¿Qué es el magnetismo?

¿Qué es el magnetismo? | Los campos magnéticos y Fuerza Magnética

limaduras de hierro atraídas por un imán de herradura muestra el campo magnético.

El magnetismo es un aspecto de la fuerza electromagnética combinado. Se refiere a los fenómenos físicos resultantes de la fuerza causada por los imanes, los objetos que producen campos que atraen o repelen otros objetos.

Un campo magnético ejerce una fuerza sobre las partículas en el campo debido a la fuerza de Lorentz , según el sitio web HiperFísica Universidad Estatal de Georgia. El movimiento de las partículas cargadas eléctricamente da lugar a magnetismo. La fuerza que actúa sobre una partícula cargada eléctricamente en un campo magnético depende de la magnitud de la carga, la velocidad de la partícula, y la fuerza del campo magnético.

Toda la experiencia del magnetismo materiales, algunos con más fuerza que otros. Los imanes permanentes, hechos de materiales como el hierro, experimentan los efectos más fuertes, conocidos como ferromagnetismo. Con raras excepciones, esta es la única forma de magnetismo suficientemente fuerte como para ser sentidos por la gente.

Los opuestos se atraen

Los campos magnéticos se generan mediante la rotación de las cargas eléctricas, de acuerdo con HiperFísica. Los electrones tienen una propiedad de momento angular o de giro. La mayoría de los electrones tienden a formar parejas en las que uno de ellos es “spin up” y el otro es “girar hacia abajo”, de acuerdo con la exclusión de Pauli , que establece que dos electrones no pueden ocupar el mismo estado de energía al mismo tiempo. En este caso, sus campos magnéticos están en direcciones opuestas, de modo que se anulan entre sí. Sin embargo, algunos átomos contienen uno o más electrones no apareados cuyo giro puede producir un campo magnético direccional. La dirección de su giro determina la dirección del campo magnético, de acuerdo con el Centro de Recursos de ensayos no destructivos (NDT) . Cuando una mayoría significativa de los electrones no apareados, están alineados con sus vueltas en la misma dirección, se combinan para producir un campo magnético que es lo suficientemente fuerte como para ser sentido en una escala macroscópica.

Fuentes de campo magnético son dipolar, que tiene un polo norte y sur magnético. Los polos opuestos (N y S) se atraen, y al igual que los polos (N y N, o S y S) se repelen, según Joseph Becker, de San Jose State University . Esto crea un toroidal, o campo en forma de rosquilla, ya que la dirección del campo se propaga hacia el exterior desde el polo norte y entra a través del polo sur.

La Tierra misma es un imán gigante. El planeta recibe su campo magnético de circular corrientes eléctricas dentro del núcleo metálico fundido, de acuerdo con Hyperphysics . A brújula puntos norte porque la pequeña aguja magnética en que está suspendido de manera que puede girar libremente en el interior de su carcasa para alinearse con el campo magnético del planeta. Paradójicamente, lo que llamamos el polo norte magnético es en realidad un polo sur magnético, ya que atrae a los polos magnéticos norte de agujas de la brújula.

ferromagnetismo

Si la alineación de los electrones no apareados persiste sin la aplicación de un campo magnético externo o una corriente eléctrica, se produce un imán permanente. Los imanes permanentes son el resultado de ferromagnetismo . El prefijo “ferro” se refiere a hierro porque magnetismo permanente se observó primero en una forma de mineral de hierro natural llamado magnetita, Fe 3 O 4 . Piezas de magnetita se encuentran dispersos en o cerca de la superficie de la tierra, y de vez en cuando, uno será magnetizado. Estos imanes producen de manera natural son llamados magnetitas. “Todavía no estamos seguros en cuanto a su origen, pero la mayoría de los científicos creen que la magnetita es la magnetita que ha sido golpeado por un rayo,” de acuerdo con la Universidad de Arizona .

La gente pronto aprendieron que podían magnetizar una aguja de hierro frotando ligeramente con un imán, haciendo que la mayoría de los electrones no apareados en la aguja para alinearse en una dirección. De acuerdo con la NASA , alrededor del año 1000, los chinos descubrieron que un imán que flota en un recipiente con agua siempre alineados en la dirección norte-sur. Así pues, el compás magnético se convirtió en una tremenda ayuda a la navegación, sobre todo durante el día y por la noche cuando las estrellas estaban ocultos por las nubes.

