Un imán artificial es un cuerpo de material ferromagnético al que se ha comunicado la propiedad del magnetismo, ya sea mediante frotamiento con un imán natural o por la acción de corrientes eléctricas aplicadas en forma conveniente (electroimanación):
Imanes artificiales permanentes.- Son las sustancias magnéticas que al frotarlas con la magnetita, se convierten en imanes, y conservan durante mucho tiempo su propiedad de atracción.
Imanes artificiales temporales.- Aquellos que producen un campo magnético sólo cuando circula por ellos una corriente eléctrica. Un ejemplo es el electroimán.
Un
electroimán es un tipo de imán en el que el
campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente.
Fue inventado por el electricista británico William Sturgeon en 1825. El primer electroimán era un trozo de hierro con forma de herradura envuelto por una bobina enrollada sobre él. Sturgeon demostró su potencia levantando 4 kg con un trozo de hierro de 200 g envuelto en cables por los que hizo circular la corriente de una batería. Sturgeon podía regular su electroimán, lo que supuso el principio del uso de la energía eléctrica en máquinas útiles y controlables, estableciendo los cimientos para las comunicaciones electrónicas a gran escala.
El tipo más simple de electroimán es un trozo de cable enrollado. Una bobina con forma de tubo recto (parecido a un tornillo) se llama
solenoide, y cuando además se curva de forma que los extremos coincidan se denomina
toroide. Pueden producirse campos magnéticos mucho más fuertes si se sitúa un «núcleo» de material paramagnético o
ferromagnético (normalmente
hierro dulce) dentro de la bobina. El núcleo concentra el campo magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia bobina.
Los campos magnéticos generados por bobinas de cable se orientan según la regla de la mano derecha. Si los dedos de la mano derecha se cierran en torno a la dirección de la corriente que circula por la bobina, el pulgar indica la dirección del campo dentro de la misma. El lado del imán del que salen las líneas del campo se define como «polo norte».
Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4) oartificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. Podemos decir que un imánpermanente es aquel que conserva el magnetismo después de haber sido imantado. Un imán temporalno conserva su magnetismo tras haber sido imantado.
En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural.
TIPOS DE IMANES.
Según su origen:
IMANES NATURALES: se refiere a minerales naturales, los cuales tienen la propiedad de atraer elementos como el hierro, el níquel, etc.
La magnetita es un imán de este tipo, compuesto por óxido ferroso férrico, cuya particularidad principal consiste en atraer fragmentos de hierro natural.
IMANES ARTIFICIALES: esta denominación recae sobre aquellos cuerpos magnéticos que, tras friccionarlos con magnetita se transforman de manera artificial en imanes.
Según la perduración de sus propiedades magnéticas:
IMANES TEMPORALES: los imanes temporales están conformados por hierro dulce y se caracterizan por poseer una atracción magnética de corta duración.
IMANES PERMANENTES: con este término se alude a aquellos imanes constituidos por acero, los cuales conservan la propiedad magnética por un tiempo perdurable.
IMANES CERÁMICOS O FERRITAS. Esta clase de imanes tiene un aspecto liso y color grisáceo. Suelen ser de los más utilizados debido a su maleabilidad. Aunque, por otro lado, al ser frágiles, corren el riesgo de romperse con facilidad.
IMANES DE ALNICO: el nombre deriva de una contracción de las palabras: aluminio, níquel y cobalto, elementos de los que se compone. Esta clase de imanes presentan un buen comportamiento frente a la presencia de altas temperaturas, sin embargo, no cuentan con considerable fuerza.
IMANES DE TIERRAS RARAS: esta clase de imanes se subdividen en dos categorías de acuerdo al material químico del que se compone:
- Neodimio: están formados por hierro, neodimio y boro. Presentan una oxidación fácil, y se utilizan en aquellos casos donde las temperaturas no alcanzan los 80º C.
- Samario cobalto: no suelen oxidarse de manera fácil, aunque el precio al que cotizan es muy elevado.
IMANES FLEXIBLES: como su nombre lo indica, estos imanes poseen una gran flexibilidad. Están compuestos por partículas magnéticas como el estroncio y el hierro. Las desventajas de los imanes flexibles son la baja resistencia a la oxidación y su escasa potencia magnética.
En 1819, el físico
danés Hans Christian Ørsted descubrió que una corriente eléctrica que circula por un conductor produce un efecto magnético que puede ser detectado con la ayuda de una brújula. Basado en sus observaciones, el físico
estadounidense Joseph Henry inventó el electroimán en 1825. El primer electroimán era un trozo de hierro con forma de herradura envuelto por una bobina enrollada sobre él. Henry envolvió los cables por los que hizo circular la corriente de una
batería. Henry podía regular su electroimán, lo que supuso el principio del uso de la energía eléctrica en máquinas útiles y controlables, estableciendo los cimientos para las comunicaciones electrónicas a gran escala.
