Magnetismo
Líneas de fuerza magnéticas de un imán de barra, producidas por
limaduras de hierro sobre papel.
El magnetismo (del latín magnes, -ētis, imán) es un
fenómeno físico por el que los materiales ejercen
fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales.
Hay algunos materiales conocidos que han presentado
propiedades magnéticas detectables fácilmente como el
níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que
comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los
materiales son influidos, de mayor o menor forma, por
la presencia de un campo magnético.
El magnetismo también tiene otras manifestaciones en
física, particularmente como uno de los dos
componentes de la radiación electromagnética, como
por ejemplo, la luz.
Breve explicación del magnetismo
Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán (véase Momento dipolar magnético electrónico).
Ordinariamente, innumerables electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones,
pero en un imán casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética
grande o pequeña dependiendo del número de electrones que estén orientados.
Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que contar también con el campo magnético
debido al movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo. Este efecto es análogo al campo generado por una
corriente eléctrica que circula por una bobina (ver dipolo magnético). De nuevo, en general el movimiento de los
electrones no da lugar a un campo magnético en el material, pero en ciertas condiciones los movimientos pueden
alinearse y producir un campo magnético total medible.
El comportamiento magnético de un material depende de la estructura del material y, particularmente, de la
configuración electrónica.
Historia
Los fenómenos magnéticos fueron conocidos por los antiguos griegos. Se dice que por primera vez se observaron en
la ciudad de Magnesia del Meandro en Asia Menor, de ahí el término magnetismo. Sabían que ciertas piedras atraían
el hierro, y que los trocitos de hierro atraídos atraían a su vez a otros. Estas se denominaron imanes
naturales.
[cita requerida]
El primer filósofo que estudió el fenómeno del magnetismo fue Tales de Mileto, filósofo griego que vivió entre
625 a. C. y 545 a. C.
[1] En China, la primera referencia a este fenómeno se encuentra en un manuscrito del siglo
IV a. C. titulado
Libro del amo del valle del diablo: «La magnetita atrae al hierro hacia sí o es atraída por éste».[2] La
primera mención sobre la atracción de una aguja aparece en un trabajo realizado entre los años 20 y 100 de nuestra
era: «La magnetita atrae a la aguja».
El científico Shen Kua (1031-1095) escribió sobre la brújula de aguja magnética y mejoró la precisión en la
navegación empleando el concepto astronómico del norte absoluto. Hacia el siglo XII los chinos ya habían
desarrollado la técnica lo suficiente como para utilizar la brújula para mejorar la navegación. Alexander Neckham
fue el primer europeo en conseguir desarrollar esta técnica en 1187.
Magnetismo 2
El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes, hasta que en 1820, Hans Christian Ørsted,
profesor de la Universidad de Copenhague, descubrió que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente
ejercía una perturbación magnética a su alrededor, que llegaba a poder mover una aguja magnética situada en ese
entorno.
[3] Muchos otros experimentos siguieron con André-Marie Ampère, Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday
y otros que encontraron vínculos entre el magnetismo y la electricidad. James Clerk Maxwell sintetizó y explicó
estas observaciones en sus ecuaciones de Maxwell. Unificó el magnetismo y la electricidad en un solo campo, el
electromagnetismo. En 1905, Einstein usó estas leyes para comprobar su teoría de la relatividad especial,
[4] en el
proceso mostró que la electricidad y el magnetismo estaban fundamentalmente vinculadas.
El electromagnetismo continuó desarrollándose en el siglo XX, siendo incorporado en las teorías más fundamentales,
como la teoría de campo de gauge, electrodinámica cuántica, teoría electrodébil y, finalmente, en el modelo estándar.
La física del magnetismo
Campos y fuerzas magnéticas
El fenómeno del magnetismo es ejercido por un campo magnético, por ejemplo, una corriente eléctrica o un dipolo
magnético crea un campo magnético, éste al girar imparte una fuerza magnética a otras partículas que están en el
campo.
