estructura atómica de la materia.
Esta teoría es uno de los primeros ejemplos de la descripción de
propiedades macroscópicas a partir de las propiedades de los electrones y
los átomos. Posteriormente, la teoría de Langevin fue ampliada por el
físico francés Pierre Ernst Weiss, que postuló la existencia de un campo
magnético interno, molecular, en los materiales como el hierro. Este
concepto, combinado con la teoría de Langevin, sirvió para explicar las
propiedades de los materiales fuertemente magnéticos como la piedra
imán.
Después de que Weiss presentara su teoría, las propiedades
magnéticas se estudiaron de forma cada vez más detallada. La teoría del
físico danés Niels Bohr sobre la estructura atómica, por ejemplo, hizo que
se comprendiera la tabla periódica y mostró por qué el magnetismo
aparece en los elementos de transición, como el hierro, en los lantánidos o
en compuestos que incluyen estos elementos.
Los físicos estadounidenses Samuel Abraham Goudsmit y George
Eugene Uhlenbeck demostraron en 1925 que los electrones tienen espín y
se comportan como pequeños imanes con un ‘momento magnético’ definido.
El momento magnético de un objeto es una magnitud vectorial ( véase
Vector) que expresa la intensidad y orientación del campo magnético del
objeto. El físico alemán Werner Heisenberg dio una explicación detallada
del campo molecular de Weiss en 1927, basada en la recientemente
desarrollada mecánica cuántica (véase Teoría cuántica). Más tarde, otros
científicos predijeron muchas estructuras atómicas del momento
magnético más complejas, con diferentes propiedades magnéticas.
El campo magnético
Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden
influir en otros materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque los
objetos magnéticos producen un ‘campo magnético’. Los campos magnéticos
suelen representarse mediante ‘líneas de campo magnético’ o ‘líneas de
fuerza’. En cualquier punto, la dirección del campo magnético es igual a la
dirección de las líneas de fuerza, y la intensidad del campo es
inversamente proporcional al espacio entre las líneas.
En el caso de una barra imantada, las líneas de fuerza salen de un
extremo y se curvan para llegar al otro extremo; estas líneas pueden
considerarse como bucles cerrados, con una parte del bucle dentro del
imán y otra fuera. En los extremos del imán, donde las líneas de fuerza
están más próximas, el campo magnético es más intenso; en los lados del
imán, donde las líneas de fuerza están más separadas, el campo magnético
es más débil.
Según su forma y su fuerza magnética, los distintos tipos de imán
producen diferentes esquemas de líneas de fuerza. La estructura de las
líneas de fuerza creadas por un imán o por cualquier objeto que genere un
campo magnético puede visualizarse utilizando una brújula o limaduras de
hierro. Los imanes tienden a orientarse siguiendo las líneas de campo
magnético. Por tanto, una brújula, que es un pequeño imán que puede rotar
libremente, se orientará en la dirección de las líneas.
Marcando la dirección que señala la brújula al colocarla en
diferentes puntos alrededor de la fuente del campo magnético, puede
deducirse el esquema de líneas de fuerza. Igualmente, si se agitan
limaduras de hierro sobre una hoja de papel o un plástico por encima de un
objeto que crea un campo magnético, las limaduras se orientan siguiendo
las líneas de fuerza y permiten así visualizar su estructura.
Los campos magnéticos influyen sobre los materiales magnéticos y
sobre las partículas cargadas en movimiento. En términos generales,
cuando una partícula cargada se desplaza a través de un campo magnético,
experimenta una fuerza que forma ángulos rectos con la velocidad de la
partícula y con la dirección del campo.
Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad, las
partículas se mueven en trayectorias curvas. Los campos magnéticos se
emplean para controlar las trayectorias de partículas cargadas en
dispositivos como los aceleradores de partículas o los espectrógrafos de
masas.
Tipos de materiales magnéticos
Las propiedades magnéticas de los materiales se clasifican
siguiendo distintos criterios.
Una de las clasificaciones de los materiales magnéticos —que los
divide en diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos— se basa en la
reacción del material ante un campo magnético. Cuando se coloca un
material diamagnético en un campo magnético, se induce en él un momento
magnético de sentido opuesto al campo. En la actualidad se sabe que esta
propiedad se debe a las corrientes eléctricas inducidas en los átomos y
moléculas individuales. Estas corrientes producen momentos magnéticos
opuestos al campo aplicado. Muchos materiales son diamagnéticos; los que
presentan un diamagnetismo más intenso son el bismuto metálico y las
moléculas orgánicas que, como el benceno, tienen una estructura cíclica
que permite que las corrientes eléctricas se establezcan con facilidad.