La principal ventaja de un electroimán sobre un
imán permanente es que el campo magnético puede ser rápidamente manipulado en un amplio rango controlando la cantidad de corriente eléctrica. Sin embargo, se necesita una fuente continua de energía eléctrica para mantener el campo.
Cuando una corriente pasa por la bobina, pequeñas regiones magnéticas dentro del material, llamadas
dominios magnéticos, se alinean con el campo aplicado, haciendo que la fuerza del campo magnético aumente. Si la corriente se incrementa, todos los dominios terminarán alineándose, condición que se denomina
saturación. Cuando el núcleo se satura, un mayor aumento de la corriente sólo provocará un incremento relativamente pequeño del campo magnético. En algunos materiales, algunos dominios pueden realinearse por sí mismos. En este caso, parte del campo magnético original persistirá incluso después de que se retire la corriente, haciendo que el núcleo se comporte como un imán permanente. Este fenómeno, llamado
remanencia, se debe a la
histéresis del material. Aplicar una
corriente alterna decreciente a la bobina, retirar el núcleo y golpearlo o calentarlo por encima de su
punto de Curie reorientará los dominios, haciendo que el campo residual se debilite o desaparezca.
En aplicaciones donde no se necesita un campo magnético variable, los imanes permanentes suelen ser superiores. Además, es posible fabricar imanes permanentes que producen campos magnéticos más fuertes que un electroimán de tamaño similar.
Funcionamiento......
El material del núcleo del imán (generalmente hierro) se compone de pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos que actúan como pequeños imanes. Antes que la corriente en el electroimán este activada, los dominios en el núcleo de hierro están en direcciones al azar, por lo que sus campos magnéticos pequeños se anulan entre sí, el hierro aun no tiene un campo magnético de gran escala. Cuando una corriente pasa a través del alambre envuelto alrededor de la plancha, su campo magnético penetra en el hierro, y hace que los dominios giren, alineándose en paralelo al campo magnético, por lo que sus campos magnéticos diminutos se añaden al campo del alambre, creando un campo magnético que se extiende en el espacio alrededor del imán. Cuanto mayor es la corriente que pasa a través de la bobina de alambre, más dominios son alineados, aumentando la intensidad del campo magnético. Finalmente, todos los dominios estarán alineados, nuevos aumentos en la corriente sólo causan ligeros aumentos en el campo magnético: este fenómeno se denomina saturación. Cuando la corriente en la bobina está desactivada, la mayoría de los dominios pierden la alineación y vuelven a un estado aleatorio y así desaparece el campo. Sin embargo en algunos la alineación persiste, ya que los dominios tienen dificultades para perder su dirección de magnetización, dejando en el núcleo un imán permanente débil. Este fenómeno se llama histéresis y el campo magnético restante se llama magnetismo remanente. La magnetización residual del núcleo se puede eliminar por desmagnetización.
imanes naturales
QUE ES UN IMAN:
Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4) oartificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. Podemos decir que un imánpermanente es aquel que conserva el magnetismo después de haber sido imantado. Un imán temporalno conserva su magnetismo tras haber sido imantado.
En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural.
IMANES NATURALES: se refiere a minerales naturales, los cuales tienen la propiedad de atraer elementos como el hierro, el níquel, etc.
La magnetita es un imán de este tipo, compuesto por óxido ferroso férrico, cuya particularidad principal consiste en atraer fragmentos de hierro natural.
PROPIEDADES
Los imanes poseen dos zonas en las que se concentra la fuerza que ejercen, estas zonas son los extremos del imán y reciben el nombre de polos magnéticos, norte y sur. Los polos del mismo nombre se repelen y los polos opuestos se atraen. Compruébalo.
EJEMPLOS:
imanes naturales: son aquellos que se encuentran en la Tierra y que atraen al hierro. Denominados magnetita ,Un imán natural es un mineral con propiedades magnéticas (magnetita).
PRINCIPAL EJEMPLO DE IMAN NATURAL:
LA TIERRA ES UN IMAN GIGANTESCO
Porque posee un campo magnetico natural. Este se debe a que en el centro del planeta existen metales liquidos (por la temperatura tan alta que hay ahi), y cuando estos se mueven producen un campo magnetico que es detectable de manera sencilla. Un ejemplo sencillo son las auroras boreales; estos son fenomenos muy bonitos en donde al entrar particulas cargadas del espacio a la tierra, producen colores muy llamativos en la atmosfera.
propiedades macneticas
Fuerzas magnéticas
Las fuerzas magnéticas se generan mediante el movimiento de partículas cargadas
Eléctricamente; existen junto a las fuerzas electrostáticas.
Distribuciones del campo magnético de :
•una espira por la que circula corriente y
•de un imán en forma de barra.
En los materiales magnéticos existen polos magnéticos,
Son análogos a los dipolos eléctricos.
Los dipolos magnéticos pueden considerarse como
pequeños imanes formados por un polo norte y un polo sur.
