3era entrada: Aplicaciones

En este post se hablará de los siguientes temas:

• Aplicaciones científicas, industriales y domésticas del magnetismo.

Aplicaciones científicas.

Polígonos regulares: el efecto del magnetismo en el agua.

El divulgador Manuel Díaz Escalera diseñó un sencillo experimento en el que se podían comprobar las propiedades magnéticas en el agua. Para demostrar este fenómeno físico, utilizó fichas del conocido juego de las damas. Utilizando estas “piezas”, Díaz Escalera enseña cómo el magnetismo provoca la formación de polígonos regulares sobre el agua, debido a las fuerzas de atracción y repulsión entre ellas:

Con este vídeo, se ve claramente cómo el magnetismo también es capaz de actuar y “mantenerse” dentro del agua. Esa es la razón por la que las fichas forman polígonos regulares en el propio vaso con agua.

El efecto magnético de “ralentizar” los movimientos

Imaginemos que intentamos introducir una pieza metálica de neodimio a través de un tubo de cobre. ¿Qué ocurrirá? El magnetismo es capaz de ralentizar su movimiento a través del cilindro de cobre, algo que ya pensó el físico Heinrich Friedrich Emil Lenz, quien enunció la luego conocida como Ley de Lenz.

Esta teoría física fue determinada por el científico en 1833, y dice que “el sentido de las corrientes o fuerza electromotriz inducida es tal que se opone siempre a la causa que la produce, o sea, a la variación del flujo”. Como puede observarse en el vídeo, el paso de las piezas de neodimio se “frena” por un puro efecto magnético.

La Tierra, ese gran campo magnético

Cuando hablamos de magnetismo, no debemos olvidar que nuestro planeta se comporta como un gran imán. Esta observación fue realizada ya en 1600, cuando el físico y filósofo británico William Gilbert señaló esta similitud. El fenómeno magnético terrestre, no obstante, se usaba mucho tiempo atrás, con el uso de las famosas brújulas en navegación.

Podemos comprobar a la perfección cómo funciona el magnetismo terrestre mediante el vídeo anterior. De nuevo el divulgador Díaz Escalera muestra fácilmente cómo se comportaría el campo magnético interior de la bola de corcho (que funciona como si fuera el planeta Tierra). Las limaduras de hierro se sitúan en función de las líneas de fuerzas que salen del polo norte del imán y entran por el polo sur de la bola de corcho.

Conductividad del agua

Las moléculas de agua están formadas por átomos de hidrógeno y oxígeno y sus respectivas órbitas de electrones. Cuando se expone al agua, un campo magnético es transportado por las partículas de electrones que están expuestas al campo, de acuerdo con la Enciclopedia del Agua. La interacción física y química que tiene lugar entre las cargas eléctricas y las moléculas de agua puede causar que ciertos átomos pierdan sus electrones. Cuando esto sucede, los átomos se ionizan o cargan debido a los electrones que faltan. Como resultado, estos átomos intentarán recuperar estos electrones. La combinación de los átomos ionizados y los campos magnéticos hace que se forme una corriente eléctrica en el agua.

Niveles de PH

El nivel de pH es una medida de ácido en agua o contenido alcalino, de acuerdo con los Microbial Life Educational Resources. Se basa en una escala de 14 puntos donde los altos niveles de acidez están comprendidos en el rango de 1 a 6, siendo 1 el nivel de acidez más alto. Los niveles más altos de alcalinidad caen dentro del rango de 8 a 14, con 14 siendo el contenido alcalino más alto. Los niveles de pH también apuntan a la conductividad eléctrica en términos de qué tan bien un cuerpo de agua puede conducir la electricidad. En efecto, un nivel alto o bajo de la conductividad puede indicar qué tan fuerte es el campo magnético.

