Contenido
- ¿Qué es un campo magnético?
- Magnetos permanentes
- ¿Los imanes grandes tienen una fuerza magnética fuerte?
- ¿Cuál es la temperatura de Curie?
- Electroimanes
- Usos de electroimanes
- Datos interesantes del magnetismo
Muchas personas están familiarizadas con los imanes porque a menudo tienen imanes decorativos en el refrigerador de su cocina. Sin embargo, los imanes tienen muchos propósitos prácticos más allá de la decoración, y muchos afectan nuestra vida diaria sin que nos demos cuenta.
Hay muchas preguntas sobre cómo funcionan los imanes y otras preguntas generales sobre magnetismo. Sin embargo, para responder la mayoría de estas preguntas y comprender cómo los diferentes imanes pueden tener diferentes intensidades de campos magnéticos, es importante comprender qué es un campo magnético y cómo se produce.
¿Qué es un campo magnético?
Un campo magnético es una fuerza que actúa sobre una partícula cargada, y la ecuación que rige esta interacción es Lorentz fuerza ley. La ecuación completa para la fuerza de un campo eléctrico mi y un campo magnético B en una partícula con carga q y velocidad v es dado por:
vec {F} = q vec {E} + q vec {v} times vec {B}.Recuerda eso porque la fuerza F, los campos mi y siy la velocidad v son todos vectores, el × la operación es la producto cruzado de vectores, no multiplicación.
Los campos magnéticos se producen al mover partículas cargadas, a menudo llamadas corriente eléctrica. Las fuentes comunes de campos magnéticos de la corriente eléctrica son los electroimanes, como un cable simple, un cable en un bucle y varios bucles de cable en una serie que se llama solenoide. El campo magnético de la Tierra también es causado por el movimiento de partículas cargadas en el núcleo.
Sin embargo, esos imanes en su refrigerador no parecen tener corrientes o fuentes de energía. ¿Cómo funcionan esos?
Magnetos permanentes
Un imán permanente es una pieza de material ferromagnético que tiene una propiedad intrínseca que produce un campo magnético. El efecto intrínseco que produce un campo magnético es un giro de electrones, y la alineación de estos giros crea dominios magnéticos. Estos dominios dan como resultado un campo magnético neto.
Los materiales ferromagnéticos tienden a tener un alto grado de ordenamiento del dominio en su forma natural, que puede alinearse fácilmente mediante un campo magnético externo. Por lo tanto, los imanes ferromagnéticos tienden a ser magnéticos cuando se encuentran en la naturaleza y retienen fácilmente sus propiedades magnéticas.
Materiales diamagnéticos son similares a los materiales ferromagnéticos y pueden producir un campo magnético cuando se encuentran en la naturaleza, pero responden de manera diferente a los campos externos. El material diamagnético producirá un campo magnético orientado en sentido opuesto en presencia de un campo externo. Este efecto podría limitar la fuerza deseada del imán.
Materiales paramagnéticos son magnéticos solo en presencia de un campo magnético externo y alineado, y tienden a ser bastante débiles.
¿Los imanes grandes tienen una fuerza magnética fuerte?
Como se mencionó, los imanes permanentes consisten en dominios magnéticos que se alinean aleatoriamente. Dentro de cada dominio, hay cierto grado de ordenación que crea un campo magnético. La interacción de todos los dominios en una pieza de material ferromagnético, por lo tanto, produce el campo magnético total o neto del imán.
Si los dominios están alineados aleatoriamente, es probable que exista un campo magnético muy pequeño o efectivamente cero. Sin embargo, si un campo magnético externo se acerca al imán desordenado, los dominios comenzarán a alinearse. La distancia del campo de alineación a los dominios afectará la alineación general y, por lo tanto, el campo magnético neto resultante.
Dejar un material ferromagnético en un campo magnético externo durante un largo período de tiempo puede ayudar a completar el pedido y aumentar el campo magnético producido. De manera similar, el campo magnético neto de un imán permanente se puede disminuir al incorporar varios campos magnéticos aleatorios o interferentes, que pueden desalinear los dominios y reducir el campo magnético neto.
