COMO FUNCIONA:
EL IMÁN (Materiales magnéticamente duros)
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José Luis Giordano
Enero 29, 2006 (Última revisión: Enero 25, 2007)


1-QUÉ ES


Un imán permanente o "imán", es un objeto que puede ser metálico, cerámico o plástico, generalmente homogéneo, que puede describirse como sigue:

(1) Un imán atrae ciertos materiales que, para simplificar, llamaremos "piezas de hierro". Las fuerzas "magnéticas" atractivas se ejercen a distancia (sin contacto), en vacío o a través de materiales como cobre, aluminio, plomo, vidrio, ladrillo, madera y plástico (brevemente, "materiales no magnéticos").

(2) Un imán tiene regiones denominadas "polos magnéticos", donde la fuerza de atracción que ejerce sobre piezas de hierro es considerablemente mayor. Hay solo dos tipos de polos magnéticos (denominados polo norte magnético, "N", y polo sur magnético, "S"), y que nunca pueden aislarse. Un imán puede ser "multipolar" (más de un N, o más de un S), pero no puede tener solo N (sin S), ni solo S (sin N). Si el imán es una barra con los polos en los extremos (barra "magnetizada" longitudinalmente), al partirla por la mitad para intentar separar el polo N del S, se obtienen dos imanes de menor tamaño, cada uno con sus polos N y S en los extremos.

(3) Sobre piezas de hierro cercanas, un imán "induce" polos magnéticos en el mismo sentido que sus propios polos. Estas piezas pueden conservar durante un tiempo algo de la magnetización inducida, como si fuesen imanes (Se los denomina "imanes temporales"). La interacción puede ser representada con líneas cerradas de "campo magnético", que salen del polo N y entran al S, de cada cuerpo magnetizado (imanes permanentes y temporales). Estas líneas pueden visualizarse indirectamente esparciendo limaduras de hierro muy finas sobre un papel colocado sobre el imán.

Cuando una pieza de hierro está inmersa en un campo magnético exterior, la superposición del campo generado por la magnetización interior da como resultado un campo alrededor de la pieza tal como si el campo exterior estuviese siendo absorbido o "chupado" por el material. La densidad de líneas de campo magnético es mucho mayor cerca y dentro del material magnético. Por eso se dice que estos materiales (como el hierro) son "permeables" al campo magnético. Esta "permeabilidad magnética" puede ser desde 1 hasta unas 100000 relativa al vacío, es decir, la densidad de líneas de campo (número de líneas por unidad de área), puede ser desde unas pocas veces superior, hasta miles de veces superior a la que habría lejos del material permeable.

(4) Entre dos imanes cualesquiera, no solo hay fuerzas atractivas, sino también repulsivas. Si se acerca un imán a otro imán, se observa que los polos del mismo tipo (N y N, o S y S), se repelen, mientras que polos diferentes (N y S), se atraen (aunque los imanes sean de diferente material, forma y tamaño). Las fuerzas magnéticas de repulsión y atracción se ejercen a distancia (sin contacto), en vacío o a través de materiales no magnéticos.

(5) Si se dejan varios imanes y piezas de hierro próximas o en contacto entre sí y con libertad de moverse, tienden a colocarse en la posición más estable, asociada a un menor campo magnético disperso, y que requeriría un mayor trabajo para separarlos. El camino o forma en la llegan a esa posición, es el que cuesta menos trabajo.

Como en otros procesos naturales, los magnéticos también evolucionan con el mínimo trabajo y hacia una configuración de menor energía. En particular, si un imán se deja libre como para girar (por ejemplo suspendido de un hilo, o apoyado sobre un corcho flotando en agua), éste tiende a orientarse con el campo magnético terrestre local. Si no hay estructuras de hierro ni rocas magnéticas próximas, el imán se orienta aproximadamente en la dirección Norte-Sur geográfica. Al extremo que apunta hacia el Polo Norte geográfico, se le denomina polo norte magnético, y al otro, polo sur magnético. Esto es lo que hace la brújula (que es una aguja magnetizada capaz de girar), cuando se orienta siguiendo al campo magnético que le rodea. La Tierra se comporta como si tuviese un imán con los polos aproximadamente a lo largo del eje de rotación, con el polo S magnético hacia el Norte geográfico. Pero además, el sentido de giro para orientarse con el campo terrestre, es el que corresponde al recorrido "más corto", girando el menor ángulo.

Finalmente,

(6) Un imán puede perder su capacidad de atracción y repulsión magnéticas si se calienta y/o golpea. Cuando no tiene ningún polo magnético, se dice que está desmagnetizado.

Un imán desmagnetizado puede volver a magnetizarse si no está muy caliente y si se le aplica un campo magnético intenso (dependiendo de cada material).
En general, los imanes para aplicaciones específicas son muy anisótropos (i.e., tienen propiedades distintas en distintas direcciones), ya que no se magnetizan igual ni con la misma facilidad en todas las direcciones. Existen direcciones preferenciales o "fáciles", y direcciones "duras" o "difíciles" para magnetizarlos.

Una pieza de hierro se magnetiza (temporalmente) al estar bajo el campo magnético que produce otro imán (próximo o en contacto). Si una pieza de hierro alargada (como una barra, tornillo o perno de hierro) se coloca a lo largo de la dirección Norte-Sur geográfica, un golpe hace que se magnetice (débil pero perceptiblemente) con los polos en el sentido del campo magnético terrestre.

