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viernes, 24 de junio de 2011

El Magnetismo

Información básica acerca del campo magnético, procesos magnéticos, imanes, geomagnetismo, campos energéticos y más...

Por elDr. Miguel Ojeda Rios
Titular de Diplomado de Par Biomagnético
en la Universidad Autónoma Chapingo




El magnetismo es una propiedad de la materia, es una manifestación de la energía de los electrones, las partículas fundamentales de la carga eléctrica negativa. Los electrones son el origen fundamental del magnetismo y cada electrón tiene un momento magnético, es decir, cada uno se comporta como un pequeñísimo imán el cual puede actuar en cualquiera de dos direcciones opuestas. 

Las ecuaciones de Maxwell y la ley de Biot-Savart describen el origen y comportamiento de los campos que gobiernan estas fuerzas. El magnetismo siempre se manifiesta cuando existen partículas eléctricas en movimiento. Éste puede surgir ya sea del movimiento de los electrones en su desplazamiento orbital del núcleo, o por el spin (movimiento rotatorio) del electrón mismo. El spin del electrón, (una propiedad de la mecánica cuántica), en realidad es el efecto dominante dentro de los átomos y el movimiento orbital solo modifica ligeramente el campo magnético creado por el spin. Según la mecánica quántica, cuando se describe matemáticamente al electrón, resolviendo las ecuaciones de Paul A. M. Dirac solo hay dos posibles orientaciones del spin, llamadas “spin-up” y “spin-down”.   (El spin tiene el efecto de generar el “momento magnético” lo cual es un requisito para que se satisfaga el cuarto número cuántico, (parte de la mecánica cuántica). Puesto que en este trabajo no nos incumbe adentrarnos en la mecánica cuántica, solo mencionaremos que la suma de momentos magnéticos de los electrones determina el momento magnético total del átomo. 



El campo magnético creado por el spin de los electrones es el responsable del magnetismo de los imanes permanentes y de la atracción de ciertas sustancias a los imanes. Sin embargo, el campo también se manifiesta cuando un electrón libre (el que no se encuentra dentro del átomo) se mueve por el espacio o se mueve dentro de otro material, (lo que se llama corriente eléctrica), en cuyo caso se le denomina campo electromagnético.

La fuerza magnética se debe en realidad a la velocidad finita (velocidad de la luz) de una perturbación del campo eléctrico lo cual genera fuerzas que parecen actuar en una línea perpendicular al movimiento de las cargas. En efecto, la fuerza magnética es la porción de la carga eléctrica dirigida hacia el lugar que estaba la carga. Por esta razón, el magnetismo puede considerarse como una fuerza eléctrica la cual es una consecuencia directa de la teoría de relatividad.

La teoría moderna del magnetismo depone que todos los efectos magnéticos en realidad se deben a efectos relativísticos causados por el movimiento relativo entre el observador y las partículas cargadas. Como el magnetismo es causado por cargas en movimiento, todos los imanes de hecho, son electroimanes.
EL MOMENTO MAGNÉTICO

Como se menciona en párrafos anteriores, el momento magnético total del átomo es la resultante de la suma de todos los momentos magnéticos de los electrones individuales. Debido a la tendencia de los dipolos magnéticos a oponerse uno al otro para reducir la energía neta, en el átomo los momentos de la mayoría de los pares de electrones se cancelan uno al otro, tanto en su movimiento orbital como en sus momentos magnéticos de spin. Por lo tanto, en el caso de un átomo con un orbital o sub-orbital completamente lleno los momentos normalmente se cancelan uno al otro totalmente,  y solo los átomos con orbitales parcialmente llenos tienen un momento magnético neto, cuya fuerza depende del número de electrones sin pareja y también determina la formación del dipolo magnético del átomo, con dos polaridades distintas y opuestas.
 


Momento Magnético cancelado.                                    Momento magnético presente.



DIFERENTES CLASES DE MAGNETISMO

Puesto que la materia está compuesta de átomos que contienen uno o más electrones, podríamos esperar que toda la materia fuera magnética, pero la mayoría de los electrones forman pares con momentos magnéticos opuestos, lo cual cancela el efecto magnético neto. A las sustancias con estas características se les llama diamagnéticas, y en realidad son ligeramente repelidas por un imán; el agua por ejemplo.