Para una aproximación excelente (pero ignorando algunos efectos cuánticos, véase electrodinámica cuántica) las
ecuaciones de Maxwell (que simplifican la ley de Biot-Savart en el caso de corriente constante) describen el origen y
el comportamiento de los campos que gobiernan esas fuerzas. Por lo tanto el magnetismo se observa siempre que
partículas cargadas eléctricamente están en movimiento. Por ejemplo, del movimiento de electrones en una corriente
eléctrica o en casos del movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo atómico. Estas también aparecen
de un dipolo magnético intrínseco que aparece de los efectos cuánticos, p.e. del spin de la mecánica cuántica.
La misma situación que crea campos magnéticos (carga en movimiento en una corriente o en un átomo y dipolos
magnéticos intrínsecos) son también situaciones en que el campo magnético causa sus efectos creando una fuerza.
Cuando una partícula cargada se mueve a través de un campo magnético
B, se ejerce una fuerza F dado por el
producto cruz:
donde es la carga eléctrica de la partícula, es el vector velocidad de la partícula y es el campo magnético.
Debido a que esto es un producto cruz, la fuerza es perpendicular al movimiento de la partícula y al campo
magnético.
La fuerza magnética no realiza trabajo mecánico en la partícula, esto cambiaría la dirección del movimiento de ésta,
pero esto no causa su aumento o disminución de la velocidad. La magnitud de la fuerza es : donde
es el ángulo entre los vectores y .`
Una herramienta para determinar la dirección del vector velocidad de una carga en movimiento, es siguiendo la ley
de la mano derecha (véase Regla de la mano derecha).
El físico alemán Heinrich Lenz formuló lo que ahora se denomina la ley de Lenz, ésta da una dirección de la fuerza
electromotriz (fem) y la corriente resultante de una inducción electromagnética.
Magnetismo 3
Dipolos magnéticos
Se puede ver una muy común fuente de campo magnético en la naturaleza, un dipolo. Éste tiene un "polo sur" y un
"polo norte", sus nombres se deben a que antes se usaban los magnetos como brújulas, que interactuaban con el
campo magnético terrestre para indicar el norte y el sur del globo.
Un campo magnético contiene energía y sistemas físicos que se estabilizan con configuraciones de menor energía.
Por lo tanto, cuando se encuentra en un campo magnético, un
dipolo magnético tiende a alinearse sólo con una
polaridad diferente a la del campo, lo que cancela al campo lo máximo posible y disminuye la energía recolectada en
el campo al mínimo. Por ejemplo, dos barras magnéticas idénticas pueden estar una a lado de otra normalmente
alineadas de norte a sur, resultando en un campo magnético más pequeño y resiste cualquier intento de reorientar
todos sus puntos en una misma dirección. La energía requerida para reorientarlos en esa configuración es entonces
recolectada en el campo magnético resultante, que es el doble de la magnitud del campo de un magneto individual
(esto es porque un magneto usado como brújula interactúa con el campo magnético terrestre para indicar Norte y
Sur).
Una alternativa formulada, equivalente, que es fácil de aplicar pero ofrece una menor visión, es que un dipolo
magnético en un campo magnético experimenta un momento de un par de fuerzas y una fuerza que pueda ser
expresada en términos de un campo y de la magnitud del dipolo (p.e. sería el momento magnético dipolar). Para ver
estas ecuaciones véase dipolo magnético.
Dipolos magnéticos atómicos
La causa física del magnetismo en los cuerpos, distinto a la corriente eléctrica, es por los dipolos atómicos
magnéticos. Dipolos magnéticos o momentos magnéticos, en escala atómica, resultan de dos tipos diferentes del
movimiento de electrones. El primero es el movimiento orbital del electrón sobre su núcleo atómico; este
movimiento puede ser considerado como una corriente de bucles, resultando en el momento dipolar magnético del
orbital. La segunda, más fuerte, fuente de momento electrónico magnético, es debido a las propiedades cuánticas
llamadas momento de spin del dipolo magnético (aunque la teoría mecánica cuántica actual dice que los electrones
no giran físicamente, ni orbitan el núcleo).
