Electricidad Fácil IV: el magnetismo. Imanes naturales y permanentes.

En el capítulo anterior vimos la electricidad estática y las cargas eléctricas. También estudiamos los efectos de atracción y repulsión de las cargas en función de su signo.

Hoy hablaremos del magnetismo. Veremos que el comportamiento de los campos magnéticos es muy similar al de los campos eléctricos. El magnetismo es esencial en el estudio de la electricidad por dos motivos:

  • Mucha de la electricidad que usamos se obtiene a partir de campos magnéticos
  • Los motores eléctricos funcionan gracias a los campos magnéticos

Dominar el magnetismo es vital para entender la electricidad, por tanto, vamos a ver cómo y dónde se descubrió.

¿Qué es el magnetismo?

En el capítulo I vimos que los griegos descubrieron la capacidad que tenía el ambar (elektron) para atraer algunos cuerpos después de ser frotado.

Los griegos también descubrieron que una roca llamada magnetita atraía ciertos objetos metálicos.

La magnetita es un mineral de color negro y de aspecto metálico. Posiblemente su nombre está relacionado con la ciudad griega de Magnesia. Sin embargo, Plinio el Viejo cuenta en una fábula que el pastor Magnes descubrió que los clavos de su calzado atraían a este mineral.

Sin importar de donde venga su nombre, lo cierto es que la magnetita atrae al hierro. Es decir, es un imán natural.

Magnetita Mineral de magnetita (negro) y pirita (dorado). Foto: Archaeodontosaurus

Sí, la magnetita es un imán natural pero como veremos en este capítulo, también hay imanes artificiales. Una rama de la física, llamada magnetismo, estudia los efectos que un imán produce sobre otro (o sobre una corriente eléctrica).

Definición de magnetismo

En el Gran diccionario de la Lengua Española Larousse, la palabra magnetismo tiene dos acepciones relacionadas con la física:

1. Fuerza de tracción o repulsión producida por un imán o una corriente eléctrica.

2. Disciplina que estudia los efectos producidos por los imanes o corrientes eléctricas.

En conclusión: el magnetismo es el poder de atracción que tienen los imanes sobre algunos metales (los ferromagnéticos) o sobre otros imanes. Y el magnetismo también es la rama que estudia estos fenómenos.

Imanes naturales y artificiales (permanentes o temporales)

En esta sección estudiaremos la diferencia que existe entre los imanes naturales y los artificicales.

¿Qué son los imanes naturales y para qué sirven?

La magnetita, como ya hemos visto, es un imán natural que puede atraer partículas de hierro. Pero ¿cuáles son los usos de la magnetita? ¿Para qué sirve su capacidad de atracción?

¿A quién no se le ha caído una caja de clavos o tornillos al suelo? Siempre que sean de hierro, con la ayuda de un imán se pueden recuperar fácilmente, incluso si han caído sobre serrín o sobre arena. Sin embargo, aunque esto pueda ahorrarnos tiempo, tampoco es demasido útil.

Piedra magnetita atrae clavos iman Los griegos descubrieron que la magnetita podía atraer a los clavos de hierro

Ya hace más de dos milenios desde que el hombre descubrió que un imán natural suspendido de una cuerda se orientaba hacia el norte, como por arte de magia. A diferencia del ejemplo anterior, esto sí fue realmente útil, pues estamos hablando nada menos que de la invención de la brújula.

Parece ser que ya en el siglo II a.C., los geománticos chinos (un tipo de adivinos) experimentaron con las piedras de imán para fabricar una cuchara que pudiera señalar al sur en sus sesiones de adivinación. Se observó que cuando se colocaba en plato de bronce liso, la cuchara se alineaba en el eje norte-sur.

Una piedra de magnetita colgada de una cuerda o puesta sobre una tabla de madera que flote también tiene la capacidad de mirar al norte, y ello le sirvió a los navegantes en la antiguedad para guiarse en sus viajes.

Brújula La brújula usa una aguja magnetizada para orientarse hacia el norte. Antes de su invención se usó un imán natural suspendido de una cuerda para lo mismo.

Más tarde estas primitivas brújulas serían perfeccionadas. Esto sucedió al descubrir que era posible fabricar un imán artificial frotando un trozo de acero con un imán. La brújula no es más que una aguja magnetizada que puede girar libremente sobre un eje en el que apenas existe rozamiento.

Pero ¿por qué se orienta una brújula hacia el norte? Ello es debido a que la tierra se comporta como un imán natural gigante. Es el propio magnetismo de la tierra el responsable de orientar la aguja hacia el polo norte magnético, que curiosamente no coincide exactamente con el polo norte geográfico: está desplazado unos 1600 km.

Lo que es más sorprendente es que el polo norte magnético se desplaza a una velocidad de 40 km/año (100 m/día). De hecho, a lo largo de un ciclo que miles de años el polo invierte su polaridad, es decir, se convierte en polo sur. La última vez que el polo norte magnético estuvo situado en el hemisferio sur fue hace unos 780 000 años.

Pero dejemos aparcados los imanes naturales, pasemos a ver los imanes artificiales.

¿Qué es un imán artificial? Tipos de imanes artificiales

Los imanes artificiales son aquellos que no se dan de manera directa en la naturaleza. En la antigüedad se descubrió que al frotar una pieza de hierro con un imán natural esta quedaba imantada.

