Magnetismo para niños
El magnetismo es un grupo de fenómenos físicos que ocurren gracias a los campos magnéticos. Estos campos pueden ser creados por corrientes eléctricas o por las propiedades magnéticas de las partículas que forman los materiales. El magnetismo es parte de un fenómeno más grande llamado electromagnetismo. También es el nombre de la rama de la física que estudia estos fenómenos.
Materiales como el níquel, el hierro, el cobalto y sus aleaciones son algunos de los que muestran propiedades magnéticas que podemos ver fácilmente. A estos materiales los llamamos comúnmente imanes. Son materiales ferromagnéticos que interactúan fuertemente con los campos magnéticos de afuera y también crean su propio campo magnético. Por eso, los imanes pueden atraerse o repelerse entre sí. Sin embargo, todos los materiales son afectados, en mayor o menor medida, por la presencia de un campo magnético.
Contenido
¿De dónde viene la palabra "magnetismo"?
La palabra "magnetismo" viene del griego "μαγνῆτις λίθος" (magnētis lithos), que significa "piedra de Magnesia". Esto se refiere a la magnetita, un mineral de hierro que es naturalmente magnético.
¿Cómo se descubrió el magnetismo?
Los fenómenos magnéticos ya eran conocidos en la antigua Grecia. Se dice que se observaron por primera vez en la ciudad de Magnesia del Meandro en Asia Menor, de ahí el nombre. La gente sabía que ciertas piedras (magnetita) atraían el hierro, y que los trozos de hierro atraídos podían, a su vez, atraer a otros. A estas piedras se les llamó imanes naturales.
El filósofo griego Tales de Mileto (entre 625 a. C. y 545 a. C.) fue uno de los primeros en estudiar el magnetismo. En China, la primera mención de este fenómeno aparece en un manuscrito del siglo IV a. C. llamado Libro del amo del valle del diablo, donde se dice: "La magnetita atrae el hierro hacia sí o es atraída por este".
El científico Shen Kua (1031-1095) escribió sobre la brújula de aguja magnética y mejoró la navegación usando el concepto del norte absoluto. Hacia el siglo XII, los chinos ya usaban la brújula para navegar mejor. Alexander Neckam fue el primer europeo en desarrollar esta técnica en 1187.
Peter Peregrinus de Maricourt, un estudioso francés del siglo XIII, hizo experimentos sobre magnetismo y escribió el primer libro detallado sobre las propiedades de los imanes. En 1600, el médico y físico William Gilbert publicó su obra De magnete, donde explicó las características de los imanes y describió muchos experimentos. Él notó que la mayor atracción de los imanes se daba en los "polos". También descubrió que la imantación del hierro se pierde al calentarlo mucho y que la Tierra se comporta como un gran imán.
El conocimiento del magnetismo se limitó a los imanes hasta 1820, cuando Hans Christian Ørsted descubrió que un cable por el que pasaba una corriente eléctrica creaba un campo magnético a su alrededor que podía mover una aguja magnética. Después, científicos como André-Marie Ampère, Carl Friedrich Gauss y Michael Faraday encontraron más conexiones entre el magnetismo y la electricidad. James Clerk Maxwell unió todas estas observaciones en sus ecuaciones de Maxwell, creando el concepto de electromagnetismo.
¿Cómo funciona el magnetismo?
Campos y fuerzas magnéticas
El magnetismo es causado por un campo magnético. Por ejemplo, una corriente eléctrica o un imán pequeño (llamado dipolo magnético) crean un campo magnético. Este campo, a su vez, ejerce una fuerza magnética sobre otras partículas que se encuentran dentro de él.
El magnetismo siempre se observa cuando partículas con carga eléctrica están en movimiento. Esto ocurre, por ejemplo, con el movimiento de electrones en una corriente eléctrica o cuando los electrones se mueven alrededor del núcleo de un átomo. También aparece por una propiedad interna de las partículas, como el "spin" de los electrones, que es un efecto de la mecánica cuántica.
La fuerza de Lorentz
Las mismas situaciones que crean campos magnéticos (cargas en movimiento o imanes pequeños) también son las que hacen que el campo magnético cause sus efectos, creando una fuerza. Cuando una partícula cargada se mueve a través de un campo magnético B, experimenta una fuerza F.
Esta fuerza es siempre perpendicular al movimiento de la partícula y al campo magnético. La fuerza magnética no hace que la partícula vaya más rápido o más lento, solo cambia la dirección de su movimiento. Para saber la dirección de esta fuerza, se puede usar la regla de la mano derecha.
¿Qué son los dipolos magnéticos?
