MAGNETISMO Materia

MAGNETISMO
Materia: FÃSICA III
Electricidad, categorÃ-a de fenómenos fÃ-sicos originados por la existencia de cargas eléctricas y por la
interacción de la misma. Cuando una carga eléctrica se encuentra cargas estacionarias, o estáticas,
produce además efectos magnéticos. Los efectos eléctricos y magnéticos dependen de la posición y
movimientos relativos de las partÃ-culas con cargas. La electricidad se ocupa de las partÃ-culas cargadas
eléctricamente, y de las partÃ-culas cargadas negativamente.
Magnetismo: es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las fuerzas magnéticas son producidas
por el movimiento de las partÃ-culas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha
relación entre la electricidad y el magnetismo. La manifestación mas conocida del magnetismo es la fuerza
de atracción o repulsión que actúa entre los materiales magnéticos como el hierro.
Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partÃ-culas 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 teorÃ-a electromagnética (véase Radiación 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
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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 asÃ- 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 fÃ-sico y médico británico William
Gilbert publicó su libro, De magnete en 1600. Gilbert aplicó métodos cientÃ-ficos 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 fÃ-sico
francés Charles de Coulomb, que habÃ-a medido las fuerzas entre cargas eléctricas, verificó
posteriormente la observación de Michell con una gran precisión.
IMÃN
Es una sustancia que, por condición natural o adquirida, tiene la propiedad de atraer al hierro.
La magnetita o piedra imán es un imán natural compuesto, fundamentalmente, de óxido de hierro
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(Fe3O4). Se puede imanar un trozo de hierro sometiéndolo a un campo magnético creado por un imán
o por una corriente eléctrica (véase Magnetismo). El hierro dulce (hierro con muy bajo contenido en
carbono) se convierte en un imán artificial que pierde su magnetismo cuando deja de estar en contacto con el
primer imán (o, como en el caso de un electroimán, cuando deja de pasar la corriente eléctrica por el
arrollamiento conductor). El acero imanado es un imán artificial permanente porque sÃ- conserva su
magnetismo.
Si un imán se coloca entre limaduras de hierro, éstas se agrupan alrededor de sus extremos o polos,
llamados polo norte y polo sur. Si se fragmenta un imán, cada fragmento presenta de nuevo un polo norte y
un polo sur.
ELECTROIMÃN
Es un dispositivo que consiste en un solenoide (una bobina cilÃ-ndrica de alambre recubierta de una capa
aislante y arrollado en forma de espiral), en cuyo interior se coloca un núcleo de hierro. Si una corriente
eléctrica recorre la bobina, se crea un fuerte campo magnético en su interior, paralelo a su eje. Al colocar
el núcleo de hierro en este campo los dominios microscópicos que forman las partÃ-culas de hierro, que
pueden considerarse pequeños imanes permanentes, se alinean en la dirección del campo, aumentando de
forma notable la fuerza del campo magnético generado por el solenoide. La imantación del núcleo
alcanza la saturación cuando todos los dominios están alineados, por lo que el aumento de la corriente tiene
poco efecto sobre el campo magnético. Si se interrumpe la corriente, los dominios se redistribuyen y sólo
se mantiene un débil magnetismo residual.
Los electroimanes se utilizan mucho en tecnologÃ-a; son los componentes fundamentales de cortacircuitos y
relés (véase Generación y transporte de electricidad) y se aplican a frenos y embragues
electromagnéticos. En los ciclotrones se utilizan enormes electroimanes con núcleos de varios metros de
diámetro (véase Aceleradores de partÃ-culas); también se utilizan potentes electroimanes para levantar
hierro y chatarra.
CAMPO MAGNÉTICO
Determinemos un campo magnético con un imán: toma un imán y colócalo sobre una mesa.
Esparce limaduras de hierro sobre una hoja de papel y colócala sobre el imán, muy cerca pero sin tocarlo.