Efectos

Ya que el agua se forma de átomos de hidrógeno y oxígeno, los efectos ionizantes causados por un campo magnético son el resultado de cómo interactúan las cargas eléctricas con los átomos de hidrógeno. Cuando el agua tiene un alto contenido de ácido (o el nivel de pH es bajo), esto se corresponde con la cantidad de iones de hidrógeno presentes, de acuerdo con los Microbial Life Educational Resources. En efecto, las cargas eléctricas que sustentan un campo magnético son transportadas por los iones de hidrógeno contenidos en el agua. Como resultado, las altas concentraciones de ácido en el agua hacen que un campo magnético sea más fuerte.

Aplicaciones industriales.

Motores de inducción.

El invento de la máquina de inducción en 1880 completó al sistema de energia de corriente alterna el cual en este tiempo se encontraba en competencia con el sistema de energía de corriente alterna, incluyendo el motor de inducción, fue idea del excelente ingeniero yugoslavo Nikola Tesla. El sistema fue planteado en 1888. La primera aplicación a grande escala de este sistema fue la planta hidroeléctrica de las cataratas de Niágara. En la actualidad la gran mayoría de los motores industriales, desde unos cuantos caballos de potencia hasta los de mayor capacidad, son máquinas de inducción trifásicas. Tres máquinas no requieren conexión eléctrica en los desvanados de rotor; en cambio, los desvanados del rotor son conectados en corto circuito. El flujo magnético que cruza el entrehierro encadenada al devanado del rotor. Dado que entre el motor y la densidad del flujo en el entrehierro existe un movimiento relativo, se presentan voltajes inducidos en los devanados en corto circuito del rotor, causando con ello que fluyan corrientes en dichos desvanados. El hecho de que las corrientes en el rotor se presenten por inducción, es lo que le da nombre a éste tipo de maquina. En ocasiones se les llama máquinas asincronas porque su velocidad de operación es ligeramente menor a la velocidad sincrónica en el modo motor y un poco mayor en el modogenerador.

Activación magnética en agua.

 Se determinaron las condiciones óptimas de tratamiento magnético del agua, mediante las cuales se logra: aumentar la solubilidad de los cloruros y nitratos de los metales alcalinos, el carbonato de la solubilidad y conductividad, y el segundo, en la obtención de información sobre el efecto del campo magnético en la cinética de disolución del carbonato de calcio. Los métodos experimentales usados en este estudio fueron el isotérmico; el integral, apoyado en la variación de una propiedad física, y el conductimétrico. Los resultados indicaron que en todos los sistemas estudiados se obtuvo un efecto estimulador del campo magnético en la respuesta medida en dependencia de las condiciones de tratamiento. El mecanismo que se propone para explicar estos efectos está basado en el posible cambio en la hidratación de losiones, y en el incremento, en la constante dieléctrica, del agua después de la activación magnética.

Imágenes por resonancia magnética.

 Una imagen por resonancia magnética (IRM), también conocida como tomografía por resonancia magnética (TRM) o imagen por resonancia magnética nuclear (NMRI, por sus siglas en inglés) es una técnica no invasiva que utiliza el fenómeno de la resonancia magnética para obtener información sobre la estructura y composición del cuerpo a analizar.Esta información es procesada por ordenadores y transformada en imágenes del interior de lo que se ha analizado.Es utilizada principalmente en medicina para observar alteraciones en los tejidos y detectar cáncer y otras patologías. También es utilizada industrialmente para analizar la estructura de materiales tanto orgánicos como inorgánicos.

Tren de levitación magnética.

 El transporte de levitación magnética, o maglev, es un sistema de transporte que incluye la suspensión, guía y propulsión de vehículos, principalmente trenes, utilizando un gran número de imanes para la sustentación y la propulsión a base de la levitación magnética.Este método tiene la ventaja de ser más rápido, silencioso y suave que los sistemas de transporte colectivo sobre ruedas convencionales. La tecnología de levitación magnética tiene el potencial de superar 6.400 km/h (4.000 mph) si se realiza en un túnel al vacío.Cuando no se utiliza un túnel al vacío, la energía necesaria para la levitación no suele representar una gran parte de la necesaria, ya que la mayoría de la energía necesaria se emplea para superar la resistencia del aire, al igual que con cualquier otro tren de alta velocidad.La mayor velocidad registrada de un tren maglev fue de 581 km/h,2 logrado en Japón en 2003, 6 km/h más rápido que el récord de velocidad del TGV convencional.