Una fuente muy común de campo magnético en la naturaleza es un dipolo. Un imán de barra, por ejemplo, tiene un "polo sur" y un "polo norte". Estos nombres vienen de que antes se usaban los imanes como brújulas, que interactuaban con el campo magnético terrestre para señalar el norte y el sur de la Tierra.
Un campo magnético contiene energía. Los sistemas físicos tienden a buscar configuraciones con la menor energía posible. Por eso, cuando un dipolo magnético se encuentra en un campo magnético, tiende a alinearse con la polaridad opuesta a la del campo. Esto ayuda a reducir el campo total y a disminuir la energía. Por ejemplo, dos imanes de barra idénticos se alinean normalmente de norte a sur para crear un campo magnético más pequeño.
¿Por qué los átomos son magnéticos?
La razón física del magnetismo en los objetos, aparte de las corrientes eléctricas, se debe a los pequeños imanes dentro de los átomos, llamados dipolos atómicos magnéticos. Estos dipolos magnéticos, a escala atómica, provienen de dos tipos de movimiento de los electrones:
- El movimiento de los electrones alrededor del núcleo del átomo, que se puede ver como pequeñas corrientes circulares.
- Una propiedad cuántica de los electrones llamada momento de "spin" del dipolo magnético. Aunque los electrones no giran físicamente, esta propiedad actúa como si lo hicieran.
El momento magnético total de un átomo es la suma de los momentos magnéticos de todos sus electrones. En un átomo, los momentos magnéticos de algunos pares de electrones se cancelan entre sí. Por eso, solo los átomos con electrones "solos" (no emparejados) tienen un momento magnético. Su fuerza depende de cuántos electrones impares haya.
La forma en que los electrones se organizan en los diferentes elementos determina cómo son los momentos magnéticos de los átomos, y esto, a su vez, define las propiedades magnéticas de los materiales. Hay varios tipos de magnetismo, como el ferromagnetismo, el diamagnetismo y el paramagnetismo. Los materiales se clasifican según cómo se comportan frente a un campo magnético:
Clasificación de los materiales magnéticos
| Tipo de material | Características |
|---|---|
| No magnético | No afecta el paso de las líneas de campo magnético. Ejemplo: el vacío. |
| Diamagnético | Material débilmente magnético. Si se acerca un imán, lo repele. Ejemplo: bismuto (Bi), plata (Ag), plomo (Pb), agua. |
| Paramagnético | Presenta un magnetismo notable. Es atraído por un imán. Ejemplo: aire, aluminio (Al), paladio (Pd). |
| Ferromagnético | Muy magnético. Es fuertemente atraído por un imán. Se vuelve paramagnético por encima de la temperatura de Curie (para el hierro, es unos 770 °C). Ejemplo: hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), acero suave. |
| Antiferromagnético | No es magnético, incluso bajo la acción de un campo magnético. Ejemplo: óxido de manganeso (MnO2). |
| Ferrimagnético | Menos magnético que los materiales ferromagnéticos. Ejemplo: ferrita de hierro. |
| Superparamagnético | Materiales ferromagnéticos muy pequeños suspendidos en otro material. Ejemplo: materiales usados en cintas de audio y video. |
| Ferritas | Ferromagnético con baja conductividad eléctrica. Ejemplo: usado como núcleos en bobinas para corriente alterna. |
¿Existen los monopolos magnéticos?
Un imán de barra obtiene su magnetismo de los pequeños imanes (electrones) que están distribuidos por todo el imán. Si un imán se parte por la mitad, cada pieza se convierte en un imán más pequeño, con su propio polo norte y sur. Aunque un imán tiene un polo norte y un polo sur, estos dos polos no pueden separarse el uno del otro.
Un monopolo magnético sería un tipo de objeto magnético fundamentalmente diferente. Actuaría como un polo norte aislado, sin un polo sur, o viceversa. Los monopolos tendrían una "carga magnética" similar a la carga eléctrica. A pesar de que se han buscado desde 1931, nunca se han observado, y es posible que no existan.
Tipos de materiales magnéticos
Los principales tipos de comportamiento de los materiales magnéticos son el ferromagnetismo, el diamagnetismo y el paramagnetismo.
- En los materiales diamagnéticos, los efectos magnéticos de los electrones en cada átomo se cancelan entre sí. Sin embargo, si el material se coloca en un campo magnético, adquiere una imantación débil y en dirección opuesta al campo.
- Los materiales paramagnéticos no tienen una cancelación total de los efectos magnéticos, por lo que cada átomo actúa como un pequeño imán. Pero, la orientación de estos pequeños imanes suele ser al azar, y el efecto total se anula. Si un material paramagnético se somete a un campo magnético, el campo inducido en el material se orienta en la misma dirección que el campo original.