Se han encontrado otros metales además de hierro que tiene propiedades ferromagnéticas. Estos incluyen níquel, cobalto, y algunos metales de tierras raras tales como samario o neodimio, que se utiliza para hacer ultra potentes imanes permanentes.

Otras formas de magnetismo

Magnetismo toma muchas otras formas, pero a excepción de ferromagnetismo, por lo general son demasiado débiles para ser observados, excepto por los instrumentos de laboratorio sensibles o a temperaturas muy bajas. Diamagnetismo fue descubierto por primera vez en 1778 por Anton Brugnams, que estaba usando imanes permanentes en su búsqueda de materiales que contienen hierro. Según Gerald Küstler, un investigador independiente alemana ampliamente publicada e inventor, en su artículo, “Diamagnetic levitación - Marcos históricos”, publicado en la rumana Diario de Ciencias Técnicas, Brugnams observó, “Sólo el bismuto oscuro y casi violeta de color aparece una fenómeno particular en el estudio; para cuando puse un pedazo de él sobre una hoja de papel redonda flotando encima de agua, que fue repelido por ambos polos del imán “.

El bismuto se ha determinado que tiene el diamagnetismo más fuerte de todos los elementos, sino como Michael Faraday descubrió en 1845, es una propiedad de toda la materia a ser repelidos por un campo magnético.

Diamagnetismo es causado por el movimiento orbital de los electrones que crean bucles de corriente pequeños, que producen campos magnéticos débiles, según la HiperFísica . Cuando un campo magnético externo es aplicado a un material, estos bucles de corriente tienden a alinearse de tal manera como para oponerse el campo aplicado. Esto hace que todos los materiales a ser repelidas por un imán permanente; Sin embargo, la fuerza resultante es generalmente demasiado débil para ser perceptible. Hay, sin embargo, algunas excepciones notables.

El carbono pirolítico, una sustancia similar al grafito, muestra diamagnetismo incluso más fuerte que el bismuto, aunque sólo a lo largo de un eje, y en realidad se puede levitar por encima de un super-fuerte imán de tierras raras. Ciertos materiales superconductores muestran diamagnetismo aún más fuerte por debajo de su temperatura crítica y por lo imanes de tierras raras pueden ser levitado por encima de ellos. (En teoría, debido a su repulsión mutua, uno puede ser levitado por encima de la otra).

El paramagnetismo se produce cuando un material se convierte en magnético temporalmente cuando se coloca en un campo magnético y vuelve a su estado no magnético tan pronto como se elimina el campo externo. Cuando se aplica un campo magnético, algunos de los electrón desapareado giros alinearse con el campo y abrumar a la fuerza opuesta producida por diamagnetismo. Sin embargo, el efecto sólo es apreciable a temperaturas muy bajas, según Daniel Marsh, profesor de física en la Universidad Estatal de Missouri Sur.

Otros, más complejas, formas incluyen antiferromagnetismo, en el que los campos magnéticos de los átomos o las moléculas se alinean junto a la otra; y el comportamiento de vidrio de espín, que implican ambas interacciones ferromagnéticas y antiferromagnéticos. Además, ferrimagnetismo puede ser pensado como una combinación de ferromagnetismo y antiferromagnetismo debido a muchas similitudes compartidas entre ellos, pero todavía tiene su propia singularidad, de acuerdo con la Universidad de California, Davis.

Electromagnetismo

Cuando un cable se mueve en un campo magnético, el campo induce una corriente en el cable. A la inversa, un campo magnético es producido por una carga eléctrica en movimiento. Esto está de acuerdo con la ley de inducción de Faraday , que es la base para los electroimanes, motores eléctricos y generadores. Una carga que se mueve en una línea recta, como a través de un alambre recto, genera un campo magnético que espirales alrededor del alambre. Cuando se forma que el alambre en un bucle, el campo se convierte en una forma de rosquilla, o un toro. De acuerdo con el Manual de grabación magnética (Springer, 1998) por las cámaras de Marvin, este campo magnético se puede mejorar en gran medida mediante la colocación de un núcleo de metal ferromagnético dentro de la bobina.