Los imanes artificiales pueden ser de dos tipos:

  • Imanes temporales: son fáciles de imantar, pero también se desmagnetizan rápidamente. Ejemplo: imán de hierro dulce.
  • Imanes permanentes: mantienen durante más tiempo el magnetismo. Ejemplo: imán de aleación de neodimio.

Los polos de un imán

No todas las partes del imán tienen la misma fuerza de atracción. Los extremos del imán tienen un mayor magnetismo: estos puntos son conocidos como los polos de un imán.

Un imán tiene dos polos:

  • Polo norte: apuntará hacia el norte de la Tierra, siempre que el imán pueda girar libremente.
  • Polo sur: está en el extremo opuesto al norte.

Los imanes pueden tener muchas formas pero, por lo general, tienen forma de barra recta o de U (imán de herradura). El iman de herradura es una simple barra curvada y sus polos continúan estando en los extremos de dicha barra:

Polos de un imán

Polos norte y sur en un imán de herradura

¿Qué pasa cuando se rompe un imán?

Si tenemos un imán de barra y lo rompemos por la mitad, ¿siguen siendo imanes las partes resultantes? ¿Queda el polo norte por un lado y el sur por el otro?

En efecto, al romper un imán, pasamos a tener dos imanes más pequeños. Y los polos de estos nuevos imanes ocupan la misma posición que tenían en el imán originario:

División de un imán Con cada división de un imán se obtienen dos nuevos imanes y los polos mantienen su posición

Este es un buen momento para recordar lo que vimos en el capítulo anterior sobre las cargas eléctricas. Dijimos que las cargas eléctricas de signo diferente se atraen y las de mismo signo se repelen.

Pues bien, con los polos de un imán ocurre lo mismo: polos iguales se repelen y polos diferentes se atraen. Eso significa que al romper el imán los trozos se quedan pegados entre sí, como si nunca lo hubiesemos roto.

Así como, en su momento, dividimos la materia en fragmentos cada vez más pequeños para descubrir los electrones, ¿qué ocurre si seguimos dividiendo un imán? ¿Cuál es la partícula esencial que define a un imán?

Los dominios magnéticos

Los dominios magnéticos son grupos de átomos que están presentes en los materiales ferromagnéticos que, cuando están alineados, son los responsables del magnetismo en dicho material.

Un material magnético puede estar desmagnetizado. En este caso, los dominios están orientados de manera aleatoria y, en consecuencia, el material no tiene magnetismo. Al frotar este material con un imán, los dominios se alinean y el material queda imantado.

Dominios magnéticos en imán de neodimio Granos de la estructura microcristalina en un imán de aleación de neodimio, hierro y boro. Los dominios magnéticos son las franjas horizontales que se pueden ver dentro de cada grano. En el grano resaltado se ven los extremos de las franjas, al estar estas en perpendicular. Foto: Gorchy

La diferencia entre un imán permanente y uno temporal es que en el imán permanente los dominios magnéticos se quedan alineados, mientras que en el temporal vuelven a disponerse al azar.

El siguiente capítulo estará dedicado a los campos magnéticos.

Resumen

Algunos materiales tienen la capacidad de atraer a ciertos materiales ferromagnéticos como el hierro: son los imanes. Los imanes pueden ser naturales o artificiales, permanentes o temporales.

El magnetismo se define como el efecto de atracción que poseen los imanes y también como la rama de la física que estudia estos y otros fenómenos relacionados con los imanes y la electricidad.

En los extremos de un imán, es decir, en los polos, el magnetismo es más intenso. Un iman tiene dos polos, llamados norte y sur. El polo norte se llama así porque, siempre que el imán pueda girar libremente, se orienta hacia el polo norte magnético de la tierra. La Tierra se comporta como un imán natural gigante.

Al frotar un material ferromagnético con un imán, unos grupos de átomos conocidos como dominios magnéticos pueden quedar alineados de manera temporal o permanente. Es así como se pueden construir imanes artificales temporales (los dominios se vuelven a orientar al azar una vez que se retira la causa que los ha alineado) o permanentes (los dominios quedan alineados).

Apuntes adicionales: ¿cómo se magnetiza la magnetita?

Ahora que hemos visto que los materiales magnéticos pueden estar magnetizados, o no, en función de la alineación de sus dominios magnéticos, cabe preguntarse si la magnetita es un imán natural o más bien un material ferromagnético que ha sido imantado naturalmente.

Una piedra de imán es un fragmento de magnetita que se ha imantado de manera natural pero ¿cuál es la causa natural que ha producido la alineación de sus dominios magnéticos?

Se sabe que solo una pequeña parte de la magnetita está magnetizada, esto es, convertida en piedra de imán. Los geólogos llevan tiempo preguntándose cómo se magnetiza la magnetita y han alcanzado varias conclusiones y teorías:

  • Se descarta que el campo magnético de la Tierra sea el responsable de su magnetización (pues es demasiado débil)
  • Se sabe que la mayoría de las piedras de imán (magnetita magnetizada) se encuentran en la superficie de la Tierra
  • Por tanto, la teoría principal es que han sido imantadas por los campos magnéticos que producen los rayos cuando descargan la electricidad estática de la nube en la tierra.

Como veremos más adelante, una corriente eléctrica produce un campo magnético alrededor del material conductor que transporta dicha electricidad. La corriente eléctrica de un relámpago es muy elevada y, por tanto, también lo es su campo magnético.

Por otro lado, como ya hemos visto, cuando un material ferromagnético (la magnetita) se somete al campo magnético que produce un imán, este alinea sus dominios magnéticos (convirtiendose así en piedra de imán, al menos según la teoría actual).

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