Para estudiar la interacción magnética entre objetos, los imanes, piezas de hierro y bobinas suelen representarse con una cantidad vectorial denominada momento magnético, que indica (en forma macroscópica y equivalente) la dirección, sentido e intensidad de su magnetismo. Por otra parte, microscópica y atómicamente, el magnetismo en la materia se estudia con los momentos magnéticos microscópicos presentes en ciertas moléculas, y con los momentos magnéticos instrínsecos ("spin") en partículas atómicas como los electrones orbitales y los protones en el núcleo atómico.


Ejemplos

En la siguiente foto se observan clavos de hierro magnéticamente adheridos a los polos de un imán de "alnico", y una brújula cuya aguja se encuentra orientada según las líneas de campo magnético que salen del polo N (a la derecha de la barra) y entran al polo S (extremo izquierdo del imán).
El "N" de la escala de la brújula, corresponde a la orientación Norte geográfica, que señalaría la punta roja de la aguja, si estuviese lejos de la influencia magnética de la barra imantada.




Un problema de ingenio típico es el siguiente: Se tienen dos barras metálicas; una es un imán permanente magnetizado, y la otra es una barra de hierro, pero no se sabe cuál es cuál. ¿Cómo se puede distinguir cuál es el imán y cuál es el hierro, sin usar nada más que las mismas dos barras?. A continuación, en la foto se ve una barra magnetizada de alnico en posición horizontal, y un cilindro de hierro colocado debajo, perpendicularmente y próximo al centro del imán, donde no hay polos magnéticos. Esta configuración en " T " es la solución: en efecto, revela cuál es cuál ya que la falta de atracción demuestra que el de abajo no tiene ningún polo en el extremo y por lo tanto, ése debe ser el hierro. Si la barra de abajo fuese el imán, el polo del extremo superior se "pegaría" inmediatamente al centro del hierro.




La foto siguiente muestra tres imanes: un imán herradura de "ferrita", cuyos polos se han adherido magnéticamente a los polos opuestos de dos pequeñas láminas de "neodimio-hierro-boro" magnetizadas longitudinalmente. Los 3 imanes se encuentran con los polos "en serie", minimizando las líneas de campo dispersas entre los polos de la herradura.




En la siguiente se muestran otros 6 imanes laminares magnetizados longitudinalmente, que se encuentran magnéticamente adheridos de a pares. Dos de estos 3 pares están en posiciones inestables. El de abajo a la izquierda, que posee menor superficie (porque una lámina está encima de la otra), es la configuración más estable, la que exigiría más trabajo desarmar.




A continuación se muestran los elementos de un juego didáctico comercial, que consta de 4 piezas (plateadas) de hierro: 1 cilindro y 3 clips, y 6 imanes de ferrita (piezas grises): 1 barra y 2 herraduras magnetizadas longitudinalmente (con "N" y "S" grabados de fábrica), y 1 placa y 2 anillos magnetizados transversalmente (con los polos escritos a mano).


Todas las piezas de hierro están adheridas a los imanes, por lo tanto tienen polos inducidos comportándose como imanes temporales. Un clip se encuentra adherido al polo N de la herradura de la derecha, muy próximo al polo opuesto de la herradura izquierda, al que debería ser atraído intensamente. Pero esto no sucede debido a que hay menos líneas de campo dispersas entre los polos de la herradura izquierda, por tener el cilindro de hierro cerrando el "circuito magnético". Es decir, el imán herradura de la izquierda ha perdido gran parte de su capacidad de atraer piezas de hierro, debido a que sus polos se han "cortocircuitado" con una barra de hierro.

Por último, se muestra un juego formado por 10 esferas macizas de hierro (de unos 13 mm de diámetro) y 20 cilindros de plástico de diferentes colores. Cada uno de estos cilindros (de unos 25 mm de largo y 7 mm de diámetro) tiene un pequeño "imán de Tierras Raras" en cada extremo (de unos 2 mm de espesor y 5 mm de diámetro). Lamentablemente, un juego que podría ser muy instructivo y didáctico, no trae ni una brújula ni explicación alguna, por lo que un adulto no sabe qué hacer, y un niño suele dedicar la mayor parte del tiempo con este juego a armar "arañas" y animalitos, adhiriendo los cilindros a las esferas.
Por ejemplo, después de unos minutos de estudiar con una brújula los polos que tienen estos cilindros en sus extremos, se puede observar que hay 3 tipos distintos de configuraciones: (1) los "bipolares", con un N y un S en los extremos (como si fuese un imán más largo), y dos tipos de cilindros "monopolares", (2) unos con N, y (3) otros con S en cada uno de los dos extremos.


A la izquierda se muestran dos cilindros rojos con dos extremos adheridos a una esfera de hierro. Estos extremos se repelían entre sí, por lo tanto, hay dos polos del mismo tipo adheridos a la esfera. Esto induce en el hierro el otro polo, que por razones geométricas debe estar en el ecuador de la esfera, perpendicular al diámetro entre los polos. Por lo tanto, las otras dos esferas se han adherido al centro de la primera.
El otro conjunto que se muestra a la derecha con un cilindro azul y otro rojo, también tiene dos polos de dos cilindros adheridos a una esfera. Pero en este caso, los polos se atraían y por lo tanto, los polos adheridos a la esfera tienen que ser de diferente tipo. Ahora la esfera se encuentra magnetizada a lo largo del diámetro entre los cilindros, por lo que en el ecuador no hay ningún polo para atraer a las otras dos esferas como antes.


2-PARA QUÉ SIRVE

Los imanes, además de servir para hacer juegos, adornos, para juntar alfileres, hacer trampas y fijar mensajes en las puertas de los refrigeradores, tienen innumerables e importantísimas aplicaciones, que pueden separarse como sigue:

(1) Atractores: Utilizan la atracción hierro-imán, o la atracción/repulsión imán-imán y bobina-imán (Abrir y cerrar válvulas y reed-relays. Sujetar piezas y personas. Producir levitación estática. Mover mecanismos. Eliminar/Separar impurezas en alimentos. Guiar sondas médicas. Agitar y mezclar líquidos.)