¿El tamaño de un imán afecta su fuerza? La respuesta corta es sí, pero solo porque el tamaño de un imán significa que hay proporcionalmente más dominios que pueden alinearse y producir un campo magnético más fuerte que una pieza más pequeña del mismo material. Sin embargo, si la longitud del imán es muy larga, existe una mayor probabilidad de que los campos magnéticos dispersos desalineen los dominios y disminuyan el campo magnético neto.
¿Cuál es la temperatura de Curie?
Otro factor que contribuye a la fuerza del imán es temperatura. En 1895, el físico francés Pierre Curie determinó que los materiales magnéticos tienen un límite de temperatura en cuyo punto sus propiedades magnéticas pueden cambiar. Específicamente, los dominios ya no se alinean, por lo tanto, la alineación del dominio semanal conduce a un campo magnético neto débil.
Para el hierro, la temperatura de Curie es de alrededor de 1418 grados Fahrenheit. Para la magnetita, es de alrededor de 1060 grados Fahrenheit. Tenga en cuenta que estas temperaturas son significativamente más bajas que sus puntos de fusión. Por lo tanto, la temperatura del imán puede afectar su fuerza.
Electroimanes
Una categoría diferente de imanes son electroimanes, que son esencialmente imanes que se pueden encender y apagar.
El electroimán más común que se utiliza en diversas aplicaciones industriales es un solenoide. Un solenoide es una serie de bucles actuales, que dan como resultado un campo uniforme en el centro de los bucles. Esto se debe al hecho de que cada circuito de corriente individual crea un campo magnético circular alrededor del cable. Al colocar varios en serie, la superposición de los campos magnéticos crea un campo recto y uniforme a través del centro de los bucles.
La ecuación para la magnitud de un campo magnético solenoidal es simplemente: B = μ0nI, dónde μ0 _es la permeabilidad del espacio libre, _n es el número de bucles actuales por unidad de longitud y yo es la corriente que fluye a través de ellos. La dirección del campo magnético está determinada por la regla de la mano derecha y la dirección del flujo de corriente y, por lo tanto, puede invertirse invirtiendo la dirección de la corriente.
Es muy fácil ver que la fuerza de un solenoide se puede ajustar de dos maneras principales. Primero, se puede aumentar la corriente a través del solenoide. Si bien parece que la corriente puede aumentarse arbitrariamente, puede haber limitaciones en la fuente de alimentación o en la resistencia del circuito, lo que puede provocar daños si la corriente se sobregira.
Por lo tanto, una forma más segura de aumentar la fuerza magnética de un solenoide es aumentar el número de bucles de corriente. El campo magnético aumenta claramente proporcionalmente. La única limitación en este caso puede ser la cantidad de cable disponible o las limitaciones espaciales si el solenoide es demasiado largo debido a la cantidad de bucles actuales.
Hay muchos tipos de electroimanes además de los solenoides, pero todos tienen la misma propiedad general: su fuerza es proporcional al flujo de corriente.
Usos de electroimanes
Los electroimanes son ubicuos y tienen muchos usos. Un ejemplo común y muy simple de un electroimán, específicamente un solenoide, es un altavoz. La corriente variable a través del altavoz hace que la intensidad del campo magnético solenoidal aumente y disminuya.
Cuando esto sucede, otro imán, específicamente un imán permanente, se coloca en un extremo del solenoide y contra una superficie vibratoria. A medida que los dos campos magnéticos se atraen y repelen debido al campo solenoidal cambiante, la superficie vibratoria se tira y empuja creando sonido.
Los altavoces de mejor calidad utilizan solenoides de alta calidad, imanes permanentes y superficies vibratorias para crear una salida de sonido de mayor calidad.
Datos interesantes del magnetismo
¡El imán de mayor tamaño en el mundo es la tierra misma! Como se mencionó, la tierra tiene un campo magnético que se debe a las corrientes creadas con el núcleo de la tierra. Si bien no es un campo magnético muy fuerte en relación con muchos imanes portátiles pequeños o los que alguna vez se usaron en los aceleradores de partículas, ¡la Tierra misma es uno de los imanes más grandes que conocemos!
Otro material magnético interesante es la magnetita. La magnetita es un mineral de hierro que no solo es muy común, sino que es el mineral con el mayor contenido de hierro. A veces se le llama piedra imán, debido a su propiedad única de tener un campo magnético que siempre está alineado con el campo magnético de la Tierra. Como tal, se usó como una brújula magnética ya en el año 300 antes de Cristo.