Aplicaciones domésticas.

En los últimos 100 años han surgido numerosas aplicaciones del magnetismo y de los materiales magnéticos. El electroimán, por ejemplo, es la base del motor eléctrico y el transformador. En épocas más recientes, el desarrollo de nuevos materiales magnéticos ha influido notablemente en la revolución de los ordenadores o computadoras.

La estructura de las líneas de fuerza creadas por un imán o por cualquier objeto que genere un campo magnético puede visualizarse utilizando una brújula o limaduras de hierro. Los imanes tienden a orientarse siguiendo las líneas de campo magnético. Por tanto, una brújula, que es un pequeño imán que puede rotar libremente, se orientará en la dirección de las líneas.

Fuentes:

cab.cnea.gov.ar

es.scribd.com

ehowenespanol.com

magnetismoingenieriadesistemas.blogspot.com.ar

elmagnetismo-didia.blogspot.com.ar

Felipe Rodriguez 

5º 1ª

1er entrada: Magnetostática

En este post se hablará de los siguientes temas:

• Magnetostática
• Imanes
• Polos
• Propiedades magnéticas de la materia
• Temperatura de Curie
• Inducción magnética
• Campo magnético terrestre.

Bueno, comencemos:

Magnetostática.

Definición:

• La magnetoestática es el estudio de todos los fenómenos físicos en los que intervienen campos magnéticos constantes en el tiempo. 

La magnetoestática abarca desde la atracción que ejercen los imanes y los electroimanes sobre los metales ferromagnéticos, como el hierro, hasta los campos magnéticos creados por corrientes eléctricas estacionarias. De hecho ambos fenómenos están estrechamente relacionados, ya que las corrientes eléctricas crean un campo magnético proporcional a la intesidad de corriente y que disminuye con la distancia.

Además todo cuerpo que entra en un campo magnético toma una imantación que depende de su naturaleza, y que generalmente pierde al retirarse de ese campo; algunos aceros conservan parte del magnetismo inducido o magnetismo remanente.

Hay cuerpos paramagnéticos que son atraídos por los imanes (hierro, níquel, cobalto, etc.) y cuerpos diamagnéticos, que son repelidos por ellos.

Imanes.

Definición:

• Un imán es un cuerpo o dispositivo con un magnetismo significativo, de forma que atrae a otros imanes y/o metales ferromagnéticos (por ejemplo, hierro, cobalto, níquel y aleaciones de estos). Puede ser natural o artificial.
  Los imanes naturales mantienen su campo magnético continuo, a menos que sufran un golpe de gran magnitud o se les aplique cargas magnéticas opuestas o altas temperaturas (por encima de la Temperatura de Curie).

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.

Experimentando con imanes;

Polos.

Definición: 

• Si se trata tanto de un tipo de imán como de otro, la máxima fuerza de atracción se halla en sus extremos, llamados polos. 

Un imán consta de dos polos, denominados polo norte y polo sur. Los polos iguales se repelen y los polos distintos se atraen. No existen polos aislados (véase monopolo magnético) y, por lo tanto, si un imán se rompe en dos partes, se forman dos nuevos imanes, cada uno con su polo norte y su polo sur, aunque la fuerza de atracción del imán disminuye.


Entre ambos polos se crean líneas de fuerza, siendo estas líneas cerradas, por lo que en el interior del imán también van de un polo al otro. Como se muestra en la figura, pueden ser visualizadas esparciendo limaduras de hierro sobre una cartulina situada encima de una barra imantada; golpeando suavemente la cartulina, las limaduras se orientan en la dirección de las líneas de fuerza.