(2) Vibradores: Generan movimiento ondulatorio (sónico o ultrasónico) utilizando alternadamente atracción y repulsión dinámica entre imán-bobina con corriente alterna (Parlantes. Emisores ultrasónicos de ecógrafos y sonares. Aparatos de limpieza por ultrasonido.)

(3) Indicadores: Utilizan el cambio de posición del material magnético o de una bobina debido a la tendencia de los momentos magnéticos (de imanes y bobinas con corriente) a orientarse en la dirección del campo externo (La aguja de las brújulas. El imán de los detectores de clavos en la pared. Las bobinas de los galvanómetros e instrumentos analógicos; en éstos, el campo lo provee un imán permanente estático.)

(4) Rotores: Generan movimiento de rotación utilizando la tendencia de los momentos magnéticos de las bobinas con corriente, a orientarse en la dirección del campo externo (Motores.)

(5) Generadores y contadores: Generan energía o señales mediante la inducción magnética (Generadores de electricidad a partir de combustible o vapor, hidroeléctricos y eólicos. Micrófonos de audio y sensores ultrasónicos de ecógrafos y sonares. Tacómetros para bicicletas y automóviles. Sensores y contadores en líneas de producción.)

(6) Registradores: Almacenan analógica o digitalmente información, datos, sonido o imágenes, mediante la posición relativa de los dominios magnéticos en discos o cintas (Discos duros, floppy-disks, cassettes de audio, cintas VHS de video, cassettes de cámaras de video, etc.)

(7) Inductores: Utilizan la inducción magnética sobre piezas ferrosas (Magnetizar y desmagnetizar herramientas).

(8) Deflectores: Utilizan fuerza magnética para desviar cargas eléctricas en movimiento (Hornos microondas. Espectrómetros.)

Por ejemplo, en Medicina y en Odontología muchos equipos e instrumentos tienen imanes permanentes en motores, actuadores, cierres de puertas y deflectores de haces. También hay aplicaciones en sondas con imanes de Tierras Raras de hasta 1 mm de largo x 0.5 mm de diámetro, guiados a través de venas y arterias mediante electroimanes exteriores al paciente. Algunos son usados para verificar la posición de dispositivos intrauterinos. Los imanes permanentes se han utilizado además en la extracción de objetos metálicos magnéticos del estómago y esófago. En particular, en Veterinaria se utilizan imanes de alnico recubiertos con teflon, de unos 8 cm de largo y poco más de 1 cm de diámetro, para que concentren las piezas metálicas de hierro que puedan entrar en los estómagos de las vacas, y así evitar que lleguen a otros órganos.


3-CÓMO FUNCIONA

Para que una pieza sea un imán, su material tiene que cumplir varias condiciones. Empezando por el tipo de elemento que lo compone, las distribuciones electrónicas de los átomos o iones tienen que proveer momentos magnéticos atómicos. Además, las moléculas deben tener una estructura tal que potencie la interacción entre esos momentos magnéticos. Por otra parte, la forma en la que estas moléculas se ordenan también es importante. Es decir, con una dada composición química y una estructura cristalina determinada, se puede obtener un material magnetizable, para fabricar un imán temporal. Pero para tener uno permanente, hace falta más: una estructura donde la regularidad o el ordenamiento esté interrumpido por cierto tipo de defectos microestructurales.


Microscópicamente

Aunque el origen del Magnetismo es un misterio, se sabe a qué está asociado el magnetismo en la materia. Uno de los números cuánticos de los electrones orbitales de todos los átomos, es el estado de rotación intrínseco o "spin" del electrón. Éste puede tener uno de dos estados opuestos posibles, que se denominan "hacia arriba" (up), o "hacia abajo" (down). El comportamiento del hierro y otros metales, se denomina "ferromagnetismo". Éste se asocia al spin de los electrones atómicos no-apareados, es decir, se asocia a átomos con órbitas electrónicas que no tienen igual número de spins up que down. Analizando la estructura electrónica desde el átomo más simple de la Tabla Periódica de Elementos Químicos (hidrógeno), se observa que al pasar de un átomo con número atómico Z al siguiente con Z+1, las capas y subcapas se van completando ordenadamente hasta el Z = 18 (argón). A partir del 19 (potasio), es energéticamente más conveniente comenzar a llenar la capa 4 en vez de continuar completando la subcapa 3d. Una vez completa la 4s (potasio y calcio), comienza a llenarse la 3d (escandio, titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto y níquel). La existencia de orbitales interiores incompletos, da la posibilidad de tener electrones no-apareados, que generan los momentos magnéticos atómicos en estos "metales de transición".

Pero para que un metal sea ferromagnético además tiene que haber una tendencia al alineamiento (interacción de intercambio) entre los momentos magnéticos atómicos. Esta interacción es muy sensible a la estructura cristalina del material (por eso existen, por ejemplo, aceros magnéticos ferríticos o alfa con estructura cristalina BCC, y aceros austeníticos o gamma con estructura cristalina FCC, que no son magnéticos, a pesar de tener similar composición química).

Los materiales para imanes más difundidos son los alnico y las ferritas. Los primeros son metálicos, mientras que las ferritas son cerámicos. En estos, los enlaces atómicos son principalmente iónicos, entre cationes que cedieron electrones, y aniones. El comportamiento magnético de la magnetita (Fe3O4) y otros cerámicos, se denomina "ferrimagnetismo". Éste se relaciona con los momentos magnéticos antiparalelos de los cationes en los tetrahedros y octahedros de la estructura cristalina.