El momento magnético general de un átomo es la suma neta de todos los momentos magnéticos de los electrones
individuales. Por la tendencia de los dipolos magnéticos a oponerse entre ellos se reduce la energía neta. En un
átomo los momentos magnéticos opuestos de algunos pares de electrones se cancelan entre ellos, ambos en un
movimiento orbital y en momentos magnéticos de espín. Así, en el caso de un átomo con orbitales electrónicos o
suborbitales electrónicos completamente llenos, el momento magnético normalmente se cancela completamente y
solo los átomos con orbitales electrónicos semillenos tienen un momento magnético. Su fuerza depende del número
de electrones impares.
La diferencia en la configuración de los electrones en varios elementos determina la naturaleza y magnitud de los
momentos atómicos magnéticos, lo que a su vez determina la diferencia entre las propiedades magnéticas de varios
materiales. Existen muchas formas de comportamiento magnético o tipos de magnetismo: el ferromagnetismo, el
diamagnetismo y el paramagnetismo; esto se debe precisamente a las propiedades magnéticas de los materiales, por
eso se ha estipulado una clasificación respectiva de estos, según su comportamiento ante un campo magnético
inducido, como sigue:
Magnetismo 4
Clasificación de los materiales magnéticos
Tipo de material Características
No magnético No afecta el paso de las líneas de Campo magnético.
Ejemplo: el vacío.
Diamagnético Material débilmente magnético. Si se sitúa una barra magnética cerca de él, ésta lo
repele.
Ejemplo: bismuto (Bi), plata (Ag), plomo (Pb), agua.
Paramagnético Presenta un magnetismo significativo. Atraído por la barra magnética.
Ejemplo: aire, aluminio (Al), paladio (Pd), magneto molecular.
Ferromagnético Magnético por excelencia o fuertemente magnético. Atraído por la barra magnética.
Paramagnético por encima de la temperatura de Curie
(La temperatura de Curie del hierro metálico es aproximadamente unos 770 °C).
Ejemplo: hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), acero suave.
Antiferromagnético No magnético aún bajo acción de un campo magnético inducido.
Ejemplo: óxido de manganeso (MnO
2).
Ferrimagnético Menor grado magnético que los materiales ferromagnéticos.
Ejemplo: ferrita de hierro.
Superparamagnético Materiales ferromagnéticos suspendidos en una matriz dieléctrica.
Ejemplo: materiales utilizados en cintas de audio y video.
Ferritas Ferromagnético de baja conductividad eléctrica.
Ejemplo: utilizado como núcleo inductores para aplicaciones de corriente alterna.
Monopolos magnéticos
Puesto que un imán de barra obtiene su ferromagnetismo de los electrones magnéticos microscópicos distribuidos
uniformemente a través del imán, cuando un imán es partido a la mitad cada una de las piezas resultantes es un imán
más pequeño. Aunque se dice que un imán tiene un polo norte y un polo sur, estos dos polos no pueden separarse el
uno del otro. Un monopolo -si tal cosa existe- sería una nueva clase fundamentalmente diferente de objeto
magnético. Actuaría como un polo norte aislado, no atado a un polo sur, o viceversa. Los monopolos llevarían "carga
magnética" análoga a la carga eléctrica. A pesar de búsquedas sistemáticas a partir de 1931 (como la de 2006), nunca
han sido observadas, y muy bien podrían no existir.(ref). Milton menciona algunos eventos no concluyentes (p.60) y
aún concluye que "no ha sobrevivido en absoluto ninguna evidencia de monopolos magnéticos".(p.3)
Tipos de materiales magnéticos
Existen diversos tipos de comportamiento de los materiales magnéticos, siendo los principales el ferromagnetismo,
el diamagnetismo y el paramagnetismo.
