El magnetismo es una fuerza de la naturaleza producida por el movimiento de cargas eléctricas. A veces, estos movimientos son microscópicos y están dentro de un material conocido como imanes. Los imanes, o los campos magnéticos creados por las cargas eléctricas en movimiento, pueden atraer o repeler otros imanes y cambiar el movimiento de otras partículas cargadas.
Un campo magnético ejerce una fuerza sobre las partículas conocida como la fuerza de Lorentz, según la Universidad Estatal de Georgia. Sitio web de HyperPhysics. 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. La fuerza de Lorentz tiene la peculiar propiedad de que hace que las partículas se muevan en ángulo recto con respecto a su movimiento original.
Algunos materiales, como el hierro, se conocen como imanes permanentes, lo que significa que pueden sostener un campo magnético permanente. Estas son las formas más comunes de imanes que se encuentran en la vida cotidiana. A otros materiales, como el hierro, el cobalto y el níquel, se les puede dar un campo magnético temporal colocándolos dentro de un campo más grande y poderoso, pero eventualmente esos materiales perderán su magnetismo.Los campos magnéticos son generados por el movimiento de cargas eléctricas, según HyperPhysics. Todos los electrones tienen una propiedad mecánica cuántica fundamental de momento angular, conocida como «espín». Dentro de los átomos, la mayoría de los electrones tienden a formar pares en los que uno de ellos «gira hacia arriba» y el otro «gira hacia abajo», o en otras palabras, sus momentos angulares apuntan en direcciones opuestas. En este caso, los campos magnéticos creados por esos espines apuntan en direcciones opuestas, por lo que se anulan entre sí. Sin embargo, algunos átomos contienen uno o más electrones desapareados, y estos electrones desapareados crean un pequeño campo magnético. La dirección de su espín determina la dirección del campo magnético, según la Centro de recursos de pruebas no destructivas (NDT). Cuando una gran mayoría de electrones desapareados se alinean con sus espines en la misma dirección, se combinan para producir un campo magnético que es lo suficientemente fuerte como para ser observado en una escala macroscópica.
Las fuentes de campo magnético son dipolares, lo que significa que tienen un polo norte y un polo sur. Los polos opuestos (N y S) se atraen, y los polos iguales (N y N, o S y S) se repelen, según Joseph Becker de Universidad Estatal de San José. Esto crea un campo toroidal o en forma de rosquilla, ya que la dirección del campo se propaga hacia afuera desde el polo norte y entra por el polo sur.
La Tierra misma es un imán gigante. El planeta obtiene su campo magnético de la corriente eléctrica circulante dentro del núcleo metálico fundido, según NASA. Una brújula apunta al norte porque la pequeña aguja magnética en ella está suspendida para que pueda girar libremente dentro de su carcasa para alinearse con el campo magnético de la Tierra. Paradójicamente, lo que llamamos Polo Norte Magnético es en realidad un polo sur magnético porque atrae los polos norte magnéticos de las agujas de las brújulas.
Si la alineación de electrones desapareados persiste sin la aplicación de un campo magnético externo o corriente eléctrica, produce un imán permanente. Los imanes permanentes son el resultado de ferromagnetismo. El prefijo «ferro» se refiere al hierro porque el magnetismo permanente se observó por primera vez en una forma de mineral de hierro natural llamado magnetita, Fe3O4. Se pueden encontrar fragmentos de magnetita esparcidos sobre o cerca de la superficie de la Tierra y, ocasionalmente, uno se magnetizará. Estos imanes naturales se llaman magnetitas. Si bien los científicos no saben exactamente cómo se forman las piedras imán, «la mayoría de los científicos cree que la piedra imán es magnetita que ha sido golpeada por un rayo», según el universidad de arizona.
La gente pronto aprendió que podían magnetizar una aguja de hierro acariciándola con una piedra imán, lo que provocaba que la mayoría de los electrones desapareados de la aguja se alinearan en una dirección. De acuerdo a NASA, alrededor del año 1000 d. C., los chinos descubrieron que un imán que flota en un recipiente con agua siempre se alinea en dirección norte-sur. A partir de entonces, la brújula magnética se convirtió en una gran ayuda para la navegación, especialmente durante el día y la noche, cuando las estrellas estaban ocultas por las nubes.
Otros metales además del hierro pueden tener propiedades ferromagnéticas. Estos incluyen níquel, cobalto y algunos metales de tierras raras como el samario o el neodimio, que se utilizan para fabricar imanes permanentes superfuertes.
El magnetismo toma muchas otras formas, pero a excepción del ferromagnetismo, por lo general son demasiado débiles para ser observados excepto por instrumentos de laboratorio sensibles o a temperaturas muy bajas. Anton Brugnams descubierto por primera vez diamagnetismo en 1778 mientras usaba imanes permanentes en su búsqueda de materiales que contuvieran hierro. Según Gerald Küstler, un investigador e inventor alemán independiente ampliamente publicado, en su artículo, «Levitación diamagnética: hitos históricos» publicado en el Romanian Journal of Technical Sciences, Brugnams observó: «Solo el bismuto oscuro y de color casi violeta mostró un fenómeno particular en el estudio; cuando puse un trozo sobre una hoja de papel redonda que flotaba sobre el agua, era repelido por ambos polos del imán».
