Todos hemos jugado con imanes de vez en cuando. A continuación hay un intento de explicar los conceptos básicos detrás del funcionamiento interno secreto del misterioso imán.
Un imán es cualquier material u objeto que produce un campo magnético. Este campo magnético es responsable de la propiedad de un imán: una fuerza que tira de otros materiales ferromagnéticos y atrae o repele otros imanes. Un imán permanente es un objeto hecho de un material que está magnetizado y crea su propio campo magnético persistente. Los materiales que se pueden magnetizar, que se sienten fuertemente atraídos por un imán, se denominan ferromagnéticos. Aunque los materiales ferromagnéticos son los únicos atraídos por un imán lo suficientemente fuerte como para considerarse comúnmente magnéticos, todas las demás sustancias responden débilmente a un campo magnético.
Algunos datos sobre los imanes incluyen:
- El polo norte del imán apunta al polo norte geomagnético (un polo magnético sur) ubicado en Canadá sobre el Círculo Polar Ártico.
- los polos norte repelen los polos norte
- los polos sur repelen los polos sur
- los polos norte atraen a los polos sur
- los polos sur atraen a los polos norte
- la fuerza de atracción o repulsión varía inversamente con la distancia al cuadrado
- la fuerza de un imán varía en diferentes lugares del imán
- los imanes son más fuertes en sus polos
- los imanes atraen fuertemente acero, hierro, níquel, cobalto, gadolinio
- los imanes atraen ligeramente el oxígeno líquido y otros materiales
- los imanes repelen ligeramente el agua, el carbono y el boro
La mecánica de cómo funcionan los imanes realmente se rompe hasta el nivel atómico. Cuando la corriente fluye en un cable, se crea un campo magnético alrededor del cable. La corriente es simplemente un grupo de electrones en movimiento, y los electrones en movimiento forman un campo magnético. Así es como se hacen funcionar los electroimanes.
Alrededor del núcleo del átomo hay electrones. Los científicos solían pensar que tenían órbitas circulares, pero descubrieron que las cosas son mucho más complicadas. En realidad, los patrones del electrón dentro de uno de estos orbitales tienen en cuenta las ecuaciones de onda de Schroedinger. Los electrones ocupan ciertas capas que rodean el núcleo del átomo. Estos depósitos han recibido los nombres de las letras K, L, M, N, O, P, Q. También se les han dado nombres numéricos, como 1,2,3,4,5,6,7 (piense en la mecánica cuántica). Dentro del caparazón, pueden existir subcapas u orbitales, con nombres de letras como s, p, d, f. Algunos de estos orbitales se ven como esferas, algunos como un reloj de arena, otros como cuentas. El caparazón K contiene un orbital s llamado orbital 1s. La carcasa L contiene un orbital s y p llamado orbital 2s y 2p. El caparazón M contiene un orbital s, p y d llamado orbital 3s, 3p y 3d. Las capas N, O, P y Q contienen cada una un orbital s, p, d y f llamado 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, 7d y 7f orbitales. Estos orbitales también tienen varios suborbitales. Cada uno solo puede contener una cierta cantidad de electrones. Un máximo de 2 electrones puede ocupar un suborbital donde uno tiene un giro hacia arriba y el otro tiene un giro hacia abajo. No puede haber dos electrones con giro en el mismo suborbital (el principal de exclusión de Pauli). Además, cuando tiene un par de electrones en un suborbital, sus campos magnéticos combinados se cancelarán entre sí. Si estás confundido, no estás solo. Muchas personas se pierden aquí y simplemente se preguntan acerca de los imanes en lugar de investigar más.
Cuando nos fijamos en los metales ferromagnéticos, es difícil ver por qué son tan diferentes de los elementos junto a ellos en la tabla periódica. En general, se acepta que los elementos ferromagnéticos tienen grandes momentos magnéticos debido a los electrones no apareados en sus orbitales externos. También se cree que el giro del electrón crea un campo magnético diminuto. Estos campos tienen un efecto compuesto, por lo que cuando se juntan varios de estos campos, se suman a campos más grandes.
Para concluir "¿cómo funcionan los imanes?", Los átomos de los materiales ferromagnéticos tienden a tener su propio campo magnético creado por los electrones que los orbitan. Pequeños grupos de átomos tienden a orientarse en la misma dirección. Cada uno de estos grupos se llama dominio magnético. Cada dominio tiene su propio polo norte y polo sur. Cuando una pieza de hierro no está magnetizada, los dominios no estarán apuntando en la misma dirección, sino que estarán apuntando en direcciones aleatorias, cancelándose entre sí y evitando que el hierro tenga un polo norte o sur o sea un imán. Si introduce corriente (campo magnético), los dominios comenzarán a alinearse con el campo magnético externo. Cuanto más actual se aplique, mayor será el número de dominios alineados. A medida que el campo magnético externo se fortalece, más y más dominios se alinearán con él. Habrá un punto donde todos los dominios dentro del hierro están alineados con el campo magnético externo (saturación), sin importar qué tan fuerte sea el campo magnético. Después de eliminar el campo magnético externo, los materiales magnéticos blandos volverán a dominios orientados aleatoriamente; sin embargo, los materiales magnéticos duros mantendrán la mayoría de sus dominios alineados, creando un fuerte imán permanente. Entonces, ahí lo tienes.
Hemos escrito muchos artículos sobre imanes para la revista Space. Aquí hay un artículo sobre imanes de barra, y aquí hay un artículo sobre súper imanes.
Si desea obtener más información sobre los imanes, eche un vistazo a algunos experimentos interesantes con imanes, y aquí hay un enlace a un artículo sobre súper imanes de Wise Geek.
También hemos grabado un episodio completo de Astronomy Cast sobre el magnetismo. Escucha aquí, Episodio 42: Magnetismo en todas partes.
Fuentes:
Sabio friki
Wikipedia: imán
Wikipedia: ferromagnetismo
