¿Para qué usamos los imanes?

Quizás pienses que los imanes son interesantes; ¡quizás pienses que son aburridos! ¿Qué uso tienen, te preguntarás, aparte de en los trucos de magia infantiles y en los astilleros?

Te sorprendería saber cuántas cosas a tu alrededor funcionan por magnetismo o electromagnetismo. Todos los aparatos eléctricos con motor eléctrico (desde el cepillo de dientes hasta el cortacésped) utilizan imanes para convertir la electricidad en movimiento. El campo magnético así producido empuja contra el campo fijo de un imán permanente, haciendo girar la parte interior del motor a gran velocidad. Se puede aprovechar este movimiento giratorio para accionar todo tipo de máquinas.

En su frigorífico hay imanes que mantienen la puerta cerrada. Los imanes leen y escriben datos (información digital) en el disco duro de su ordenador y en las cintas de casete de los antiguos equipos de música. Más imanes en los altavoces o auriculares ayudan a convertir la música almacenada en sonidos que se pueden escuchar. Si padece una enfermedad interna grave, puede someterse a un tipo de escáner corporal llamado RMN (resonancia magnética nuclear), que dibuja el mundo bajo su piel mediante patrones de campos magnéticos. Los imanes se utilizan para reciclar la basura metálica (las latas de comida de acero son fuertemente magnéticas, pero las latas de bebidas de aluminio no lo son, por lo que un imán es una manera fácil de separar los dos metales diferentes).

Foto: Un escáner de RMN como éste construye una imagen detallada del cuerpo de un paciente (o, en este caso, de su cabeza) en una pantalla de ordenador utilizando la actividad magnética de los átomos de su tejido corporal. Se puede ver al paciente entrando en el escáner en la parte superior y la imagen de su cabeza en la pantalla inferior. Foto por cortesía del Centro Clínico Warren Grant Magnuson (CC) y de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de los Estados Unidos.

¿Qué materiales son magnéticos?

El hierro es el rey de los materiales magnéticos, el metal en el que todos pensamos cuando pensamos en imanes. La mayoría de los otros metales comunes (como el cobre, el oro, la plata y el aluminio) son, a primera vista, no magnéticos y la mayoría de los no metales (incluyendo el papel, la madera, el plástico, el hormigón, el vidrio y los textiles como el algodón y la lana) también son no magnéticos. Pero el hierro no es el único metal magnético. El níquel, el cobalto y los elementos que pertenecen a una parte de la Tabla Periódica (la ordenación que utilizan los químicos para describir todos los elementos químicos conocidos) conocida como metales de tierras raras (en particular, el samario y el neodimio) también son buenos imanes. Algunos de los mejores imanes son aleaciones (mezclas) de estos elementos entre sí y con otros elementos. Las ferritas (compuestos de hierro, oxígeno y otros elementos) también son excelentes imanes. La piedra caliza (también llamada magnetita) es un ejemplo de ferrita que se encuentra habitualmente en el interior de la Tierra (tiene la fórmula química FeO-Fe2O3).

Materiales como el hierro se convierten en buenos imanes temporales cuando se pone un imán cerca de ellos, pero tienden a perder parte o todo su magnetismo cuando se vuelve a quitar el imán. Por el contrario, las aleaciones de hierro y los metales de tierras raras conservan la mayor parte de su magnetismo incluso cuando se retiran de un campo magnético, por lo que son buenos imanes permanentes. A estos materiales los llamamos magnéticamente duros.

¿Es cierto que todos los materiales son magnéticos o no magnéticos? La gente solía pensar eso, pero los científicos saben ahora que los materiales que consideramos no magnéticos también se ven afectados por el magnetismo, aunque de forma extremadamente débil. El grado de magnetización de un material se denomina susceptibilidad.

Cómo reaccionan los distintos materiales ante el magnetismo

Los científicos tienen varias palabras para describir cómo se comportan los materiales cuando se les acerca un imán (que es otra forma de decir cuando se les pone dentro de un campo magnético). A grandes rasgos, dividimos todos los materiales en dos tipos: paramagnéticos y diamagnéticos, aunque algunos de los materiales paramagnéticos también son ferromagnéticos. Es importante tener claro lo que significan realmente estas confusas palabras…

Paramagnético

Haga una muestra de un material magnético y cuélguela de un hilo para que se enrosque en un campo magnético, y se magnetizará y se alineará para que su magnetismo sea paralelo al campo. Como se sabe desde hace miles de años, éste es el comportamiento exacto de la aguja de una brújula en el campo magnético de la Tierra. Los materiales que se comportan de este modo se denominan paramagnéticos. Los metales como el aluminio y la mayoría de los no metales (que se podría pensar que no son magnéticos en absoluto) son realmente paramagnéticos, pero tan débilmente que no lo notamos. El paramagnetismo depende de la temperatura: cuanto más caliente está un material, menos probable es que le afecten los imanes cercanos.