Lugo golpea suavemente el papel con un lápiz y observa la forma del campo magnético.
Como veras, el campo presenta lÃ-neas que indican la fuerza y el sentido de las mismas.
Cuando las lÃ-neas están mas cerca, el campo magnético es mas intenso; y cuando están separados es
mas débil y por ultimo todo imán genera un campo magnético a su alrededor y con mayor intensidad en
los polos
Masas magnéticas: el concepto de masas magnéticas es la que nos indica el mayor o menor poder
magnético que posee el polo de un imán. A tal efecto, consideraremos que el poder magnético de un
imán esta concentrado en sus polos.
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Determinemos un campo magnético con un imán: toma un imán y colócalo sobre una mesa.
Esparce limaduras de hierro sobre una hoja de papel y colócala sobre el imán, muy cerca pero sin tocarlo.
Lugo golpea suavemente el papel con un lápiz y observa la forma del campo magnético.
Como veras, el campo presenta lÃ-neas que indican la fuerza y el sentido de las mismas.
Cuando las lÃ-neas están mas cerca, el campo magnético es mas intenso; y cuando están separados es
mas débil y por ultimo todo imán genera un campo magnético a su alrededor y con mayor intensidad en
los polos
Masas magnéticas: el concepto de masas magnéticas es la que nos indica el mayor o menor poder
magnético que posee el polo de un imán. A tal efecto, consideraremos que el poder magnético de un
imán esta concentrado en sus polos.
Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros materiales magnéticos sin
tocarlos fÃ-sicamente porque los objetos magnéticos producen un `campo magnético'. Los campos
magnéticos suelen representarse mediante `lÃ-neas de campo magnético' o `lÃ-neas de fuerza'. En
cualquier punto, la dirección del campo magnético es igual a la dirección de las lÃ-neas de fuerza, y la
intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio entre las lÃ-neas. En el caso de una barra
imantada, las lÃ-neas de fuerza salen de un extremo y se curvan para llegar al otro extremo; estas lÃ-neas
pueden considerarse como bucles cerrados, con una parte del bucle dentro del imán y otra fuera. En los
extremos del imán, donde las lÃ-neas de fuerza están más próximas, el campo magnético es más
intenso; en los lados del imán, donde las lÃ-neas 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 lÃ-neas de fuerza. La estructura de las lÃ-neas 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 lÃ-neas de campo magnético. Por tanto, una brújula, que es
un pequeño imán que puede rotar libremente, se orientará en la dirección de las lÃ-neas. Marcando la
dirección que señala la brújula al colocarla en diferentes puntos alrededor de la fuente del campo
magnético, puede deducirse el esquema de lÃ-neas 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
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limaduras se orientan siguiendo las lÃ-neas de fuerza y permiten asÃ- visualizar su estructura.
Los campos magnéticos influyen sobre los materiales magnéticos y sobre las partÃ-culas cargadas en
movimiento. En términos generales, cuando una partÃ-cula cargada se desplaza a través de un campo
magnético, experimenta una fuerza que forma ángulos rectos con la velocidad de la partÃ-cula y con la
dirección del campo. Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad, las partÃ-culas se mueven en
trayectorias curvas. Los campos magnéticos se emplean para controlar las trayectorias de partÃ-culas
cargadas en dispositivos como los aceleradores de partÃ-culas o los espectrógrafos de masas.
CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE
El campo magnético terrestre es uniforme y para comprobarlo basta con demostrar que su acción sobre un
imán se reduce a un par. Como un par tiene componentes nulas en todas las direcciones, se va a demostrar
que un imán colocado en el campo terrestre no esta sometido a ninguna fuerza vertical ni horizontal.
El campo terrestre no ejerce ninguna fuerza vertical sobre una barra imantada, puesto que el peso de esta no
aumenta ni disminuye después de la imantación.