En otros materiales, con cierta configuración de electrones, puede ocurrir el magnetismo pero solo en la presencia de campos magnéticos externos, ya sean permanentes o electromagnéticos. A esta forma de magnetismo se le llama paramagnetismo. Pero, a diferencia de los imanes permanentes o ferromagnéticos, éstos no retienen alguna magnetización en la ausencia de algún campo magnético externo.

Los átomos o moléculas constituyentes de los materiales paramagnéticos tienen momentos magnéticos permanentes, aun en la ausencia de un campo externo. Esto se debe a la presencia de electrones sin pareja, como se explicó en párrafos anteriores. Sin embargo, los dipolos están orientados al azar, debido a la agitación térmica, y normalmente no interactúan, resultando en un momento magnético total de cero. 

Cuando se aplique un campo magnético, los dipolos tenderán a alinearse en la dirección del campo, resultando en un momento magnético neto en la dirección del campo aplicado. En general los efectos paramagnéticos son bastante pequeños. Algunos materiales paramagnéticos son: Aluminio, Bario, Calcio, Oro, Oxígeno, Platino, Sodio, Uranio, y muchos más.

El ferromagnetismo es la forma normal del magnetismo con la cual las personas estamos familiarizados. Es el que está presente en casi cualquier imán normal, como los del refrigerador, en juguetes, en motores eléctricos, y en los imanes del par biomagnético. Éste se define como el fenómeno mediante el cual algunos materiales, como el hierro, (ferrum), se magnetiza permanentemente con la aplicación de un campo magnético y permanece magnetizado por un periodo de tiempo después de que se quita el campo magnético externo. Históricamente, el término ferromagneto se usó para cualquier material que pudiera exhibir una magnetización espontánea: un momento magnético en la ausencia de un campo magnético externo.  




Esta definición general aún está en uso común. Más recientemente, sin embargo, se han identificado diferentes clases de  magnetización espontánea  cuando   existe  más  de un  ión  magnético  por célula  primitiva del  material,  conduciendo  a    una   definición   más  estricta  del ferromagnetismo: un  material es “ferromagnético” solamente si  todos sus iones magnéticos  hacen  una contribución  positiva  a la  magnetización  neta. Si algunos de los iones magnéticos le restan a la magnetización neta, (es decir, si están parcialmente anti alineados), entonces el material es “ferrimagnético”. Si los iones se anti-alinean  completamente de  manera que tengan  una magnetización  neta de cero, a pesar  del ordenamiento magnético entonces se le denomina anti-ferromagnético. 

LOS DOMINIOS DE WEISS

Los dominios de Weiss son pequeñas áreas en la estructura cristalina de un material ferromagnético o ferrimagnético que tiene momentos magnéticos uniformemente alineados, se nombraron así por su descubridor Ernest Weiss, (1865-1940). Weiss descubrió en 1907 que los momentos magnéticos de los átomos de los materiales ferromagnéticos se orientaban en la misma dirección, aun en la ausencia de un campo magnético externo, pero esto sucede solo a distancias de .001 a .00001 mm., es decir en partículas cristalinas pequeñísimas. Por naturaleza, los átomos dentro de estas partículas están completamente saturados. Resulta que cada átomo de hierro tiene cuatro electrones cuyos spines no se cancelan, sino que se alinean, haciéndolo poderosamente magnético, cuando se encuentran cercanos varios átomos de hierro, automáticamente se alinean, así sumando sus campos magnéticos y haciéndolos más fuertes. Sin embargo, la alineación no continúa indefinidamente en todo un trozo de hierro, solo hasta llegar a unas paredes o divisiones entre los dominios que se llaman “Paredes de Bloch”, donde se interrumpe la estructura cristalina.




Un pedazo ordinario de hierro, generalmente no tiene un momento magnético neto, o muy poco, sin embargo, si se le aplica un campo magnético lo suficientemente fuerte, los dominios de Weiss se reorientarán en paralelo con el campo aplicado y permanecerán en esa orientación después de que se quite el campo magnético externo inclusive es posible oír con un estetoscopio un chasquido o “click” cuando se alinean. Esta es la forma en que se fabrican los “imanes permanentes”.