Foto: Consideramos que el aluminio (utilizado en latas de bebidas como estas) no es magnético. Eso nos ayuda a separar para el reciclaje nuestras latas de aluminio (que no se pegan a los imanes) de las de acero (que sí lo hacen). De hecho, ambos materiales son magnéticos. La diferencia es que el aluminio es muy débilmente paramagnético, mientras que el acero es fuertemente ferromagnético. Foto cortesía de la Fuerza Aérea de EE.UU.

Ferromagnéticos

Algunos materiales paramagnéticos, en particular el hierro y los metales raros de la Tierra, se magnetizan fuertemente en un campo y normalmente se mantienen imantados incluso cuando se retira el campo. Decimos que estos materiales son ferromagnéticos, lo que en realidad significa que son «magnéticos como el hierro». Sin embargo, un material ferromagnético perderá su magnetismo si se calienta por encima de un determinado punto, conocido como su temperatura de Curie. El hierro tiene una temperatura de Curie de 770°C (1300°F), mientras que para el níquel la temperatura de Curie es de ~355°C (~670°F). Si se calienta un imán de hierro a 800°C (~1500°F), deja de ser un imán. También se puede destruir o debilitar el ferromagnetismo si se golpea un imán repetidamente.

Diamagnéticos

Podemos pensar que los materiales paramagnéticos y ferromagnéticos son «fans» del magnetismo: en cierto sentido, les «gusta» el magnetismo y responden positivamente a él dejándose magnetizar. No todos los materiales responden con tanto entusiasmo. Si se cuelgan algunos materiales en campos magnéticos, se alteran bastante por dentro y se resisten: se convierten en imanes temporales para resistir la magnetización y repelen débilmente los campos magnéticos fuera de ellos. A estos materiales los llamamos diamagnéticos. El agua y muchas sustancias orgánicas (basadas en el carbono), como el benceno, se comportan así. Ate un material adiamagnético a un hilo y cuélguelo en un campo magnético y girará de forma que forme un ángulo de 180° con el campo.

¿Qué causa el magnetismo?

A principios del siglo XX, antes de que los científicos comprendieran bien la estructura de los átomos y su funcionamiento, idearon una idea fácil de entender llamada teoría de los dominios para explicar el magnetismo. Unos años más tarde, cuando comprendieron mejor los átomos, descubrieron que la teoría de los dominios seguía funcionando, pero que podía explicarse, a un nivel más profundo, por la teoría de los átomos. Todos los aspectos del magnetismo que observamos pueden explicarse, en última instancia, hablando de dominios, de electrones en los átomos o de ambos. Veamos las dos teorías sucesivamente.

Explicando el magnetismo con la teoría de los dominios

Imagina una fábrica en algún lugar que hace pequeños imanes de barra y los envía a las escuelas para sus clases de ciencias. Imagina a un tipo llamado Dave que tiene que conducir su camión, transportando un montón de cajas de cartón, cada una con un imán dentro, a una escuela diferente. Dave no tiene tiempo para preocuparse de cómo están apiladas las cajas, así que las apila en su camión de cualquier manera. El imán de una caja puede apuntar al norte, mientras que el de la siguiente apunta al sur, al este o al oeste. En general, los imanes están todos mezclados, por lo que, aunque los campos magnéticos se escapan de cada caja, todos se anulan entre sí.

La misma fábrica emplea a otro camionero llamado Bill que no podría ser más diferente.Le gusta que todo esté ordenado, por lo que carga su camión de una manera diferente, apilando todas las cajas ordenadamente para que se alineen exactamente de la misma manera. ¿Puedes ver lo que sucederá? El campo magnético de una caja se alineará con el campo de todas las demás cajas… convirtiendo el camión en un imán gigante. La cabina será como un polo norte gigante y la parte trasera del camión un enorme polo sur.