(NOTA: la denominación "ferrita" de los imanes cerámicos, no debe confundirse con la "estructura ferrítica" del hierro-carbono alfa, que son metales magnéticos).


Granos, dominios magnéticos y técnica de Bitter

Las regiones del material donde los átomos o moléculas tienen igual orientación cristalina se denominan granos, y dentro de estos granos, los grupos de átomos con igual orientación de momento magnético se denominan dominios magnéticos. Debido a la tendencia de la Naturaleza a estar en estados de menor energía, si los granos son grandes, en su interior se pueden formar varios dominios alternados, que minimizan el campo remanente. Esto hace que al aplicar un campo externo, cueste menos energía que los dominios se muevan, haciendo que el material se desmagnetice fácilmente. Por lo tanto, para que además de ser ferro o ferrimagnético un material no sea fácil de desmagnetizar, los granos deben ser pequeños (hasta unos 6x10-6m, o menores).

En los años 30, el físico estadounidense Francis Bitter (1902-1967), se sentía insatisfecho con la teoría de los dominios magnéticos, ya que eran un concepto central, debían ser relativamente grandes, y sin embargo nadie los había visto. Así fue que se le ocurrió extender a la escala microscópica el método de las limaduras de hierro para estudiar objetos magnetizados. Fabricó cristales ferromagnéticos grandes, con superficies lisas, que no mostraran ninguna estructura con las gruesas limaduras de hierro. Luego preparó polvos mucho más finos que las limaduras, y los colocó sobre los cristales. Los polvos se depositaron en los bordes de los dominios (en sus polos, donde el campo es más intenso), y por primera vez quedó demostrada su existencia. Este procedimiento se conoce como "Técnica de Bitter" o "Decoración magnética".
Esto también inspiró el desarrollo de una técnica similar que se utiliza para estudiar fluxones en superconductores tipo II.


Defectos microestructurales y anclaje de dominios ("pinning")

No siempre es fácil y económico fabricar un material con granos pequeños, y otras veces, no es compatible con algunas propiedades mecánicas o químicas. El polvo para fabricar un imán cerámico con granos pequeños, puede oxidarse más y dar un material más frágil.

Una alternativa tecnológica para que un material pueda ser imán permanente, es usar granos no tan pequeños (del orden de 10 micrómetros, 10-5m), pero evitando el movimiento de las paredes de los dominios mediante el anclaje con defectos microestructurales dentro de los granos. Estos defectos puden ser combinaciones de impurezas, intersticiales, vacantes, maclas, poros y fases no magnéticas. Cuando los imanes metálicos se fabrican mediante fusión y moldeo, hay que hacerlo de tal forma que puedan tener y controlarse defectos en su microestructura. En el caso de los cerámicos, que se fabrican mediante la sinterización de polvos, hay defectos como los poros, presentes de forma natural. Por eso algunos imanes metálicos también se fabrican mediante pulvimetalurgia, sinterizando polvos metálicos sin fundir.

El anclaje es justamente lo que hace que las piedras magnéticas naturales sean imanes. Están compuestas principalmente por magnetita (Fe3O4). Sin embargo, si uno fabrica magnetita en el laboratorio, lo que se obtiene es un buen imán temporal, pero no un imán permanente. Mirando el material de los imanes naturales con un microscopio y con rayos-X, se encuentra que tienen regiones microscópicas de magnemita (Fe2O3), y otras contienen pequeños porcentajes de Ti, Al y Mg distribuídos no-uniformemente. Estas impurezas proveen el anclaje necesario para darles las características magnéticas que los convierte en imanes permanentes.


Campos y sus unidades

En Magnetismo se utilizan 3 campos básicos: H, M y B.

El "campo H" H, es el que siente cada parte del material (campo "efectivo"), denominado a veces "intensidad" de campo magnético. La magnetización M es la respuesta generada por el material. Finalmente, la superposición de los dos anteriores, es el campo magnético total en el material, denominado "campo magnético" B, confusamente llamado "inducción magnética".

En el sistema internacional (SI) de unidades:

B = m0 (H + M)

donde H y M se miden en A/m, y B en tesla (T), siendo la constante magnética

m0 = 4 10-7 T m / A

En el sistema gaussiano:

B = H + 4 M

donde H se mide en oersted (Oe), M en erg/(cm3xG) y B en gauss (G). El uso de este sistema en Magnetismo tiene dos cosas "raras" ... por un lado, B y H tienen unidades diferentes, y por otro lado, 4 le cambia las unidades a M: "4 M" se mide en gauss (G).

Las conversiones son:

H en A/m = ( 103/(4) ) x (H en Oe)

M en A/m = 103 x (M en erg/(cm3xG) )

B en T = (B en G) / 104



Ciclo de histéresis magnética

La figura siguiente describe esquemáticamente la respuesta magnética del metal ferromagnético o el cerámico ferrimagnético en una dirección, en función del campo magnético exterior efectivo que "siente" el material, en esa dirección. El ciclo M(H) corresponde a la representación de M vs. H.

La relación más general M(H), considera lo que ocurre en todas las direcciones. Esto es la ecuación constitutiva de un material magnético, necesaria para resolver completamente un problema donde esté ese material. En la práctica, se trabaja en una dirección (que depende del dispositivo y material con el que se trabaje), y la ecuación constitutiva se obtiene del ciclo de histéresis M(H) en esa dirección.

Inicialmente, en (1), se tiene el material "virgen", M = 0. Cuando se le aplica campo, aumenta la magnetización del material, en el sentido del campo. La curva de (1) hasta (2) en el cuadrante I, se denomina "curva de primera magnetización". Se observa que la respuesta alcanza un valor máximo. Éste se denomina "magnetización de saturación" MS, y corresponde a todos los momentos magnéticos en su máxima alineación posible. Este parámetro es muy importante porque muestra cuánta magnetización inducida puede tener un imán temporal cuando es excitado.