 Aunque este estado de dominios alineados no se encuentran en una configuración de energía mínima, ésta es extremadamente estable, ya que se ha observado que puede persistir durante millones de años, p. ej. en pedazos de magnetita del fondo del océano que se alinea por el campo magnético de la tierra. Puede destruirse la magnetización del material, calentándolo a una temperatura un poco más arriba de la llamada “temperatura de Curie” o “punto de Curie” (la temperatura Curie de la magnetita es de 858 °K o 585 °C).

EL PUNTO DE CURIE

El punto de Curie de un material ferromagnético es la temperatura arriba de la cual éste pierde su característica habilidad ferromagnética. Se nombró así por su descubridor Pierre Curie (1859-1906), esposo de la científica Marie Curie. A temperaturas menores del punto de Curie los momentos magnéticos o dominios de Weiss están alineados o parcialmente alineados. Conforme aumenta la temperatura, las moléculas aumentan la amplitud y fuerza de sus vibraciones y se desordena cada vez más esta alineación, hasta que la magnetización neta se torna cero a partir del punto exacto de Curie. Arriba del punto de Curie, el material es puramente paramagnético. La destrucción de la magnetización en el punto Curie es una transición de fase de segundo orden y un punto crítico donde la susceptibilidad teórica es infinita.

En resumen, si se calienta un imán permanente, éste pierde algo de su fuerza magnética. Si se calienta más allá de su punto curie, la pierde totalmente. Si el material se deja enfriar en la ausencia de un campo magnético, se revertirá la alineación al unísono de los dominios de Weiss y el material quedará de nuevo con una magnetización neta de cero. Por ejemplo, el punto curie para el hierro puro es de 1043 °K o ≈ 770 °C.






Como se mencionó, el campo magnético se manifiesta por la suma de los momentos magnéticos de los dominios de Weiss cuando éstos están alineados en alguna dirección de acuerdo a un dipolo, o sea dos polos de características opuestas. Se denominan polo norte y polo sur, tomando como modelo los polos de la tierra.

Resulta que la fuerza magnética en sí es indetectable por los sentidos humanos, pero se puede hacer visible espolvoreando partículas ferromagnéticas muy pequeñas alrededor de un imán, separadas por algún material diamagnético, un pedazo de papel o plástico o vidrio, etc. Las partículas se alinearán a lo largo del campo magnético. Se ve claramente que el campo está compuesto de líneas que fluyen de un polo al otro en una configuración simétrica, estas son las líneas de fuerza magnética. Algunas de sus propiedades más importantes son:

•    Buscan el camino de menor resistencia entre los polos opuestos. En un imán de barra, forman una curva de polo a polo;

•    Nunca se cruzan una por encima de la otra;

•    Todas tienen la misma fuerza;

•    Su densidad disminuye, (hay más espacio entre una y otra), cuando se mueven de un área de mayor permeabilidad a una de menor permeabilidad, (p. ej. a media distancia entre los polos);

•    Su densidad disminuye conforme aumenta la distancia entre los polos

•    Se considera que tienen una dirección como si fluyeran, aunque no existe un movimiento real, (las partículas de hierro no se mueven).

•    Fluyen del polo sur al polo norte dentro de un material pero del polo norte al polo sur en el aire.
Nota: debe señalarse que las líneas existen en tres dimensiones alrededor del imán, pero como ponemos partículas en un papel, solo vemos las líneas de fuerza como si las estuviéramos cortando en el plano del papel.


















UNIDADES DE MEDICIÓN

La unidad de la fuerza magnética H es el ampere/metro (SI). Se produce un campo magnético de 1 ampere/metro en el centro de un conductor circular de 1 metro de diámetro donde circula una corriente constante de 1 ampere.

El número de líneas de fuerza magnética que cruzan un plano de un área dada a 90 grados se llama la densidad del flujo magnético, B o la inducción magnética. La unidad de medición se llama tesla. Un tesla es igual a 1 newton/(A/m), (un newton por ampere por metro). La densidad de flujo magnético es la medida de la fuerza aplicada por el campo magnético a un material. El Gauss es la unidad de densidad del flujo magnético en el sistema CGS y es el más comúnmente usado en la industria Norteamericana. Un Gauss representa una línea de flujo que pasa por un centímetro cuadrado de aire orientado a 90 grados del flujo. Las equivalencias son: 1 Tesla = 10,000 gauss, entonces,
1 Gauss = 0.0001  Tesla.