Polos magneticos de la Tierra

Propiedades magnéticas de la materia.

Podemos clasificar todas las sustancias, de acuerdo con su comportamiento al ser sometidas a la acción de un campo magnético, en una de estas tres categorías: 

• a) sustancias paramagnéticas, débilmente atraídas hacia la zona de campo más intenso;
•  b) sustancias diamagnéticas, débilmente repelidas hacia las regiones de menor campo; 
• c) sustancias ferromagnéticas fuertemente atraídas hacia la zona de campo más intenso con fuerzas entre 10 3 y 10 6 veces más intensas que las paramagnéticas. 

Ferromagnetismo

• El ferromagnetismo es el ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido. Un material ferromagnético es aquel que puede presentar ferromagnetismo. La interacción ferromagnética es la interacción magnética que hace que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y sentido. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo.

Generalmente, los ferromagnetos están divididos en dominios magnéticos, separados por superficies conocidas como paredes de Bloch. En cada uno de estos dominios, todos los momentos magnéticos están alineados. En las fronteras entre dominios hay cierta energía potencial, pero la formación de dominios está compensada por la ganancia en entropía. Al someter un material ferromagnético a un campo magnético intenso, los dominios tienden a alinearse con éste, de forma que aquellos dominios en los que los dipolos) están orientados con el mismo sentido y dirección que el campo magnético inductor aumentan su tamaño. Este aumento de tamaño se explica por las característcias de las paredes de Bloch, que avanzan en dirección a los dominios cuya dirección de los dipolos no coincide; dando lugar a un monodominio. Al eliminar el campo, el dominio permanece durante cierto tiempo. 

Paramagnetismo

• El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres (espín u orbitales) a alinearse paralelamente a un campo magnético. Si estos momentos magnéticos están fuertemente acoplados entre sí, el fenómeno será ferromagnetismo o ferrimagnetismo. 

Este alineamiento de los dipolos magnéticos atómicos con un campo externo tiende a fortalecerlo. Esto se describe por una permeabilidad magnética superior a la unidad, o, lo que es lo mismo, una susceptibilidad magnética positiva (y pequeña). 

En el paramagnetismo puro, el campo actúa de forma independiente sobre cada momento magnético, y no hay interacción entre ellos. En los materiales ferromagnéticos, este comportamiento también puede observarse, pero sólo por encima de su temperatura de Curie. 

Los materiales paramagnéticos sufren el mismo tipo de atracción y repulsión que los imanes normales, cuando están sujetos a un campo magnético. Sin embargo, al retirar el campo magnético, la entropía destruye el alineamiento magnético, que ya no está favorecido energéticamente.

Diamagnetismo 

• El diamagnetismo es una propiedad de los materiales que consiste en repeler los campos magnéticos tanto el polo norte como el sur. El fenómeno del diamagnetismo fue descubierto y nominado por primera vez en Septiembre de 1845 por Michael Faraday. 

Generalmente, el diamagnetismo se justifica por la circulación de los electrones en los orbitales doblemente ocupados. Como en un cable de un material conductor, la circulación de los electrones se produce en el sentido en el que el campo magnético que generan se opone al campo aplicado, generando una repulsión (efecto Hall). Por este mismo mecanismo, los superconductores presentan un diamagnetismo extraordinariamente alto. 

Temperatura de Curie

¿Porque se denomina Curie?

Pierre Curie fue un físico francés, pionero en el estudio de la radiactividad y descubridor de la piezoelectricidad, que fue galardonado con el Premio Nobel de Física del año 1903.

Definición:

• Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagnético pierde su magnetismo, comportándose como un material puramente paramagnético. Esta temperatura característica lleva el nombre del físico francés Pierre Curie, que la descubrió en 1895.