El comportamiento paramagnético se produce cuando el campo
magnético aplicado alinea todos los momentos magnéticos ya existentes en
los átomos o moléculas individuales que componen el material. Esto
produce un momento magnético global que se suma al campo magnético. Los
materiales paramagnéticos suelen contener elementos de transición o
lantánidos con electrones desapareados.
El paramagnetismo en sustancias no metálicas suele caracterizarse
por una dependencia de la temperatura: la intensidad del momento
magnético inducido varía inversamente con la temperatura. Esto se debe a
que al ir aumentando la temperatura, cada vez resulta más difícil alinear
los momentos magnéticos de los átomos individuales en la dirección del
campo magnético.
Las sustancias ferromagnéticas son las que, como el hierro,
mantienen un momento magnético incluso cuando el campo magnético
externo se hace nulo. Este efecto se debe a una fuerte interacción entre
los momentos magnéticos de los átomos o electrones individuales de la
sustancia magnética, que los hace alinearse de forma paralela entre sí. En
circunstancias normales, los materiales ferromagnéticos están divididos
en regiones llamadas ‘dominios’; en cada dominio, los momentos magnéticos
atómicos están alineados en paralelo.
Los momentos de dominios diferentes no apuntan necesariamente en
la misma dirección. Aunque un trozo de hierro normal puede no tener un
momento magnético total, puede inducirse su magnetización colocándolo en
un campo magnético, que alinea los momentos de todos los dominios. La
energía empleada en la reorientación de los dominios desde el estado
magnetizado hasta el estado desmagnetizado se manifiesta en un desfase
de la respuesta al campo magnético aplicado, conocido como ‘histéresis’.
Un material ferromagnético acaba perdiendo sus propiedades
magnéticas cuando se calienta. Esta pérdida es completa por encima de
una temperatura conocida como punto de Curie, llamada así en honor del
físico francés Pierre Curie, que descubrió el fenómeno en 1895. (El punto
de Curie del hierro metálico es de unos 770 °C).
Paramagnetismo
El oxígeno líquido queda atrapado en el campo magnético de un
electroimán, porque el oxígeno (O2) es paramagnético. El
oxígeno tiene dos electrones desapareados cuyos momentos
magnéticos se alinean con el campo magnético externo. Cuando
esto ocurre, las moléculas de O2 se comportan como imanes
minúsculos y quedan atrapadas entre los polos del electroimán.
Otros ordenamientos magnéticos
En los últimos años, una mejor comprensión de los orígenes atómicos
de las propiedades magnéticas ha llevado al descubrimiento de otros tipos
de ordenamiento magnético. Se conocen casos en los que los momentos
magnéticos interactúan de tal forma que les resulta energéticamente
favorable alinearse entre sí en sentido antiparalelo; estos materiales se
llaman antiferromagnéticos. Existe una temperatura análoga al punto de
Curie, llamada temperatura de Néel, por encima de la cual desaparece el
orden antiferromagnético.
También se han hallado otras configuraciones más complejas de los
momentos magnéticos atómicos. Las sustancias ‘ferrimagnéticas’ tienen al
menos dos clases distintas de momento magnético atómico, que se
orientan de forma antiparalela. Como ambos momentos tienen magnitudes
diferentes, persiste un momento magnético neto, al contrario que en un
material antiferromagnético, donde todos los momentos magnéticos se
anulan entre sí. Curiosamente, la piedra imán es ferrimagnética, y no
ferromagnética; en este mineral existen dos tipos de ion hierro, con
momentos magnéticos diferentes. Se han encontrado disposiciones aún
más complejas en las que los momentos magnéticos están ordenados en
espiral. Los estudios de estos ordenamientos han proporcionado mucha
información sobre las interacciones entre los momentos magnéticos en
sólidos.
Aplicaciones
En los últimos 100 años han surgido numerosas aplicaciones del
magnetismo y de los materiales magnéticos. El electroimán, por ejemplo,
es la base del motor eléctrico y el transformador. En épocas más
recientes, el desarrollo de nuevos materiales magnéticos ha influido
notablemente en la revolución de los ordenadores o computadoras. Es
posible fabricar memorias de computadora utilizando ‘dominios burbuja’.
Estos 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
dígito 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 resonancia magnética nuclear, una importante
herramienta de diagnóstico empleada en 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.