Lo que ocurre dentro de estos dos camiones es lo que ocurre a pequeña escala dentro de los materiales magnéticos. Según la teoría de los dominios, algo como una barra de hierro contiene bolsas diminutas llamadas dominios. Cada dominio es un poco como una caja con un imán dentro. ¿Ves a dónde vamos? La barra de hierro es como el camión. Normalmente, todas sus «cajas» a bordo están dispuestas al azar y no hay magnetismo global: el hierro no está magnetizado. Pero si se ordenan todas las cajas y se orientan en la misma dirección, se obtiene un campo magnético global: ¡oh!, la barra está magnetizada.Cuando se acerca un imán a una barra de hierro no magnetizada y se la acaricia sistemática y repetidamente hacia arriba y hacia abajo, lo que se hace es reordenar todas las «cajas» magnéticas (dominios) de su interior para que apunten en la misma dirección.

La teoría de los dominios explica lo que ocurre dentro de los materiales cuando están magnetizados. En un material sin magnetizar (izquierda), los dominios están dispuestos al azar, por lo que no hay un campo magnético global. Cuando se magnetiza un material (derecha), al pasar una barra magnética sobre él repetidamente en la misma dirección, los dominios se reorganizan para que sus campos magnéticos se alineen, produciendo un campo magnético combinado en la misma dirección.

Esta teoría explica cómo puede surgir el magnetismo, pero ¿puede explicar algunas de las otras cosas que sabemos sobre los imanes? Si se corta un imán por la mitad, sabemos que se obtienen dos imanes, cada uno con un polo norte y otro sur. Eso tiene sentido según la teoría de los dominios. Si cortas un imán por la mitad, obtienes un imán más pequeño que todavía está lleno de dominios, y éstos pueden estar dispuestos de norte a sur como en el imán original. ¿Y qué hay de la forma en que el magnetismo desaparece cuando se golpea un imán o se calienta? Eso también se puede explicar. Imagina de nuevo la furgoneta llena de cajas ordenadas. Condúcela erráticamente, a una velocidad muy alta, y es como si la sacudieras o la martillaras. Todas las cajas se desordenan de manera diferente y el magnetismo general desaparece.Calentar un imán lo agita internamente y desordena las cajas de manera muy similar.

Explicación del magnetismo con la teoría atómica

La teoría del dominio es bastante fácil de entender, pero no es una explicación completa. Sabemos que las barras de hierro no están llenas de cajas repletas de pequeños imanes y, si lo pensamos bien, tratar de explicar un imán diciendo que está lleno de imanes más pequeños no es realmente una explicación, porque inmediatamente provoca la pregunta: ¿de qué están hechos los imanes más pequeños? Afortunadamente, hay otra teoría a la que podemos recurrir.

En el siglo XIX, los científicos descubrieron que podían usar la electricidad para hacer magnetismo y el magnetismo para hacer electricidad. JamesClerk Maxwell dijo que ambos fenómenos eran en realidad aspectos diferentes de la misma cosa -el electromagnetismo-, como dos caras de la misma hoja de papel. El electromagnetismo era una idea brillante, pero era más una descripción que una explicación: mostraba cómo eran las cosas en lugar de explicar por qué eran así. No fue hasta el siglo XX, cuando los científicos llegaron a comprender el mundo que hay dentro de los átomos, cuando finalmente apareció la explicación del electromagnetismo.

Sabemos que todo está hecho de átomos y que los átomos están formados por una masa central de materia llamada núcleo. Unas minúsculas partículas llamadas electrones se mueven alrededor del núcleo en órbita, un poco como los satélites en el cielo sobre nosotros, pero también giran sobre su eje al mismo tiempo (como las peonzas). Sabemos que los electrones transportan corrientes eléctricas (flujos de electricidad) cuando se mueven a través de materiales como los metales. En el siglo XIX, los científicos sabían que la electricidad en movimiento era el magnetismo. En el siglo XX, quedó claro que el magnetismo se debe a que los electrones se mueven dentro de los átomos y crean campos magnéticos a su alrededor. Los dominios son, en realidad, grupos de átomos en los que los electrones que giran producen un campo magnético global que apunta en una dirección u otra.

Obra de arte: El magnetismo es causado por los electrones que orbitan y giran dentro de los átomos. Tenga en cuenta que esta imagen no está dibujada a escala: la mayor parte de un átomo es espacio vacío y los electrones están en realidad mucho más lejos del núcleo de lo que he dibujado aquí.