Pierre Curie descubrió, junto a su hermano Jacques, el efecto piezoeléctrico en cristales, estableciendo que la susceptibilidad magnética de las sustancias paramagnéticas depende del inverso de la temperatura, es decir, que las propiedades magnéticas cambian en función de la temperatura. En todos los ferromagnetos encontró un descenso de la magnetización hasta que la temperatura llegaba a un valor crítico, llamada temperatura de Curie (T_c), donde la magnetización se hace igual a cero; por encima de la temperatura de Curie, los ferromagnetos se comportan como sustancias paramagnéticas.

Sustancia Co	Tc (K) 1400
Fe	1043
Fe2B	1015
Fe3O4	858
NiOFe2O3	858
CuOFe2O3	728
MgOFe2O3	713
MnBi	630
Cu2MnAl	630
Ni	631
MnSb	587
MnB	578

MnOFe2O3	573
Y3Fe5O12	560
Cu2MnIn	500
CrO2	386
MnAs	318
Gd	292
Au2MnAl	200
Dy	88
EuO	69
CrBr3	37
EuS	16,5
GdCl3	2,2

Inducción magnética

Definición:

• es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan campos eléctricos. Al generarse un campo eléctrico en un material conductor, los portadores de carga se verán sometidos a una fuerza y se inducirá una corriente eléctrica en el conductor.

Cualquier dispositivo (batería, pila…) que mantiene la diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito se llama fuente de alimentación.

La fuerza electromotriz ε (fem) de una fuente se define como el trabajo realizado por el dispositivo por unidad de carga, por lo que las unidades de fuerza electromotriz son los voltios. Cuando decimos que un campo magnético genera una corriente eléctrica en un conductor, nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida).

Este hecho se observa fácilmente en el siguiente experimento: si acercamos o alejamos un imán a un conductor que no está conectado a ninguna fuente de fuerza electromotriz, se detecta con un amperímetro que aparece una corriente eléctrica en el conductor. La corriente desaparece si el imán se mantiene en la misma posición, por lo que se llega a la conclusión de que sólo una variación del flujo del campo magnético con respecto al tiempo genera corriente eléctrica.

La ley que explica esta interacción entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magnético es la 

Ley de Faraday:

Campo magnético terrestre

Definición:

• es el campo magnético que se extiende desde el núcleo interno de la Tierra hasta el límite en el que se encuentra con el viento solar; una corriente de partículas energéticas que emana del Sol.

El campo magnético de la Tierra es similar al de un imán de barra inclinado 11 grados respecto al eje de rotación de la Tierra. El problema con esa semejanza es que la temperatura Curie del hierro es de 700 grados aproximadamente. El núcleo de la Tierra está mas caliente que esa temperatura y por tanto no es magnético. Entonces ¿de donde proviene su campo magnético? Los campos magnéticos rodean a las corrientes eléctricas, de modo que se supone que esas corrientes eléctricas circulantes, en el núcleo fundido de la Tierra, son el origen del campo magnético. Un bucle de corriente genera un campo similar al de la Tierra. La magnitud del campo magnético medido en la superficie de la Tierra es alrededor de medio Gauss. Las líneas de fuerza entran en la Tierra por el hemisferio norte. La magnitud sobre la superficie de la Tierra varía en el rango de 0,3 a 0,6 Gauss.

El campo magnético de la Tierra se atribuye a un efecto dinamo de circulación de corriente eléctrica, pero su dirección no es constante. Muestras de rocas de diferentes edades en lugares similares tienen diferentes direcciones de magnetización permanente. Se han informado de evidencias de 171 reversiones del campo magnético, durante los últimos 71 millones años.

Documental sobre el campo magnético terrestre

Fuentes: 
es.wikipedia.org 
acer.forestales.upm.es
quintans.webs.uvigo.es
mitecnologico.com
asifunciona.com
tiposde.org
slideplayer.es


Felipe Rodriguez

5º 1ª