El número total de líneas de fuerza magnética en un material se llama flujo magnético,ϕ. La fuerza del flujo se determina por el número de dominios magnéticos que se encuentran alineados dentro de un material. El flujo total es simplemente la densidad del flujo aplicado en cierta área. El flujo tiene la unidad del weber, el cual es simplemente un tesla por metro cuadrado, (1T m2).
La magnetización es la medida en que se magnetiza un objeto, es la medida del momento del dipolo magnético por unidad de volumen del objeto. La magnetización tiene las mismas unidades del campo magnético: ampere/metro.

La permeabilidad es el grado de magnetización de un material que responde linealmente a un campo magnético aplicado, en otras palabras, es la facilidad con la que se establece un flujo magnético en un material. La permeabilidad magnética se representa por la letra Griega “μ.” El término se inventó en 1885 por el Científico Oliver Heaviside.

Un material que sea fuertemente atraído por un imán se dice que tiene una alta permeabilidad. Ejemplos de materiales con una alta permeabilidad incluyen el hierro y el acero. Ejemplos de materiales de baja permeabilidad son el oxígeno líquido, la madera, y el agua. El agua tiene tan baja permeabilidad que en realidad es ligeramente repelida por los campos magnéticos. Todo tiene una permeabilidad medible: las personas, los gases y aún el vacío del espacio exterior.

En unidades SI, (Sistema Internacional, o MKS), la permeabilidad se mide en Henries por metro, o Newtons por ampere al cuadrado. El valor constante “μ0” se conoce como la constancia magnética o la permeabilidad del vacío y tiene el valor exacto  de ×10−7 N·A2, (se lee, cuatro pi por diez a la menos siete newtons por ampere al cuadrado), o ×10−7 H/m. (se lee, cuatro pi por diez a la menos siete henries por metro).





Se puede aprender mucho acerca de las propiedades magnéticas de un material estudiando su curva de histéresis. Ésta muestra la relación que existe entre la densidad del flujo magnético inducido (B) y la fuerza de magnetización (H). 




Esta curva se genera midiendo el flujo magnético de un material ferromagnético mientras la fuerza magnetizadora se va cambiando. Un material ferromagnético que nunca ha sido previamente magnetizado, (o ha sido totalmente desmagnetizado), seguirá la línea punteada mientras aumenta H. Como demuestra la curva, entre más grande sea la fuerza magnetizadora, más fuerte será el campo magnético B en el material. 

En el punto “a”, casi todos los dominios están alineados y un aumento en la fuerza magnetizadora H producirá un aumento muy pequeño en el flujo magnético del material. Se dice entonces que el material alcanzó su punto de saturación magnética. Si se quita la fuerza magnetizadora, (se reduce a cero), la curva de magnetización del material se moverá del punto “a” al punto “b” donde se puede ver que permanece un flujo magnético en el material aunque la fuerza magnetizadora H se redujo a cero. A este punto se le llama retentividad en la gráfica e indica la remanencia o el nivel de magnetismo residual del material, es decir, algunos de los dominios magnéticos están alineados pero otros ya no lo están.

Si se invierte la fuerza magnetizadora, es decir se invierten los polos, la curva se mueve al punto “c” donde el flujo magnético se reduce a cero, es decir que la fuerza magnetizadora inversa desalineó los dominios magnéticos de tal forma que el flujo neto del material es cero. La fuerza requerida para eliminar el magnetismo residual del material se llama fuerza coercitiva o la coercitividad del material.

Conforme aumenta la fuerza de magnetización de polaridad opuesta, el material de nuevo se saturará magnéticamente pero en la dirección opuesta, punto “d”. Al reducir la fuerza H- a cero, la curva se mueve al punto “e”, lo que significa que el material tendrá un nivel de magnetismo residual igual al alcanzado en la otra polaridad. Al aumentar H en la dirección positiva, B regresará a cero. Nótese que la curva no regresa al origen de la gráfica, (el punto donde se cruzan las líneas B y H), porque se requiere alguna fuerza para remover el magnetismo residual. Al seguir aumentando H en dirección positiva, la curva toma un camino diferente para llegar al punto “f” y de ahí al punto de saturación donde se cierra la curva.

De la curva de histéresis, se pueden determinar algunas de las principales propiedades magnéticas de un material:

1.Retentividad – es la medida de la habilidad de un material a retener cierta cantidad de campo magnético residual cuando se extingue la fuerza de magnetización después de aumentarla hasta el punto de saturación.