Al igual que la teoría de los dominios, la teoría atómica puede explicar muchas de las cosas que conocemos sobre los imanes, incluyendo el paramagnetismo (la forma en que los materiales magnéticos se alinean con los campos magnéticos). La mayoría de los electrones de un átomo existen en pares que giran en direcciones opuestas, por lo que el efecto magnético de un electrón de un par anula el efecto de su compañero. Pero si un átomo tiene algunos electrones no apareados (los átomos de hierro tienen cuatro), éstos producen campos magnéticos netos que se alinean entre sí y convierten al átomo entero en un mini imán. Cuando se pone un material paramagnético como el hierro en un campo magnético, los electrones cambian su movimiento para producir un campo magnético que se alinea con el campo exterior.

¿Y el diamagnetismo? En los materiales diamagnéticos, no hay electrones no apareados, por lo que esto no ocurre. Los átomos tienen poco o ningún magnetismo global y se ven menos afectados por los campos magnéticos exteriores. Sin embargo, los electrones que orbitan en su interior son partículas cargadas eléctricamente y, cuando se mueven en un campo magnético, se comportan como cualquier otra partícula cargada eléctricamente en un campo magnético y experimentan una fuerza. Esto cambia sus órbitas muy ligeramente, produciendo un magnetismo neto que se opone a lo que lo causa (según la clásica ley de Lenz, que está relacionada con la ley de conservación de la energía). Como resultado, el débil campo magnético que producen se opone al campo magnético que lo causa, que es exactamente lo que vemos cuando los materiales diamagnéticos intentan «luchar» contra el campo magnético en el que se encuentran.

Una breve historia del magnetismo

• El mundo antiguo: El magnetismo es conocido por los antiguos griegos, romanos y chinos. Los chinos utilizan brújulas geománticas (con inscripciones de madera dispuestas en anillos alrededor de una aguja magnética central) en elFeng Shui. Los imanes reciben su nombre de Manisa, en Turquía, un lugar que en su día se llamó Magnesia, donde se encontró piedra magnética en el suelo.
• Siglo XIII: Las brújulas magnéticas se utilizan por primera vez para la navegación en los países occidentales. El francés Petrus Perigrinus (también llamado Peterof Maricourt) realiza los primeros estudios sobre el magnetismo.
• Siglo XVII: El médico y científico inglés William Gilbert (1544-1603) publica On Magnets, su monumental estudio científico sobre el magnetismo, y propone que la Tierra es un imán gigante.
• Siglo XVIII: El inglés John Michell(1724-93) y el francés CharlesAugustin de Coulomb (1736-1806) estudian las fuerzas que pueden ejercer los imanes. Coulomb también realiza importantes estudios sobre la electricidad, pero no consigue relacionar la electricidad y el magnetismo como partes de un mismo fenómeno subyacente.
• Siglo XIX: El danés Hans Christian Oersted(1777-1851), los franceses André-Marie Ampère(1775-1836) y Dominique Arago(1786-1853), y el inglés Michael Faraday(1791-1867) exploran las estrechas conexiones entre la electricidad y el magnetismo. JamesClerk Maxwell (1831-1879) publica una explicación relativamente completa de la electricidad y el magnetismo (la teoría del electromagnetismo) y sugiere que la energía electromagnética viaja en ondas (preparando el camino para la invención de la radio).Pierre Curie (1859-1906) demuestra que los materiales pierden su magnetismo por encima de cierta temperatura (ahora conocida como la temperatura de Curie). Wilhelm Weber (1804-1891)desarrolla métodos prácticos para detectar y medir la intensidad de un campo magnético.
• Siglo XX: Paul Langevin (1872-1946) desarrolla el trabajo deCurie con una teoría que explica cómo el magnetismo se ve afectado por el calor. El físico francés Pierre Weiss (1865-1940) propone que hay partículas llamadas magnetrones, equivalentes a los electrones, que causan las propiedades magnéticas de los materiales y esboza la teoría de los dominios magnéticos.Dos científicos estadounidenses, Samuel Abraham Goudsmit (1902-78) y George Eugene Uhlenbeck (1900-88), demuestran que las propiedades magnéticas de los materiales son el resultado del movimiento giratorio de los electrones en su interior.