En algunas aplicaciones, la corriente directa se utiliza para producir un campo constante en una dirección que se puede conectar y desconectar con la corriente. Este campo puede entonces desviar una palanca de hierro móvil causando un clic audible. Esta es la base para el telégrafo , inventado en la década de 1830 por Samuel FB Morse , lo que permitió para la comunicación a larga distancia a través de cables utilizando un código binario basado en impulsos de largo y corta duración. Los pulsos fueron enviados por operadores cualificados que podrían convertirse rápidamente la corriente y se apaga con un interruptor de contacto momentáneo con resorte, o la tecla. Otro operador en el extremo receptor sería luego traducir los clics audibles de nuevo en letras y palabras.

Una bobina alrededor de un imán también se puede hacer a moverse en un patrón de la variación de frecuencia y amplitud para inducir una corriente en una bobina. Esta es la base para una serie de dispositivos, sobre todo, el micrófono . Sound hace que un diafragma se mueva en una salida con las ondas de presión que varían. Si el diafragma está conectado a una bobina magnética movible alrededor de un núcleo magnético, se producirá una corriente variable que es análoga a las ondas de sonido incidente. Esta señal eléctrica puede entonces amplificarse, registrada o transmitida como deseado. Diminutos ultra potentes imanes de tierras raras se utilizan ahora para hacer micrófonos en miniatura para teléfonos celulares, dijo Marsh Live Science.

Cuando se aplica esta señal eléctrica modulada a una bobina, se produce un campo magnético oscilante, que hace que la bobina se mueva en y a lo largo de un núcleo magnético en el mismo patrón. La bobina está entonces unido a un cono del altavoz móvil de modo que puede reproducir ondas sonoras audibles en el aire. La primera aplicación práctica para el micrófono y el altavoz era el teléfono , patentado por Alexander Graham Bell en 1876. Aunque esta tecnología se ha mejorado y refinado, que sigue siendo la base para la grabación y reproducción de sonido.

Las aplicaciones de los electroimanes son casi innumerables. Ley de Faraday es la base de muchos aspectos de nuestra sociedad moderna, incluyendo no sólo los motores y generadores eléctricos, electroimanes, pero de todos los tamaños. El mismo principio utilizado por una grúa gigante para levantar vehículos chatarra en un depósito de chatarra también se utiliza para alinear partículas magnéticas microscópicas en una unidad de disco duro del ordenador para almacenar datos binarios, y las nuevas aplicaciones se están desarrollando todos los días.

Recursos adicionales

El Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético es la más grande y la más alta potencia en el laboratorio imán en el mundo. Los investigadores utilizan las instalaciones de forma gratuita para estudiar materiales, energía y vida.

El Internet Plasma Physics Education Experiencia y tiene un módulo interactivo sobre los conceptos básicos involucrados con Electricidad y Magnetismo.

Espacial Goddard de la NASA del Centro de Vuelos cuenta estas lecciones sobre la " Historia Antigua de Electricidad y Magnetismo " y "La Exploración de la Magnetosfera de la Tierra ."

Curiosidades de los imanes

1. imanes vienen en cuatro sabores : ferromagnetos - que incluyen sustancias como el hierro y el níquel - están compuestos de átomos con electrones desapareados cuyos espines están alineados. Ellos forman buenos imanes permanentes. En otro tipo de imán los llamados ferrimagnetos sólo algunos de los espines de los electrones están alineados.

El imán híbrido de 45 tesla, mirando hacia el imán, con el detalle de las tuberías de agua fría en la Universidad del Estado de Florida.Crédito: Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético, FSU

El imán de Los Álamos está diseñado para generar campos que duran sólo unos pocos segundos, mientras que el imán FSU puede mantener sus campos durante el tiempo que el aparato está encendido. Cada imán está diseñado para llevar a cabo diferentes tipos de experimentos, señaló Ross McDonald, científico de planta de Los Álamos.

Un efecto interesante sucede con el imán FSU cuando hay materiales diamagnéticos, como un bote de aluminio, alrededor. El diamagnetismo crea campos con una orientación opuesta al imán, por lo que cualquier cosa hecha de estos materiales se ha quedado atascado en su lugar. "Es como tratar de moverlo a través de la melaza," dijo McDonald.