En los materiales diamagnéticos, la disposición de los electrones de cada átomo es tal, que se produce una anulación
global de los efectos magnéticos. Sin embargo, si el material se introduce en un campo inducido, la sustancia
adquiere una imantación débil y en el sentido opuesto al campo inductor.
Si se sitúa una barra de material diamagnético en el interior de un campo magnético uniforme e intenso, esta se
dispone transversalmente respecto de aquel.
Los materiales paramagnéticos no presentan la anulación global de efectos magnéticos, por lo que cada átomo que
los constituye actúa como un pequeño imán. Sin embargo, la orientación de dichos imanes es, en general, arbitraria,
y el efecto global se anula.
Asimismo, si el material paramagnético se somete a la acción de un campo magnético inductor, el campo magnético
inducido en dicha sustancia se orienta en el sentido del campo magnético inductor.
Magnetismo 5
Esto hace que una barra de material paramagnético suspendida libremente en el seno de un campo inductor se alinee
con este.
El magnetismo inducido, aunque débil, es suficiente intenso como para imponer al efecto magnético. Para comparar
los tres tipos de magnetismo se emplea la razón entre el campo magnético inducido y el inductor.
La rama de la química que estudia las sustancias de propiedades magnéticas interesantes es la magnetoquímica.
Electromagnetos
Un electroimán es un imán hecho de alambre eléctrico bobinado en torno a un material magnético como el hierro.
Este tipo de imán es útil en los casos en que un imán debe estar encendido o apagado, por ejemplo, las grandes grúas
para levantar chatarra de automóviles.
Para el caso de corriente eléctrica se desplazan a través de un cable, el campo resultante se dirige de acuerdo con la
"regla de la mano derecha." Si la mano derecha se utiliza como un modelo, y el pulgar de la mano derecha a lo largo
del cable de positivo hacia el lado negativo ( "convencional actual", a la inversa de la dirección del movimiento real
de los electrones), entonces el campo magnético hace una recapitulación de todo el cable en la dirección indicada por
los dedos de la mano derecha. Como puede observarse geométricamente, en caso de un bucle o hélice de cable, está
formado de tal manera que el actual es viajar en un círculo, a continuación, todas las líneas de campo en el centro del
bucle se dirigen a la misma dirección, lo que arroja un
'magnética dipolo ' cuya fuerza depende de la actual en todo
el bucle, o el actual en la hélice multiplicado por el número de vueltas de alambre. En el caso de ese bucle, si los
dedos de la mano derecha se dirigen en la dirección del flujo de corriente convencional (es decir, el positivo y el
negativo, la dirección opuesta al flujo real de los electrones), el pulgar apuntará en la dirección correspondiente al
polo norte del dipolo. -->
Magnetos temporales y permanentes
Un imán permanente conserva su magnetismo sin un campo magnético exterior, mientras que un imán temporal sólo
es magnético, siempre que esté situado en otro campo magnético. Inducir el magnetismo del acero en los resultados
en un imán de hierro, pierde su magnetismo cuando la inducción de campo se retira. Un imán temporal como el
hierro es un material adecuado para los electroimanes. Los imanes son hechos por acariciar con otro imán, la
grabación, mientras que fija en un campo magnético opuesto dentro de una solenoide bobina, se suministra con una
corriente directa. Un imán permanente puede ser la remoción de los imanes de someter a la calefacción, fuertes
golpes, o colocarlo dentro de un solenoide se suministra con una reducción de corriente alterna.
Unidades
Unidades del SI relacionadas con el magnetismo
Tesla [T] = unidad de campo magnético.
Weber [Wb] = unidad de flujo magnético.
Amper [A] = unidad de corriente eléctrica, que genera campos magnéticos.
Otras unidades
• gauss, abreviado como G, es la unidad CGS de inducción magnética (
B).
• Oersted, es la unidad CGS de campo magnético.