Al retirar poco a poco el campo desde (2) hasta (3) donde el campo es nulo, M vuelve por valores mayores que los correspondientes al proceso de magnetización de (1) a (2). Esto se debe al reordenamiento de dominios, y es como si el material tuviese "memoria" de haber sido sometido a campos superiores. Esta irreversibilidad de la magnetización se denomina "histéresis magnética" del material.
En particular, al llegar a (3), en ausencia de campo efectivo, el material queda con MR denominada "magnetización remanente", o remanencia. Este parámetro es muy importante porque muestra cuánta magnetización puede almacenar un imán permanente.

Al aumentar el campo en el sentido opuesto, entre la remanencia (3) y M = 0, punto (4) en el cuadrante II, se tiene la "curva de desmagnetización" del material. La intensidad del campo H requerida para anular M, se denomina "campo coercitivo intrínseco" o "coercitividad intrínseca" HCI. Este parámetro es el más importante en un imán, porque representa su resistencia a ser desmagnetizado. También permite estimar cuál es la intensidad de campo necesaria para magnetizar el material (del orden de unas 5 veces HCI).

En la curva de desmagnetización (cuadrante II), existe un valor de H entre H = -HCI (coercitividad) y H = 0 (remanencia), para el cual el imán tiene el máximo de energía magnética, o sea el máximo valor de -BxH. Este parámetro se denomina "máximo producto BxH" o "(BH)max", y es una mejor figura de mérito del material duro, que la MR o la HCI por separado.

En el cuadrante III, de (4) a (5), el material vuelve a ser saturado pero en el sentido opuesto, y de (5) a (6) se retira el campo y vuelve a quedar con un valor remanente -MR, opuesto al (3).

Si se aplica de nuevo un campo en el sentido original, cuadrante IV de (6) a (7), M evoluciona con histéresis, hasta que en (2) se cierra el ciclo de histéresis magnética, cuando el material vuelve a estar magnéticamente saturado.

También se denomina ciclo de histéresis magnética al ciclo B(H) que corresponde a la representación de B vs. H. En este ciclo también se definen la saturación, la remanencia y la coercitividad (no intrínseca):

BS = m0 (HS + MS)

BR = m0 MR

HC = -H(B=0 con H en el cuadrante II)


siendo HS la intensidad de campo necesaria para alcanzar saturación.
Un área dentro del ciclo B(H) representa una densidad de energía magnética (en erg/cm3 o en J/m3) disipada en forma de calor por unidad de volumen de material, debida a la fricción entre los dominios magnéticos.
El parámetro (BH)max es el rectángulo de mayor área en el cuadrante II del ciclo B(H).
El área completa encerrada por el ciclo B(H) representa la densidad de energía magnética disipada por unidad de volumen y por ciclo. Mientras más grande sea el área del ciclo de histéresis, mejor es el material como imán (y peor como núcleo de transformador).


Efecto de la temperatura

El ciclo de histéresis magnética corresponde al comportamiento de los metales ferromagnéticos y cerámicos ferrimagnéticos, a temperaturas T menores que la "temperatura de Curie": TC, que es característica de cada material. El ordenamiento magnético, se favorece a baja temperatura.
Pero si T aumenta, todos los parámetros, MS, MR, HCI, (BH)max y el área del ciclo de histérisis son menores, debido al desorden magnético producido por activación térmica. Cuando el material llega a TC, el área es nula y el material pierde toda la remanencia.
TC es uno de los factores limitantes más importantes. Un imán es mejor, mientras mayor sea TC, ya que un imán trabaja mejor (tiene parámetros mayores), mientras menor sea la temperatura, respecto de TC.


Ley de Gauss del magnetismo y efecto desmagnetizante

La propiedad de no poder aislar un polo magnético, es equivalente a que las líneas de campo magnético sean cerradas, es decir, todas las líneas que salen del polo N, llegan al S. Esto se conoce como Ley de Gauss del Magnetismo, y se escribe matemáticamente diciendo que el campo magnético B en el punto (x,y,z) y en el instante t tiene divergencia nula:

div B(x,y,z,t) = 0

La divergencia (div) es un operador vectorial. Esta ecuación es una propiedad local en cada punto del espacio, que se puede expresar en un volumen. Macroscópicamente equivale a decir que no hay flujo neto de campo magnético a través de una superficie cerrada, es decir, todo el flujo de campo que entra, sale a través del resto de la superficie.

Esta es una ley básica de la Naturaleza, una de las 4 Leyes Fundamentales del Electromagnetismo o "Ecuaciones de Maxwell" que relacionan todos los campos electromagnéticos. Usando estas 4 ecuaciones, con toda la información acerca de la geometría del problema ("condiciones de frontera"), la permeabilidad y otros parámetros del material ("ecuaciones constitutivas"), se puede encontrar la solución, es decir, la forma de las líneas de los campos magnético y eléctrico del problema en cuestión.