El diamagnetismo es causado por el movimiento orbital de los electrones dentro de los átomos creando pequeños bucles de corriente, que producen campos magnéticos débiles. de acuerdo con HyperPhysics. Cuando se aplica un campo magnético externo a un material, estos bucles de corriente tienden a alinearse de tal manera que se oponen al campo aplicado. Esto hace que todos los materiales sean repelidos por un imán permanente; sin embargo, la fuerza resultante suele ser demasiado débil para ser perceptible. Hay, sin embargo, algunas excepciones notables.
El carbón pirolítico, una sustancia similar al grafito, muestra un diamagnetismo aún más fuerte que el bismuto, aunque solo a lo largo de un eje, y en realidad puede levitar sobre un imán de tierras raras súper fuerte. Ciertos materiales superconductores muestran un diamagnetismo aún más fuerte por debajo de su temperatura crítica (la temperatura a la que se vuelven superconductores) y, por lo tanto, los imanes de tierras raras pueden levitar sobre ellos. (En teoría, debido a su repulsión mutua, uno puede levitar sobre el otro).
Paramagnetismo Ocurre cuando un material se vuelve 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 espines de electrones desapareados se alinean con el campo y superan la fuerza opuesta producida por el diamagnetismo. Sin embargo, el efecto solo se nota a temperaturas muy bajas, dijo Daniel Marsh, profesor de física en la Universidad Estatal del Sur de Missouri.
Otras formas más complejas incluyen el antiferromagnetismo, en el que los campos magnéticos de los átomos o moléculas se alinean uno al lado del otro; y el comportamiento del vidrio giratorio, que involucra interacciones ferromagnéticas y antiferromagnéticas. Adicionalmente, ferrimagnetismo se puede considerar como una combinación de ferromagnetismo y antiferromagnetismo debido a muchas similitudes compartidas entre ellos, pero aún tiene su propia singularidad, según la Universidad de California, Davis.
Cuando un alambre conductor se mueve en un campo magnético, el campo induce una corriente en el alambre. Por el contrario, un campo magnético es producido por una carga eléctrica en movimiento, como cuando un cable transporta corriente. Entonces, todos los cables eléctricos en su hogar producen pequeños campos magnéticos. Esta relación entre la electricidad y el magnetismo es descrita por Ley de inducción de Faraday, que es la base de electroimanes, motores eléctricos y generadores. Una carga que se mueve en línea recta, como a través de un cable recto, genera un campo magnético que gira en espiral alrededor del cable. Cuando ese cable se forma en un bucle, el campo se convierte en una forma de dona o un toro.
La corriente continua también puede producir un campo constante en una dirección que se puede encender y apagar con la corriente. Este campo puede desviar una palanca de hierro móvil y provocar un clic audible. Esta es la base del telégrafo, inventado en la década de 1830 por Samuel FB Morseque permitía la comunicación a larga distancia por cable usando un código binario basado en pulsos de larga y corta duración, según el Biblioteca del Congreso. Operadores expertos enviaban los pulsos encendiendo y apagando rápidamente la corriente usando un interruptor o llave de contacto momentáneo con resorte. Otro operador en el extremo receptor traduciría los clics audibles nuevamente en letras y palabras.
También se puede hacer que una bobina alrededor de un imán se mueva en un patrón de frecuencia y amplitud variables para inducir una corriente en una bobina. Esta es la base para una serie de dispositivos, sobre todo, el micrófono. El sonido hace que un diafragma se mueva hacia adentro y hacia afuera con las ondas de presión variables. Si el diafragma está conectado a una bobina magnética móvil alrededor de un núcleo magnético, producirá una corriente variable análoga a las ondas sonoras incidentes. Esta señal eléctrica puede amplificarse, grabarse o transmitirse según se desee. Se utilizan diminutos imanes superfuertes de tierras raras para fabricar micrófonos miniaturizados para teléfonos móviles, dijo Marsh a WordsSideKick.com.
Cuando esta señal eléctrica modulada se aplica a una bobina, produce un campo magnético oscilante, que hace que la bobina se mueva hacia adentro y hacia afuera sobre un núcleo magnético con el mismo patrón. Luego, la bobina se conecta a un cono de altavoz móvil para que pueda reproducir ondas de sonido audibles en el aire. La primera aplicación práctica del micrófono y altavoz fue el teléfono, patentado por Alexander Graham Bell en 1876, según el Institución Smithsonian. Aunque esta tecnología ha sido mejorada y refinada, sigue siendo la base para grabar y reproducir sonido.
Las aplicaciones de los electroimanes son casi innumerables. La Ley de Inducción de Faraday constituye la base de muchos aspectos de nuestra sociedad moderna, incluidos no solo los motores y generadores eléctricos, sino también los electroimanes de todos los tamaños. El mismo principio utilizado por un grulla gigante para levantar autos chatarra en un depósito de chatarra también se usa para alinear partículas magnéticas microscópicas en el disco duro de una computadora para almacenar datos binarios, y cada día se desarrollan nuevas aplicaciones.
La redactora del personal Tanya Lewis contribuyó a este informe.
NASA, «Magnetosfera de la Tierra», https://www.nasa.gov/magnetosphere
«Magnetismo.» Descubriendo la Ciencia. Gale Research, 1996. Reproducido en Discovering Collection. Farmington Hills, Michigan: Gale Group. diciembre de 2000. http://galenet.galegroup.com/servlet/DC/
Griffiths, David J. (1998). Introducción a la electrodinámica (3ª ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-805326-0. OCLC 40251748.