• Maxwell, es la unidad CGS de flujo magnético.
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MAGNETISMO
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| Existe en la naturaleza un mineral llamado magnetita o piedra imán que tiene la propiedad de atraer el hierro, el cobalto, el níquel y ciertas aleaciones de estos metales. Esta propiedad recibe el nombre de magnetismo. | ||
| Los
imanes:
Un
imán es un material capaz de producir un campo
magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al
níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden
ser naturales, como la magnetita (Fe3O4)
o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes
metales. Podemos decir que un imán permanente es aquel que conserva el magnetismo después de
haber sido imantado. Un imán temporal no conserva su magnetismo tras haber sido
imantado. En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural.
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| Desde hace tiempo es conocido que una corriente
eléctrica genera un campo magnético a su alrededor. En el interior de la materia
existen pequeñas corrientes cerradas debidas al movimiento de los electrones que
contienen los átomos, cada una de ellas origina un microscópico imán o dipolo.
Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas direcciones sus efectos
se anulan mutuamente y el material no presenta propiedades magnéticas; en cambio
si todos los imanes se alinean actúan como un único imán y en ese caso decimos
que la sustancia se ha magnetizado.
Imantar un material es ordenar sus
imanes atómicos. En la figura derecha se observa en primer lugar un material sin imantar y debajo un material imantado. |
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El magnetismo es producido
por imanes naturales o artificiales. Además de su capacidad de atraer metales,
tienen la propiedad de polaridad. Los imanes tienen dos polos magnéticos
diferentes llamados Norte o Sur. Si enfrentamos los polos Sur de dos
imanes estos se repelen, y si enfrentamos el polo sur de uno, con el polo
norte de otro se atraen. Otra particularidad es que si los imanes se
parten por la mitad, cada una de las partes tendrá los dos polos.
Cuando se pasa una piedra
imán por un pedazo de hierro, éste adquiere a su vez la capacidad de atraer
otros pedazos de hierro.
La atracción o repulsión
entre dos polos magnéticos disminuye a medida que aumenta el cuadrado de la
distancia entre ellos.
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| Campo
magnético:
Se denomina campo magnético a la
región del espacio en la que se manifiesta la acción de un imán. Un campo magnético se representa mediante líneas de campo. | ||
| Un imán atrae
pequeños trozos de limadura de hierro, níquel y cobalto, o sustancias compuestas
a partir de estos metales (ferromagnéticos).
La imantación se transmite a distancia y
por contacto directo. La región del espacio que rodea a un imán y en la que se
manifiesta las fuerzas magnéticas se llama campo magnético. Las líneas del campo magnético revelan la forma del campo. Las líneas de campo magnético emergen de un polo, rodean el imán y penetran por el otro polo. Fuera del imán, el campo esta dirigido del polo norte al polo sur. La intensidad del campo es mayor donde están mas juntas las líneas (la intensidad es máxima en los polos).  El campo eléctrico es una consecuencia relativista del campo magnético. El movimiento de la carga produce un campo magnético. En un imán de barra común, que al parecer esta inmóvil, esta compuesto de átomos cuyos electrones se encuentran en movimiento (girando sobre su orbita. Esta carga en movimiento constituye una minúscula corriente que produce un campo magnético. Todos los electrones en rotación son imanes diminutos.
UNA CARGA EN MOVIMIENTO
PRODUCE UN CAMPO MAGNÉTICO
La brújula:La brújula señala al norte magnético de la tierra, que no coincide con el norte geográfico, ya que conoce había explicado antes los polos opuestos se atraen y los similares se repelen, en el norte geográfico de la tierra se encuentra el polo sur magnéticamente hablando por lo que su opuesto (el norte en este caso) apunta lo contrario en una brújula 
La tierra es un imán. Campo
magnético terrestre.
