Imán
Un imán es un cuerpo que crea un campo magnético y atrae materiales ferromagnéticos, siempre con un polo norte y un polo sur.
Un imán es un cuerpo capaz de generar un campo magnético y de atraer materiales ferromagnéticos como el hierro, el níquel y el cobalto. Todo imán tiene dos polos, norte y sur, que no pueden separarse: si se parte un imán por la mitad, cada trozo se convierte en un imán completo con sus dos polos. Los imanes están presentes desde la brújula hasta los motores eléctricos y los discos duros.
¿Qué es un imán?
Un imán es un objeto cuyos átomos están organizados de modo que sus efectos magnéticos se suman en lugar de anularse. Alrededor de él existe un campo magnético, una región del espacio donde se ejercen fuerzas sobre otros imanes, sobre materiales magnetizables y sobre cargas eléctricas en movimiento. Las líneas de campo salen del polo norte, rodean el imán y entran por el polo sur; son más densas donde el campo es más intenso, es decir, cerca de los polos.
La palabra «imán» procede del francés aimant, y esta del griego adámas. El mineral natural, la magnetita (Fe₃O₄), recibe su nombre de la región de Magnesia, en Grecia, donde ya se conocía en la Antigüedad.
Origen del magnetismo
El magnetismo nace del movimiento de las cargas eléctricas. En un átomo, el movimiento de los electrones alrededor del núcleo y, sobre todo, su propiedad intrínseca llamada espín, hacen que cada electrón se comporte como un diminuto imán. En la mayoría de los materiales estos efectos se compensan; en los ferromagnéticos, los átomos se agrupan en regiones llamadas dominios magnéticos donde todos los momentos apuntan en la misma dirección.
En un trozo de hierro sin imantar los dominios están orientados al azar y se anulan. Al acercarlo a un imán, los dominios se alinean y el hierro queda temporalmente imantado, lo que explica que sea atraído. En un imán permanente esa alineación se conserva por sí sola. Estos fenómenos se estudian en el magnetismo.
Interacción entre polos
- Polos de distinto nombre (norte y sur) se atraen.
- Polos del mismo nombre (norte y norte, o sur y sur) se repelen.
- La fuerza disminuye rápidamente con la distancia.
- La Tierra se comporta como un gran imán: el polo norte de una brújula señala hacia el polo norte geográfico, que es magnéticamente un polo sur. El campo terrestre en superficie va de unos 25 a 65 μT.
Hasta ahora nunca se ha observado un monopolo magnético, un polo norte o sur aislado, aunque algunas teorías de la física de partículas predicen su existencia.
Tipos de imanes
| Tipo | Características | Usos |
|---|---|---|
| Naturales | Magnetita (Fe₃O₄); campo débil | Brújulas antiguas |
| Ferrita (cerámicos) | Baratos, resistentes a la corrosión, fuerza moderada | Altavoces, imanes de nevera, motores pequeños |
| Alnico | Aleación de aluminio, níquel y cobalto; soporta altas temperaturas | Sensores, guitarras eléctricas |
| Neodimio (NdFeB) | Los más potentes comercialmente; campo remanente de 1 T o más | Discos duros, auriculares, motores y generadores eólicos |
| Samario-cobalto | Fuertes y estables a alta temperatura | Aeroespacial, aplicaciones militares |
| Electroimanes | Campo producido por corriente; se activan y desactivan | Grúas, relés, trenes de levitación, resonancia magnética |
Se distinguen además los imanes permanentes, que mantienen su magnetización, y los temporales, como el hierro dulce, que solo se comportan como imanes bajo la influencia de un campo externo. Un electroimán es una bobina con núcleo de hierro que se imanta mientras pasa corriente, principio descubierto a partir de los experimentos de Ørsted en 1820, que demostraron la relación entre electricidad y magnetismo. Hoy se estudian juntos en el electromagnetismo.
¿Cómo se pierde el magnetismo?
Un imán puede desimantarse si se calienta por encima de su temperatura de Curie, a partir de la cual la agitación térmica destruye el orden de los dominios: unos 770 °C para el hierro, 358 °C para el níquel y 1 115 °C para el cobalto. También lo hacen los golpes fuertes y los campos opuestos intensos. Los imanes de neodimio pierden fuerza a temperaturas de funcionamiento mucho menores, a menudo en torno a los 80 °C para los grados estándar, y se oxidan si no están recubiertos.
Aplicaciones
- Navegación: la brújula, usada en China desde hace más de mil años, y los sensores magnéticos de los teléfonos.
- Motores y generadores: convierten electricidad en movimiento y al revés mediante imanes y bobinas.
- Almacenamiento de datos: cabezales y platos de discos duros y cintas magnéticas.
- Medicina: los equipos de resonancia magnética emplean electroimanes superconductores de 1,5 a 3 T.
- Industria: separación de metales ferrosos en el reciclaje, sujeción, cierres y altavoces.
- Transporte: trenes de levitación magnética (maglev).
La energía asociada a estos campos es la energía magnética.
Ejercicios resueltos
1. Un tramo de 10 cm de cable con 5 A de corriente está colocado perpendicularmente a un campo de 0,2 T creado por un imán. ¿Qué fuerza actúa sobre el cable?
F = B·I·L = 0,2 · 5 · 0,10 = 0,10 N, perpendicular al campo y al cable.
2. Un electrón se mueve a 1 × 10⁶ m/s perpendicularmente a un campo de 0,5 T. ¿Qué fuerza magnética sufre?
F = q·v·B = (1,602 × 10⁻¹⁹)(1 × 10⁶)(0,5) = 8,0 × 10⁻¹⁴ N.
3. ¿Cuántas veces es mayor el campo de un imán de 1 T que el campo terrestre de 50 μT?
Cociente: 1 T / (50 × 10⁻⁶ T) = 20 000 veces.
Preguntas frecuentes
¿Por qué un imán atrae al hierro pero no al plástico?
Porque el hierro es ferromagnético: sus dominios se alinean con el campo del imán y se convierten en un imán inducido que es atraído. El plástico no tiene esa respuesta magnética apreciable.
¿Se puede separar el polo norte del polo sur?
No. Al cortar un imán se obtienen dos imanes más pequeños, cada uno con su polo norte y su polo sur, porque el magnetismo procede de dominios y momentos atómicos y no de «cargas» magnéticas aisladas.
¿Qué materiales son atraídos por los imanes?
Los ferromagnéticos: hierro, níquel, cobalto y sus aleaciones, como el acero. El aluminio y el cobre no son atraídos de forma apreciable, y el oro, la plata y el agua son ligeramente repelidos por un efecto llamado diamagnetismo.
¿Pierde fuerza un imán con el tiempo?
Muy lentamente: un buen imán permanente pierde una fracción mínima de su magnetismo en décadas si no se calienta ni se golpea. Las altas temperaturas, los golpes y los campos opuestos son lo que lo debilita.
¿Cómo funciona la brújula?
Su aguja es un pequeño imán libre de girar. El campo magnético terrestre la orienta en la dirección del campo, de modo que uno de sus extremos señala aproximadamente al norte geográfico.
Referencias
- Griffiths, D. J. Introduction to Electrodynamics. Cambridge University Press.
- Serway, R. A. y Jewett, J. W. Física para ciencias e ingeniería. Cengage Learning.
- Gilbert, W. De Magnete (1600).
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2023). «Imán». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/iman/