Dentro de un campo magnético, la fuerza del campo
orienta los dipolos en la dirección del campo • Si el campo magnético es generado por medio de una bobina cilíndrica formada
Por N espiras:
• Entonces, H:
L
N I
H
Campo magnético aplicado
unidades = (ampere-vuelta/m)
corriente
Campo magnético aplicado
Campo magnético
Aplicado, H
Corriente, I
N = número de vueltas
L = longitud total
Campo magnético aplicado o intensidad del campo magnético, H • La inducción magnética o densidad de flujo magnético, B, es la intensidad de campo
magnético dentro de una sustancia que es sometida a un campo H
Inducción magnética
corriente I
B = Inducción magnética (tesla)
Dentro
del material
La intensidad del campo magnético y la densidad de flujo están relacionadas: B= H
Donde es la permeabilidad B0= 0H
es la permeabilidad del vacío
=4 x10-7
H/m Magnetización
• Susceptibilidad magnética, (adimensional)
Mide la respuesta del material
relativa al vacío
H
B
vacío
= 0
> 0
< 0
La magnetización, M, de un sólido se define como: B0= 0H+ 0M
En presencia de un campo H, los momentos magnéticos dentro del material tienden a
alinearse con el campo y a reforzarlo en virtud de sus momentos magnéticos.
La magnitud de M es proporcional al campo aplicado: M= mH
Donde m es la susceptibilidad magnética. 6
• Mide la respuesta de los electrones a un campo magnético.
• Los electrones producen momentos magnéticos:
• Momento magnético neto:
--suma de los momentos de todos los electrones.
• Tres tipos de respuesta...
Susceptibilidad magnética
Momentos magnéticos
electrón
nucleo
electrón
spin
Las propiedades magnéticas macroscópicas de los materiales son consecuencia de los
Momentos magnéticos de los electrones individuales.
El momento magnético más fundamental es el Magnetón de Bohr B=9.27x10-24
A-m2
. 7
3 tipos de magnetismo
Inducción Magnética
B (tesla)
Campo magnético aplicado (H)
(ampere-vuelta/m)
vacío ( = 0)
diamagnético -5 (1) ( ~ -10 )
Ej. Al 2 O 3
, Cu, Au, Si, Ag, Zn
ferromagnético ej. Fe3O4
, NiFe2O4
ferrimagnético ej. ferrita( ), Co, Ni, Gd
(3)
( hasta 10
6
!)
(2)
paramagnético
Ej. Al, Cr, Mo, Na, Ti, Zr
( ~ 10
-4
)
permeabilidad del vacío:
(1.26 x 10-6 Henries/m)
B (1 )
o
H8
Momentos magnéticos de tres tipos
Sin campo
Magnético aplicado (H = 0) Aplicado
Campo magnético(H)
(1) diamagnético
none
opposing
(2) paramagnético
random
aligned
(3) ferromagnético
ferrimagnético
aligned
aligned
Diamagnetismo
• Es una forma muy débil de magnetismo que no es
permanente y presiste sólo mientras el campo
externo está presente.
• Es inducido por un cambio en el movimiento
orbital de los electrones debido al campo
magnético aplicado.
• Momento magnético es muy pequeño y tiene
dirección opuesta al campo.
• Los materiales diamagnéticos No tienen
aplicación práctica Paramagnetismo
• En algunos materiales sólidos, cada átomo posee
un momento magnético dipolar permanente, por
la cancelación incompleta del espín de los
electrones.
• En ausencia de campo magnético aplicado estos
momentos magnéticos atómicos son al azar y son
libre para girar.
• En presencia del campo aplicado los momentos
pueden girar y alinearse con el campo.
• Susceptibilidad magnética pequeña pero positiva.
Ferromagnetismo
• Ciertos materiales poseen un momento magnético
permanente en ausencia de campo externo aplicado
• Manifiestan magnetizaciones permanentes muy
grandes.
• Tienen susceptibilidades magnéticas hasta de 106
.
• Los momentos magnéticos se deben al espín de los
electrones no cancelados.
• Hay fuerzas de acoplamiento que hacen que los
momentos de átomos adyacentes se orienten.
• Esta alineación mutua de los espines se presenta en
volúmenes grandes del cristal dominios.
12
• Cuando el campo aplicado (H) aumenta...
--los momentos magnéticos se alinean con H.
Materiales ferromagnéticos
Campo magnético aplicado(H)
Magnética (B)
Inducción
0
B sat
H = 0
H
H
H
H
H
Los “Dominios” con
momentos magnéticos
crecen a expensas de
los poco alineados. Magnetización de saturación
• Magnetización de saturación Ms
:
• Resulta cuando todos los dipolos magnéticos
en una pieza sólida están mutuamente
alineados con el campo externo.
• También existe la correspondiente densidad
de flujo de saturación Bs
.
• La magnetización de saturación es igual al
producto del momento magnético neto de
cada átomo y el número de átomos presentes.