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| El experimento de Oersted: | |||||||
| Hans Oersted estaba preparando su clase de física en la Universidad de Copenhague, una tarde del mes de abril, cuando al mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica notó que la aguja se deflectaba hasta quedar en una posición perpendicular a la dirección del cable. Más tarde repitió el experimento una gran cantidad de veces, confirmando el fenómeno. Por primera vez se había hallado una conexión entre la electricidad y el magnetismo, en un accidente que puede considerarse como el nacimiento del electromagnetismo. |  | ||||||
Del
experimento de Oersted se deduce que ;
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Campo magnético creado por un conductor
rectilíneo:
Una corriente rectilínea crea a su
alrededor un campo magnético cuya intensidad se incrementa al aumentar la
intensidad de la corriente eléctrica y disminuye al aumentar la distancia con
respecto al conductor.
El campo magnético creado por una espira por la que circula corriente eléctrica aumenta al incrementar la intensidad de la corriente eléctrica Campo magnético creado por un solenoide: El campo magnético creado por un solenoide se incrementa al elevar la intensidad de la corriente, al aumentar el número de espiras y al introducir un trozo de hierro en el interior de la bobina (electroimán).
| |||||||
| Inducción magnética. | |||||||
En 1831, Michael Faraday
observó que un imán generaba una corriente eléctrica en las proximidades de una
bobina, siempre que el imán o la bobina estuvieran en movimiento. La explicación
teórica fue:
| ||||||
| La inducción electromagnética es el fundamento del alternador y la dinamo, dispositivos que generan corriente, así como de los transformadores y motores eléctricos, que convierten la energía eléctrica en mecánica (movimiento). | ||||
El alternador y la
dinamo.
Un alternador está formado por un
imán fijo a una bobina capaz de girar entre los polos del imán. El alternador
produce corriente alterna.
Un rectificador transforma la corriente alterna en corriente continua, es decir, rectifica la corriente alterna. 
| ||||
El
transformador.
Un transformador consta de dos
arrollamientos de cable sobre un núcleo de hierro dulce y se utiliza para
modificar la tensión de la corriente alterna.
Esquema de un
transformador
. | ||||
| El motor
eléctrico.
Un motor eléctrico es un aparato que
transforma energía eléctrica en energía mecánica. Existen diferentes tipos de motores, pero de entre todos tal vez sean los llamados “motores de corriente continua” los que permiten ver de un modo más simple cómo obtener movimiento gracias al campo magnético creado por una corriente. El gráfico muestra de modo esquemático las partes principales de un motor de corriente continua. 
Esquema de un motor
eléctrico.
El elemento situado en el centro es la parte del motor que genera el movimiento. Se la llama armadura o rotor, y consiste en un electroimán que puede girar libremente entorno a un eje. Dicho rotor está rodeado por un imán permanente, cuyo campo magnético permanece fijo. El electroimán recibe la corriente a través del contacto establecido entre las escobillas y el conmutador. Las escobillas permanecen fijas, mientras que el conmutador puede girar libremente entre ellas siguiendo el movimiento del rotor. Cuando la corriente pasa a lo largo del electroimán, sus polos son atraídos y repelidos por los polos del imán fijo, de modo que el rotor se moverá hasta que el polo norte del electroimán quede mirando al polo sur del imán permanente. Pero tan pronto como los polos del rotor quedan “mirando” a los polos del imán, se produce un cambio en el sentido de la corriente que pasa por el rotor. Este cambio es debido a que el conmutador, al girar, modifica los contactos con las escobillas e intercambia el modo en que el electroimán recibe la corriente de la pila. Al modificarse el signo de los polos del electroimán, los polos del rotor resultarán repelidos por los polos del imán fijo, pues en esta nueva situación estarán enfrentados polos de igual signo, con lo cual el rotor se ve obligado a seguir girando. Nuevamente, cuando los polos del electroimán estén alineados con los polos opuestos del imán fijo, el contacto entre escobillas y conmutador modificará el sentido de la corriente, con lo cual el rotor será forzado a seguir girando. |
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