2.Magnetismo Residual o Flujo Residual - es la densidad del flujo magnético que permanece en el material cuando la fuerza magnetizadora llega a cero. Este valor es menor que la retentividad si la fuerza magnetizadora no llegó al nivel de saturación.

3.Fuerza Coercitiva – es la fuerza de un campo magnético inverso que debe aplicarse al material para que su flujo magnético regrese a cero.

4.Permeabilidad,µ– es la propiedad de un material que describe la facilidad con la que puede establecerse un flujo magnético en éste.

5.Reluctancia – es la oposición que un material ofrece al establecimiento de un flujo magnético. Esta fuerza es análoga a la resistencia en un circuito eléctrico.    Como mencionamos unos párrafos atrás, la unidad de la densidad del flujo magnético o la fuerza del campo magnético es el gauss en el sistema CGS y el tesla en el sistema SI. En el resto de este trabajo usaremos la unidad del gauss para hablar de la fuerza del campo magnético


Se tenía la creencia de que la tierra y el sol eran imanes permanentes pero en realidad resulta que su campo magnético se genera por corrientes eléctricas. Esto nos deja con un único imán permanente natural el cual es la magnetita.

La magnetita es un mineral compuesto de óxidos de hierro, su fórmula química es Fe3O4, y se denomina óxido ferroso-diférrico, se encuentra en casi todos los minerales de la tierra, tanto en minas de hierro como en lavas volcánicas, arenas de playa, etc. Existen grandes concentraciones en algunas partes selectas del globo como Magnesia, Grecia, Kiruna, Suecia, Australia Occidental y recientemente se encontró un enorme campo de dunas de arena con el 10% de magnetita en el Perú, extendiéndose algunos 250 kilómetros cuadrados.

Este mineral ha sido fundamental para comprender el magnetismo en general y ha sido un catalizador para comprender muchas de las fuerzas fundamentales del universo. Biológicamente se puede encontrar en bacterias, (Magnetospirillum magnetotacticum), en abejas, termitas, algunas aves y en humanos, y se usa principalmente para la navegación o la orientación con respecto a la tierra.





IMANES DE FERRITA

Las Ferritas son materiales ferrimagnéticos que no conducen electricidad, hechos de materiales cerámicos compuestos, que consisten de varias mezclas de óxidos de hierro, tales como la Hematita (Fe2O3) o Magnetita (Fe3O4) además de otros metales, cuya naturaleza les imparte muy variadas características a la ferrita terminada.

Si se les agrega níkel, cinc o manganeso, tienen una baja coercitividad y se les llama ferritas blandas por las bajas pérdidas de energía que imparten a las aplicaciones que son destinadas, principalmente electrónicas. 
Estos tipos de ferritas, debido a que no retienen un campo magnético se usan en aplicaciones donde se manejan altas frecuencias como en núcleos de fuentes de poder conmutadas, y transformadores e inductores de alta frecuencia.

En contraste, si se les agrega óxidos de bario o de estroncio, se les llama ferritas duras, y tienen una alta remanencia después de su magnetización, conducen el flujo magnético muy bien y tienen una alta permeabilidad magnética. Estas características les permiten ser imanes más fuertes que los imanes de acero. Otra característica de los imanes de ferrita es que, debido a su naturaleza química pueden aguantar temperaturas más allá de los puntos Curie de un elemento en particular de su composición, p. ej. el hierro, y también exhiben la inusual característica de un aumento de coercitividad con un aumento en la temperatura. 



Los imanes de ferrita son los de más amplio uso en la electrónica de consumo, (radios, televisiones, bocinas, etc.). El campo magnético máximo que pueden generar es de alrededor de 3,500 gauss. Una característica que puede considerarse mala de estos imanes es que son frágiles, se rompen o quiebran fácilmente por lo que se tiene que evitar golpearlos.

La naturaleza del proceso de fabricación resulta en un producto que frecuentemente contiene imperfecciones, tales como grietas, porosidad, astillas, etc., afortunadamente éstas no interfieren mucho con el rendimiento del imán.    La razón principal de su uso es que su producción es bastante más barata que otros materiales y ofrecen campos magnéticos adecuados a su aplicación. Las ferritas se producen usando el método de sinterizado, son muy duras y requieren de un terminado con ruedas esmeriles o de diamante.