Una consecuencia importantísima del hecho de que las líneas de campo magnético sean siempre cerradas, es que cada imán siente -en promedio- un campo opuesto, campo desmagnetizante HD. Esto se debe a que cada elemento en su interior, tiene líneas de campo que se cierran oponiéndose a las líneas de los elementos vecinos. Según la forma y tamaño del imán en relación al sentido de la magnetización, este efecto (perjudicial para un imán) se resume en el factor desmagnetizante N:

HD = -NM (SI)

o en el otro sistema

HD = -4NM (gaussiano)

Esto significa que si uno aplica un campo magnético exterior HA, el material en promedio siente un campo efectivo menor, dado por (en el SI):

H = HA + HD = HA - NM

Es decir que cuando no se aplica campo exterior (HA = 0), el material magnetizado siente un campo opuesto -NM que trata de desmagnetizarlo, y ésto hace que (dependiendo de la forma), el imán tenga una remanencia menor (remanencia aparente), que la MR propia del material.
El efecto autodesmagnetizante es mayor mientras más cerca estén los polos entre sí. Por lo tanto, para fabricar imanes con un material de no muy alta coercitividad, es necesario que sea muy largo en el sentido de la magnetización. De este modo se alejan los polos magnéticos y disminuye el efecto autodesmagnetizante. Esta es la razón por la que no hay imanes alnico ni ferritas en forma de discos muy delgados magnetizados axialmente, y que presenten una alta remanencia (Por ejemplo, los imanes planos para dejar mensajes en los refrigeradores, están magnetizados tangencialmente).


¿Cómo se magnetizaron los imanes naturales?

Qué hace que los imanes naturales estén tan magnetizados, es un misterio. Se pensaba que los materiales volcánicos se magnetizaban al solidificarse en presencia del campo magnético terrestre (que es del orden de 0.5G = 5x10-2mT). Pero esta intensidad de campo no es suficiente para que la magnetita natural esté tan magnetizada como se la encuentra en la Naturaleza. Las piedras magnéticas tienen que haber sido magnetizadas con un campo mucho más intenso. ¿Cómo?

Se conoce una sola explicación razonable a este misterio: los rayos; se magnetizaron con el campo magnético creado por las inmensas corrientes eléctricas de rayos que hayan caído muy cerca.

En efecto, un sencillo cálculo usando la Ley de Ampère, muestra que un campo de 1 tesla (requerido para saturar la magnetita) a 1m de distancia, es producido por una corriente de 5 millones de ampere. Esta intensidad de corriente es del orden de magnitud de las encontradas en las descargas atmosféricas.


Cómo se desmagnetiza un imán

Una forma de desmagnetizar un imán es hacer que su temperatura alcance la TC del material. Por agitación térmica, los dominios quedan desordenados, y en promedio, no hay magnetización neta.

Pero muchas veces no se tiene un horno, o bien, el material magnetizado tiene plásticos, o está dentro de un aparato que no se puede calentar. Para estos casos se utilizan desmagnetizadores específicos. Por ejemplo, cuando se quiere arreglar un parlante de bobina móvil, hay que desarmarlo. Pero el imán permanece fuertemente adherido a las piezas de hierro. Entonces, ¿cómo se desmagnetiza el imán para poder desarmar sin romper? Lo que se hace es someter al material a ciclos de histéresis con cada vez menor amplitud, de modo que la estructura de dominios vaya ordenándose consecutivamente, hacia una configuración en promedio sin campo efectivo.

Los ciclos decrecientes se consiguen descargando un condensador en una bobina, dentro de un circuito "RLC en régimen subamortiguado". Muchos desmagnetizadores de imanes de parlantes, son grandes circuitos magnéticos de hierro en forma de "C" con el parlante colocado en el entrehierro, donde la energía eléctrica almacenada en un banco de grandes condensadores, se descarga a través de bobinas, creando el campo magnético necesario para saturar el imán del parlante. Con un solo semiciclo (positivo o negativo), el imán se magnetiza. Con ciclos sinusoidales amortiguados (positivos y negativos consecutivos y decrecientes), se desmagnetiza.

A una escala muchísimo menor, se hace lo mismo para desmagnetizar los "cabezales" de pasa-cassettes de audio y video-cassettes VHS, y también para magnetizar y desmagnetizar herramientas.


4-DE QUÉ ESTÁ HECHO

Por la resistencia o por la facilidad para desmagnetizarse, los materiales se denominan respectivamente "materiales magnéticos duros" (para fabricar imanes permanentes), o "materiales magnéticos blandos" (para núcleos de transformadores y electroimanes).

Para ver qué material duro (para imanes) es mejor, se utilizan principalmente la temperatura de Curie TC y el máximo producto BxH. Un mayor (BH)max hace que el tamaño necesario del imán para una dada aplicación, sea menor. En particular, el campo Bgap en el entrehierro ("gap") de un dado dispositivo, es aproximadamente proporcional a la raíz cuadrada del (BH)max por el cociente de los volúmenes Vmag del imán y Vgap del gap. Esto puede entenderse viendo que la energía magnética en el entrehierro de un dispositivo con imán, es aproximadamente proporcional a la energía magnética del imán operando en el punto óptimo:

(Bgap)2 x Vgap = (BH)max x Vmag x constante


En el sistema gaussiano, el parámetro (BH)max de un material duro se mide en millones de gauss-oersted (MGOe), mientras que en el SI se mide en kilojoule por metro cúbico (kJ/m3). La conversión es:

(BH)max en kJ/m3 = ( 100/(4) ) x ( (BH)max en MGOe )

Pero cuando se comparan materiales magnéticos en relación a las aplicaciones en el mercado, una mejor figura de mérito es (BH)max/USD, el máximo producto BxH por dólar estadounidense. Esto es lo que hace que en muchas aplicaciones puedan preferirse materiales duros como algunas ferritas, aunque no sean tan duros como algunos alnicos. Las ferritas son menos costosas.

A continuación se comparan algunos materiales duros, separados cronológicamente:


(1) Primeros imanes:
imán natural (magnetita, cerámico), hierro y acero (metálicos).


