Cómo funcionan los imanes: polos, electrones y hierro
El magnetismo se reduce a los electrones, según el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético (el MagLab). Todo imán tiene un polo norte y un polo sur, los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen.
1. Qué tienen en común todos los imanes
El MagLab enumera algunas propiedades que comparten todos los imanes:
- Todo imán tiene un polo norte y un polo sur.
- Los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen. El norte atrae al sur; el norte rechaza al norte.
- Todo imán está rodeado por un campo magnético. Por convención, las líneas del campo salen del polo norte y entran por el polo sur.
La propia Tierra es un imán gigante. El MagLab explica que los científicos creen que el campo magnético de la Tierra procede de corrientes de convección en el núcleo externo líquido del planeta, formado en gran parte por hierro. Esto se llama geodinamo.
2. Todo se reduce a los electrones
Según el MagLab, todo el magnetismo se reduce a los electrones, de una de dos maneras:
- Electrones en movimiento. Una corriente eléctrica, que es un flujo de electrones por un cable, siempre crea un campo magnético. Así funcionan los electroimanes.
- Electrones que giran. En los imanes permanentes, como el de tu nevera, el magnetismo procede del espín de los electrones. Cada electrón actúa como un diminuto imán con su propio polo norte y sur, y su eje puede apuntar en una de dos direcciones posibles.
3. Por qué la mayoría de las cosas no son magnéticas
Si cada electrón es un diminuto imán, ¿por qué no todo es magnético?
El MagLab explica que en la mayoría de los materiales los átomos están dispuestos de modo que la orientación magnética de un electrón anula la de otro. Todos esos diminutos imanes apuntan en direcciones opuestas y sus efectos suman un total que no se nota.
4. Qué hace especial al hierro: los dominios magnéticos
El hierro y unas pocas sustancias más son distintos. Sus átomos se agrupan en pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos. Dentro de cada dominio, los electrones comparten la misma orientación magnética.
Entonces, ¿por qué un clavo de hierro corriente no es un imán? Porque los propios dominios apuntan en direcciones distintas, de modo que en conjunto siguen anulándose entre sí.
Si colocas ese clavo en un campo magnético, los dominios empiezan a alinearse en la misma dirección. El MagLab describe el resultado con sencillez: un imán permanente es un objeto en el que todos los dominios están alineados de la misma manera.
Los materiales que se comportan así se llaman ferromagnéticos. El MagLab señala que solo cuatro elementos son ferromagnéticos a temperatura ambiente y pueden imantarse de forma permanente: hierro, níquel, cobalto y gadolinio. Un quinto, el disprosio, solo se vuelve ferromagnético a bajas temperaturas. El aluminio no está en esa lista, y por eso un imán resbala por una lata de refresco de aluminio. La puerta de una nevera, en cambio, es uno de los imanes temporales cotidianos que el MagLab enumera en su actividad para el aula.
5. Imanes permanentes frente a imanes temporales
Los imanes permanentes conservan su magnetismo sin ninguna energía. No se pueden apagar. El MagLab cita los imanes cerámicos y el alnico, una aleación de aluminio, níquel y cobalto, como dos tipos comunes.
Los imanes temporales actúan como imanes solo mientras están en un campo magnético. El hierro dulce se comporta así, y el MagLab señala que por eso se usa como imán temporal en dispositivos como teléfonos y motores eléctricos.
Puedes verlo con clips. En una actividad de aula del MagLab, un clip que toca un imán se convierte en imán y puede sostener un segundo clip. Si separas con cuidado los dos clips, siguen pegados entre sí durante un rato, porque sus electrones aún están organizados. Si los dejas caer sobre una mesa, la sacudida desordena esa organización y se pierde el magnetismo.
6. Cómo pierden fuerza los imanes
«Permanente» no significa para siempre. El MagLab describe dos formas principales de desimantar un imán:
- Calor. Añadir calor aporta energía que altera la alineación. La temperatura a la que un imán ya no puede mantener su campo se llama punto de Curie.
- Impacto. Un golpe fuerte, como con un martillo, puede desalinear los dominios alineados.
Cuánto dura un imán depende de su material. El MagLab señala que el hierro puro permanece imantado solo unos minutos, mientras que muchas aleaciones de hierro conservan su magnetismo mucho más tiempo.
7. Electroimanes: imanes con interruptor
En 1819, Hans Christian Ørsted notó que la aguja de una brújula giraba cuando estaba cerca de un cable que conducía corriente. El MagLab explica por qué: la corriente siempre genera un campo magnético que rodea el cable.
Un solo cable recto produce un campo débil. El MagLab describe cómo hacerlo más fuerte:
- Enrolla el cable. Formar espiras combina los campos individuales en uno mucho más fuerte. Una bobina así se llama solenoide, y su campo aumenta en proporción al número de espiras. Diez espiras dan un campo unas 10 veces mayor que el de una.
- Añade un núcleo de hierro. Los dominios del hierro se alinean con el campo de la bobina y lo refuerzan de forma notable sin usar más electricidad.
- Aumenta la corriente. Más potencia por la bobina significa un campo más fuerte.
Si apagas la corriente, el campo desaparece.
8. ¿Qué fuerza tiene un imán?
Los científicos miden la intensidad del campo magnético en tesla y gauss, donde 1 tesla equivale a 10.000 gauss. El MagLab ofrece algunas comparaciones:
| Imán | Intensidad aproximada |
|---|---|
| Campo magnético de la Tierra | 0,5 gauss (0,00005 tesla) |
| Imán de nevera típico | 10 gauss |
| Imanes permanentes más potentes | unos 1,5 tesla |
Los electroimanes pueden llegar mucho más alto que los imanes permanentes, y por eso dependen de ellos los laboratorios de investigación y los equipos de resonancia magnética (RM) de los hospitales.
9. Puntos clave
- Todo imán tiene un polo norte y un polo sur; los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen.
- El magnetismo procede de los electrones, ya sea fluyendo como corriente o girando sobre sí mismos.
- En la mayoría de los materiales, los imanes de los electrones se anulan; en el hierro y unos pocos metales más, se alinean en dominios.
- Un imán permanente es un material cuyos dominios apuntan todos en la misma dirección; el calor o un golpe fuerte pueden desordenarlos.
- Un electroimán es una bobina por la que circula corriente, a menudo con un núcleo de hierro, y se apaga cuando cesa la corriente.