¿Qué son los electroimanes?
Un electroimán es un imán especial hecho con un cable eléctrico enrollado alrededor de un material magnético, como el hierro. Este tipo de imán es muy útil porque se puede "encender" y "apagar". Por ejemplo, se usan en las grandes grúas para levantar chatarra de automóviles.
Cuando la corriente eléctrica pasa por un cable, el campo magnético resultante se dirige según la regla de la mano derecha. Si enrollas los dedos de tu mano derecha en la dirección en que la corriente viaja en un círculo (como en una bobina), tu pulgar apuntará hacia el polo norte del imán que se forma.
Imanes temporales y permanentes
Un imán permanente mantiene su magnetismo sin necesidad de un campo magnético externo. En cambio, un imán temporal solo es magnético mientras está dentro de otro campo magnético. Por ejemplo, el hierro se magnetiza cuando está cerca de un imán, pero pierde su magnetismo cuando se retira el imán. El hierro es un buen material para los electroimanes porque es un imán temporal.
Un imán permanente puede perder su magnetismo si se calienta mucho, si recibe golpes fuertes o si se coloca dentro de una bobina con corriente alterna que se reduce.
Unidades de medida del magnetismo
Unidades del SI relacionadas con el magnetismo
- Tesla [T]: Es la unidad para medir el campo magnético.
- Weber [Wb]: Es la unidad para medir el flujo magnético.
- Amperio [A]: Es la unidad de corriente eléctrica, que genera campos magnéticos.
| Unidades electromagnéticas del SI | ||||
|---|---|---|---|---|
| Símbolo[22] | Nombre | Unidad | Símbolo | Unidades Base |
| Q | carga eléctrica | coulomb | C | A⋅s |
| I | corriente eléctrica | amperio | A | A (= W/V = C/s) |
| J | densidad de corriente eléctrica | amperio por metro cuadrado | A/m² | A⋅m−2 |
| U, ΔV, Δφ; E | diferencia de potencial; fuerza electromotriz | voltio | V | J/C = kg⋅m²⋅s−3⋅A−1 |
| R; Z; X | resistividad eléctrica; impedancia; reactancia | ohm | Ω | V/A = kg⋅m²⋅s−3⋅A−2 |
| ρ | resistividad | ohm metro | Ω⋅m | kg⋅m³⋅s−3⋅A−2 |
| P | Potencia eléctrica | watt | W | V⋅A = kg⋅m²⋅s−3 |
| C | capacitancia | faradio | F | C/V = kg−1⋅m−2⋅A2⋅s4 |
| ΦE | Flujo eléctrico | voltio metro | V⋅m | kg⋅m³⋅s−3⋅A−1 |
| E | campo de desplazamiento eléctrico | voltio por metro | V/m | N/C = kg⋅m⋅A−1⋅s−3 |
| D | electric displacement field | Coulomb por metro cuadrado | C/m² | A⋅s⋅m−2 |
| ε | permitividad | faradios por metro | F/m | kg−1⋅m−3⋅A2⋅s4 |
| χe | susceptibilidad eléctrica | Adimensional | 1 | 1 |
| G; Y; B | conductancia; admitancia; susceptancia | siemens | S | Ω−1 = kg−1⋅m−2⋅s3⋅A2 |
| κ, γ, σ | conductividad | siemens por metro | S/m | kg−1⋅m−3⋅s3⋅A2 |
| B | densidad de flujo magnético, inducción magnética | tesla | T | Wb/m² = kg⋅s−2⋅A−1 = N⋅A−1⋅m−1 |
| Φ, ΦM, ΦB | flujo magnético | weber | Wb | V⋅s = kg⋅m²⋅s−2⋅A−1 |
| H | intensidad del campo magnético | amperio por metro | A/m | A⋅m−1 |
| L, M | inductancia | henrio | H | Wb/A = V⋅s/A = kg⋅m²⋅s−2⋅A−2 |
| μ | permeabilidad | henrio por metro | H/m | kg⋅m⋅s−2⋅A−2 |
| χ | Susceptibilidad magnética | Adimensional | 1 | 1 |
Otras unidades de medida
- Gauss (G): Es una unidad de inducción magnética.
- Oersted: Es una unidad de campo magnético.
- Maxwell: Es una unidad de flujo magnético.
Galería de imágenes
-
Visualización del campo magnético de un imán utilizando limaduras de hierro. Se puede observar la dirección del campo en el espacio por cómo se distribuyen las limaduras de hierro alrededor de dicho imán.
Véase también
En inglés: Magnetism Facts for Kids