Los primeros imanes conocidos fueron, por supuesto los imanes naturales. Las primeras evidencias registradas de haber observado fenómenos de atracción magnética datan del año -2500 aproximadamente. Al parecer, la punta metálica de los bastones de los pastores era atraída por ciertas piedras de la antigua Magnesia. Cerca del -700 aprox. el filósofo griego Thales de Miletus (-625 a -547) hizo traer las misteriosas piedras de Magnesia para estudiarlas, cuyo material fue llamado magnetita. También estudió el ámbar, que tenía la propiedad de atraer otras substancias cuando era frotado. Thales es la primera persona de la que se sabe haya comenzado a buscar las "causas" de los fenómenos naturales.
La capacidad de los imanes de orientarse de norte a sur, era conocida por los Chinos desde el año -200 o antes, y en Europa se conoció aparentemente cerca del 1200.
Las agujas de las brújulas se fabricaban con acero, pero durante los viajes se iban desmagnetizando. Por lo tanto, los navegantes cuidaban con su vida una piedra de magnetita que llevaban para magnetizar la brújula durante sus viajes. Desmistificar el magnetismo y mejorar los materiales magnéticos comenzó a ser algo importante ...

En 1269 el ingeniero francés Peregrinus de Maricourt, quien participó en las cruzadas, escribe "Epistola de magnete". Sus observaciones son los primeros experimentos que se hayan conocido sobre el Magnetismo. Peregrinus utilizó limaduras de hierro sobre una pieza esférica de magnetita y observó la similitud con las líneas meridionales terrestres, por lo que llamó "polos del imán" a los dos puntos opuestos donde entraban o salían estas líneas invisibles y de origen misterioso. También observó que cuando un imán era cortado, cada pieza todavía conservaba dos polos, que las piezas se atraían si se enfrentaban polos diferentes, y que un imán más potente podía cambiarle los polos a uno más débil.
En 1600 el médico inglés William Gilbert (1544-1603) publica "Sobre imanes, cuerpos magnéticos y el gran imán de La Tierra". En esta obra resume sus investigaciones sobre cuerpos magnéticos y eléctricos que comenzó en London, en 1573. Gilbert es considerado el "Padre de la Electricidad" y sin duda fue el primero en registrar estudios sistemáticos acerca de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Gilbert manifiesta su acuerdo con Copérnico, concluye que las estrellas están a diferentes distancias de La Tierra y que los planetas orbitan debido a alguna forma de magnetismo (una inquietante idea que atraerá más tarde a genios como Faraday y Einstein).

El hierro es el metal más importante entre los imanes permanentes. Una ínfima cantidad de carbono en el hierro hace que el hierro tenga la suficiente coercitividad (1 Oe) como para fabricar el imán de una brújula. Gilbert ya había observado que el acero retenía su magnetización mejor que el hierro. La saturación del hierro (20kG) es mayor que la saturación de la magnetita (4kG), por lo tanto, para una brújula se prefiere una aguja de acero. Pero por otro lado, la coercitividad de la magnetita (200G) es unas 200 veces superior. Es decir, el hierro es mejor imán temporal y la magnetita mejor imán permanente. En 1897 Madame Curie encontró que aceros con W, Cr o Mo tenían coercitividades de 80 Oe. En 1920 científicos japoneses encontraron que añadiendo Co a los aceros con Cr se duplicaba la coercitividad y alcanzaba (BH)max = 1 MGOe aproximadamente, unas 4 veces mayor que en los aceros al carbono, y 10 veces mayor que los imanes naturales.

En cuanto a la Temperatura de Curie, hay materiales magnéticos duros desde aceros al tungsteno con TC = 760°C, con menor coercitividad, hasta materiales como el cunife con 9 veces mejor coercitividad, pero con TC = 410°C.


(2) Imanes tradicionales más importantes:
Alnicos (metálicos) y ferritas (cerámicos).


Posteriormente se desarrollaron mejores imanes, como los alnicos, entre 1930 y 1960 aproximadamente. Son metálicos, tienen Al, Ni y Co pero en algunos tipos, más de un 50% de su peso sigue siendo Fe. Con ellos se alcanzan 8 MGOe. Las ferritas son cerámicos desarrollados entre 1950 y 1960 aproximadamente. Aunque tienen menores (BH)max, dominan el 90% del mercado de imanes por ser suficientemente buenos y mucho más baratos.

En cuanto a la Temperatura de Curie, hay materiales magnéticos duros como el alnico 8 sinterizado con TC = 860°C y con muy buen (BH)max, y materiales como la ferrita 3 sinterizada con TC = 450°C y con 2/3 de la (BH)max del anterior, pero con mucho mejor precio.

La foto siguiente muestra una cinta auto-adhesiva magnetizada longitudinalmente, útil para que el cierre de algunas puertas y ventanas no tenga mecanismos. Este imán flexible es un composite fabricado con una matriz polímérica mezclada con una fase dispersa de ferrita.



Otro material duro muy bueno es el Pt-Co, pero no es importante en el mercado, debido al costo de sus componentes.


(3) Superimanes, o imanes con Tierras Raras:
Imanes de cobalto con tierras raras, y los de neodimio (ambos metálicos).


Entre 1970 y 1990 aproximadamente, se descubrió y desarrolló una nueva generación de imanes intermetálicos con Tierras Raras (RE), denominados "superimanes" o "imanes permanentes con tierras raras" (REPM).

En los años 50 se estaban estudiando aleaciones con RE y metales de transición tratando de combinar los altos momentos magnéticos del Fe y Co (subcapa 3d) con los altos momentos magnéticos de las RE (subcapa 4f). En la Intermag Conference (Stuttgart, 1966), Karl Strnat y G. Hoffer de la Universidad de Dayton (Ohio, USA) presentaron resultados sobre cristales de YCo5 y Y2Co17, anunciando que podrían obtenerse materiales para imanes con altísimos valores de (BH)max. En pocos años, los resultados fueron tan espectaculares que en 1974 nacieron congresos específicos, llamados "International Workshop on Rare Earth-Cobalt Permanent Magnets and Their Applications", y los "International Symposium on Magnetic Anisotropy and Coercivity in Rare Earth-Transition Metal Alloys".