No es seguro para jugar con botes de aluminio cerca del imán de Los Alamos, por la misma razón que no es seguro para estar en la habitación en la que se aloja el imán. "Cada imán pulsado finalmente se destruirá," dijo McDonald, debido a las tensiones de las fuerzas magnéticas en las bobinas. Cuando fallan, pueden fallar catastróficamente. "Tenemos algo así como 100 cartuchos de dinamita el valor de la energía en allí y contenemos el 99,9 por ciento de ella", dijo. Pero ese punto último porcentaje es todavía mucho, así LANL evacua el edificio cuando su imán está encendido.

5. Imanes mostraron que la mecánica cuántica trabajaron : El descubrimiento de una de las propiedades fundamentales de la mecánica cuántica de las partículas elementales de espín - - imanes involucradas. Se llama el experimento de Stern-Gerlach, después de los físicos Otto Stern y Walter Gerlach. Se llevó a cabo el experimento en 1922, para poner a prueba las ideas sobre las entonces nuevas teorías de la mecánica cuántica . Se utilizan dos imanes, uno en la parte superior de la otra, cada una en forma de producir un campo magnético de largo, asimétrico. Luego le dispararon partículas sin carga - átomos de plata - a través del campo a un blanco. El campo asimétrico va a alterar ligeramente la trayectoria de los átomos de plata. , Ya que los átomos estarán orientadas en direcciones aleatorias y su momento angular también será aleatoria, la trayectoria debe ser diferente para cada átomo de plata, pero no se sabía por cuánto. El objetivo debería haber mostrado una distribución suave de los accesos de un extremo al otro.

Eso no sucedió. En cambio, los experimentadores llegaron dos grupos de golpes, como si el haz se había dividido en dos direcciones con las partículas que no pueden desviar a cualquier lugar en el medio. Stern y Gerlach solo habían demostrado que las partículas eran giros cuantificado - que puede ser hacia arriba o hacia abajo, pero nada más.

6. Los imanes no tienen que ser de hierro o incluso de metal : La mayoría de los imanes que utilizamos están hechos de hierro (como imanes de nevera). Pero eso no tiene por qué ser así. Los imanes pueden ser hechos de cualquier material con electrones no apareados. Eso incluye muchos metales y aleaciones, como el neodimio , que se utiliza en las unidades de disco. Materiales ferromagnéticos, de hecho, a menudo no son en absoluto los metales. Entre ellos se encuentran los rubíes sintéticos, que se utilizan en los imanes que las puertas del refrigerador del sello.

Imagen de resonancia magnética.

7. medicina magnética : No hay ninguna evidencia de que los imanes funcionan para aliviar el dolor. ¿La razón? A pesar de que no hay hierro en la sangre, que está compuesta de átomos que están demasiado separados y demasiado difusa para los imanes afectan a ellos. Si hizo la prueba esta por pincharse el dedo y derramamiento de sangre cerca de un imán, que iba a encontrar que ni la sangre ni el imán atraerían entre sí. [ 11 Datos sorprendentes sobre el sistema circulatorio ]

Dicho esto, los imanes se utilizan en las máquinas de resonancia magnética , que utilizan imanes más fuertes que los de los depósitos de chatarra que levantan los coches. En la mayoría de los casos imanes MRI se superconductores y enfriados con helio líquido.

8. conocidos desde hace tiempo, pero no entiende : Los antiguos griegos y chinos notaron que algo estaba pasando con ciertos materiales, conocidos como piedra imán. Magnetitas eran en realidad magnetita, una forma de óxido de hierro que se forma cuando el magma se enfría lentamente. Las piedras imán atraídos otros metales ironlike, y mejor aún, podrían magnetizar el hierro ordinario. Cuando se magnetizan pequeñas piezas de metal, a continuación, colgada de una cadena o flotado en agua, alineados con el campo magnético de la Tierra - convirtiéndose en los primeros compases magnéticos.

9. Animales imanes deportivos : Algunos animales y bacterias tienen magnetita en sus cuerpos. Un tipo de molusco llamado túnica incluso tiene magnetita en sus "dientes", que en realidad cubren su lengua. La magnetita es abrasivo y permite que las algas animales roce, pero también podría proporcionar un sentido homing, permitiendo chitones a encontrar su camino de regreso a ciertos lugares en los que les gusta para aparearse y alimentarse. Los estudios de palomas mensajerasparecen demostrar que tienen un sentido magnético que ayuda a navegar. Magnetita en los picos de los animales parece ser la clave, sin embargo lo grande que un papel que sentido magnético (llamado magnetoception) desempeña no está claro.