Si estuviese sometido a una fuerza horizontal el campo terrestre es por consiguiente uniforme, por lo menos
en un espacio reducido como por ejemplo el de la sala en la cual se realiza los experimentos descritos.
H1 X
O
H2
H
Y
SUSTANCIAS MAGNÉTICAS
Las sustancias que presentan la propiedad llamada MAGNETISMO, en menor o mayor grado son
consideradas magnéticas, mientras que las otras son llamadas no magnéticas.
La sustancia magnética por excelencia es la MAGNETITA también llamada piedra imán formada por
óxido magnético y hierro. La magnetita tiene la particularidad de atraer cuerpos que contengan hierro y
acero.
Además existen otros minerales magnéticos, NÃ-quel, Cobalto y algunas aleaciones
En conclusión la magnetita (o piedra imán) es un imán natural, un mineral más que atrae al hierro
naturalmente, el resto de los imanes se consigue por imantación. El material magnético, cuando no esta
imantado, tiene todos sus imanes internos sin orientar. Si a ese material lo ponemos en contacto con un imán
natural muy intenso, por un tiempo se imanta y se convierte en un imán artificial. Sus imanes internos se
orientan, potenciando su efecto
ESPECTRO MAGNÉTICO
Las lÃ-neas de fuerzas del campo magnético pueden ponerse en evidencia de la manera siguiente: se coloca
horizontalmente sobre una mesa un imán que se cubre con una hoja de cartón rÃ-gido; se salpica esta
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ultima con limadura de hierro y se observa que, cuando se da unos ligeros golpes, las limaduras se disponen
en lÃ-neas regulares, que son las lÃ-neas del campo creado por imán. Estas lÃ-neas van del polo norte al
polo sur, lo que significa que en una maza magnética norte que pudiese desplazarse libremente describirÃ-a
una lÃ-nea de fuerza al alejarse del polo norte y al aproximarse al polo sur.
TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS Â
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 cÃ-clica 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 varÃ-a inversamente con la temperatura. Esto se debe a que al
ir aumentando la temperatura, cada vez resulta más difÃ-cil 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 sÃ-. 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 energÃ-a 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 asÃ- en honor
del fÃ-sico francés Pierre Curie, que descubrió el fenómeno en 1895. (El punto de Curie del hierro
metálico es de unos 770 °C).
IMANES QUEBRADOS Y MOLECULARES
Si procedemos a cortar (o quebrar) un imán en dos o más partes, podremos comprobar que se obtienen otos
tantos imanes y, en consecuencia, en razón de los cortes realizados, nuevos.
En cada corte se forman 2 polos de nombres distintos (fig 251). Resulta asÃ- que cuanto más corte
realicemos, mayor Serra el numera de imanes obtenido y por lo tanto, llegaremos atener imanes tan
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pequeños como una molécula, llamado imanes moleculares o elementales.
Esta deducción no se conoce como hipótesis de los imanes moleculares, es decir que un imán estarÃ-a
constituido por infinitos imanes moleculares. por lo expuesto se deduce que es imposible aislar el polo de un
imán , según la hipótesis molecular , una sustancia no imantada tiene sus imanes moleculares en forma
desordenada , mientras que en un imán aquellos estarÃ-an perfectamente ordenados .
El ordenamiento se logra mediante sucesivos frotamientos , siempre en un mismo sentido , de uno de los
polos de un imán sobre el material a imantar
OTROS ORDENAMIENTOS MAGNÉTICOS
 En los últimos años, una mejor comprensión de los orÃ-genes 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 sÃ- 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 sÃ-. 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 Â
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 dÃ-gito 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 tecnologÃ-as modernas. Los trenes de levitación
magnética utilizan poderosos imanes para elevarse por encima de los raÃ-les 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 partÃ-culas más potentes para mantener las partÃ-culas aceleradas en una
trayectoria curva y enfocarlas.
En pocas palabras, el magnetismo es una propiedad de la materia que en general aparece en todas las
sustancias en menor o mayor estado.
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