Los principales imanes de esta familia de imanes con tierras raras y cobalto son del tipo RE-M5 y RE2M17, donde "RE" son Samario Sm, Prometio Pr y Neodimio Nd y "M" son mezclas de Co con metales como Fe, Cu, Zr, Ti, Hf y Mn.
El primero fue el SmCo5, introducido en 1970 por la GE Research Lab, en Schenectady, New York (USA), con una coercitividad y energía enormes: HCI = 20kOe y (BH)max = 25 MGOe. Los valores altísimos de HCI condujeron a nuevas aplicaciones, debido a que por primera vez fue posible fabricar imanes potentes muy delgados en la dirección de la magnetización.
Los altos valores de (BH)max permitieron reducir sorprendentemente el tamaño de generadores y parlantes. En particular, fue entonces cuando los auriculares de alta fidelidad dejaron de ser grandes, debido a la incorporación de pequeños superimanes.
Otra de las posibilidades que brindan estos potentes imanes, es la de tener un campo muy alto (aprox. 1 tesla) cerca de su superficie, aún siendo discos delgados. Esto permitió la realización de experimentos como los de levitación magnética estática y realizar sencillamente demostraciones de levitación y anclaje con superconductores de alta temperatura crítica (HTS).

La investigación continuó (y continúa) ya que la teoría predice que pueden obtenerse imanes más potentes aún, y también debido a que el Sm entre las Tierras Raras y el Co entre los metales de transición son relativamente caros.

Hasta el momento, el último superimán sorprendente descubierto es el "neodimio-hierro-boro", Nd2Fe14B, desarrollado en 1983 por la Sumitomo (Japón) y la GM (USA). En laboratorio se han obtenido hasta 50MGOe!

La foto siguiente muestra dos pequeños discos de neodimio-hierro-boro comerciales de 27MGOe.



Entre superimanes, comparando los de RE-M5 y RE2M17 con los neodimio-hierro-boro, los últimos tienen la desventaja que no se pueden usar a temperaturas altas. Están recomendados hasta 150°C aprox., ya que su TC es 310°C (El SmCo5 tiene TC = 725°C).

En la actualidad, los superimanes con Tierras Raras son menos resistentes mecánicamente y a la corrosión, que alnicos y ferritas. Pero sus propiedades magnéticas, son monstruosamente superiores.


5-VERDAD o TIMO ... ?

Gracias a la magia e invisibilidad del magnetismo, los imanes también son ingeniosamente utilizados por magos (ilusionistas y prestidigitadores). Pero lamentablemente, gracias a la poca información de muchas personas y a la permisividad comercial, los imanes también son usados por personas que, o bien no saben de ellos, o son "magneto-charlatanes". Algunos ejemplos son objetos como pulseras magnéticas, imanes terapéuticos, llaves de agua anti-stress, agua magnética, miel magnética (RMN), economizadores de combustible (Ionis, Econofuel, Life Streams Intl.) y los fertilizantes denominados "magnetohidrodinámicos". Estos productos se venden libremente y cuentan con la complicidad de importantes medios de comunicación para promocionarse. Al no haber evidencia de las bondades de estos productos que haya sido confirmada por la comunidad científica internacional, lo más probable es que sean "timos" que no hacen nada de lo que se publicita.

También se dice que los platos voladores u ovnis (UFO´s) usan magnetismo para suspenderse en el aire, que los telépatas lo usan para comunicarse con la mente y que los que encuentran napas de agua con un palito en forma de "Y" tienen un poder magnético. Bueno ... se dicen muchas cosas usando la palabra "magnetismo", pero hay tres verdades indiscutibles: (1) nadie ha mostrado hasta el momento (de forma seria, clara, científica, y verificable por investigadores de todo el mundo) ni que existen ovnis, ni que exista la telepatía, ni que el agua pasada por imanes cambie, ni que el "trabajo" de encontrar agua con un palo, sea honesto. (2) Cualquier persona que estudie seriamente las evidencias y las características de los campos magnéticos y gravitacionales, se da cuenta que lo más probable es que sean disparates, con los que se rellenan "noticias" y engaña a la gente. (3) Los avances científicos y tecnológicos comprobados que caracterizan nuestra civilización tecnológica (como las comunicaciones, medicina nuclear, genética, viajes espaciales, materiales avanzados, etc.), se consiguieron con muchísimo esfuerzo y usando el método científico. Este método es lo único que tenemos, para separar entre los investigadores (estén equivocados o no) de los brujos de la Edad Media y los chantas del presente. (NTS)



REFERENCIAS

(1) Cualquier libro de Física General

(2) Bitter F 1959 Magnets: the education of a physicist (NY: Doubleday)
En castellano: 1960 Imanes, la educación de un físico (Buenos Aires: EUDeBA)

(3) Livingston J D 1996 Driving Force; The natural magic of magnets (Cambridge MA: Harvard)

(4) Ingelstam E and Sjoberg S 1964 ELPHYMA TABLES (New York: Wiley & Sons)



AGRADECIMIENTOS

A Karl J. Strnat (QEPD) e hijo, de KJS Associates (USA), por las muestras de superimanes de SmCo5 y de Nd2Fe14B, enviadas en 1986 al Centro Atómico Bariloche (RA) para ayudarme en mi tesis. A Cristian Galli (I) por obsequiarme el juego "Magnetix Power".



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