Cómo funcionan los imanes: polos, líneas de campo, dominios y por qué se pegan al hierro
Un imán funciona porque lo rodea un campo magnético, y ese campo atrae al hierro y a otros imanes. En el hierro, los diminutos campos magnéticos de los átomos se alinean en regiones llamadas dominios, y sus efectos se suman en lugar de anularse. Los polos distintos se atraen y los iguales se repelen. Un imán de nevera crea unos 5 mT en su superficie, cerca de 100 veces el campo terrestre de unos 50 µT, pero solo a pocos centímetros.
Los imanes parecen tirar de las cosas a través del vacío, y es fácil darlo por hecho. Esta guía explica cómo funciona: los polos y las líneas de campo invisibles, por qué un imán se pega a la puerta de acero de la nevera pero no a la madera, qué ocurre dentro de un trozo de hierro y por qué toda la Tierra se comporta como un imán gigante que gira la aguja de una brújula. Resuelve los números, desde un imán de nevera hasta un rumbo de brújula, y termina con un capítulo de libro animado donde puedes ver tú mismo las líneas de campo.
Ideas principales
- Todo imán tiene dos polos: los polos distintos se atraen y los iguales se repelen. Si partes un imán por la mitad obtienes dos imanes más pequeños, cada uno con sus dos polos; nunca se ha encontrado un polo aislado.
- El magnetismo procede de la carga eléctrica en movimiento. En el hierro, el espín de los electrones convierte a cada átomo en un imán diminuto, y en un imán estos se alinean en regiones llamadas dominios.
- El hierro, el níquel y el cobalto son atraídos con fuerza por un imán; el cobre, el aluminio, la madera y el plástico no. Por encima del punto de Curie, unos 770 °C para el hierro, este deja de ser un imán.
- La Tierra es un imán gigante con un campo de unos 50 µT en el suelo (de unos 25 a 65 µT), creado por hierro líquido en movimiento en su núcleo. La brújula lo sigue hasta el norte magnético, que no coincide exactamente con el geográfico.
Polos y líneas de campo
Un trozo de magnetita, un imán natural hecho del mineral del mismo nombre, descansa sobre una hoja de papel. Espolvorea limaduras de hierro a su alrededor y se ordenan en curvas que van de un extremo, el polo norte, hasta el otro, el polo sur. Esas curvas son las líneas de campo, y el campo es más intenso donde se juntan. Si partes un imán por la mitad no obtienes un norte solo y un sur solo, sino dos imanes más pequeños, cada uno con sus dos polos. Nunca se ha observado un polo magnético aislado.
Todo campo magnético lo crea una carga eléctrica en movimiento. Un electroimán usa una corriente en una bobina de cable. En un imán permanente la «corriente» es el espín de los electrones dentro de los átomos de hierro, cada uno de los cuales actúa como un imán diminuto. En 1820 Hans Christian Ørsted notó que una corriente en un cable desvía la aguja de una brújula, la primera señal clara de que la electricidad y el magnetismo son dos caras de la misma fuerza.
Por qué los imanes se atraen, se repelen y se pegan al hierro
Acerca dos imanes. Norte contra norte se empuja y norte contra sur se atrae: los polos iguales se repelen y los opuestos se atraen. Un imán de nevera típico crea un campo de unos 5 mT en su superficie, mientras que el campo terrestre en el suelo es de unos 50 µT. Divide: 5 × 10⁻³ / 50 × 10⁻⁶ = 100, así que en su propia superficie el imán de nevera es cien veces más fuerte que el planeta. El campo decae rápido con la distancia. Bastante más allá del tamaño de un imán pequeño cae con el cubo de la distancia, así que al doble de distancia queda una octava parte.
Un imán se pega a una puerta de acero porque su campo alinea los dominios del hierro cercano, y el hierro se convierte en un imán temporal con su polo opuesto frente al imán. Los dos se atraen. El hierro, el níquel y el cobalto, y muchas aleaciones de ellos, responden con esta fuerza. El cobre, el aluminio, la madera, el vidrio y el plástico no son atraídos en la vida diaria, y el acero inoxidable depende de la aleación: algunos tipos son magnéticos y otros no.
Dentro del hierro: dominios, calor y una brújula casera
Si te acercas al hierro encuentras regiones diminutas llamadas dominios, cada una con una multitud de átomos cuyos imanes pequeños apuntan en la misma dirección. En un clavo corriente los dominios apuntan en todas direcciones y se anulan. Un imán es hierro cuyos dominios se han alineado. Los golpes y el calor los desordenan. Por encima del punto de Curie, que Pierre Curie estudió en la década de 1890, el hierro deja de ser magnético. Para el hierro son unos 770 °C, es decir, 770 + 273,15 ≈ 1043 K. Una vez frío, los dominios normalmente no vuelven a alinearse solos.
Puedes alinear dominios tú mismo. Pide ayuda a un adulto y frota una aguja de coser de acero unas 50 veces en un mismo sentido a lo largo de un extremo de un imán, levantándola al final de cada pasada. Pon la aguja sobre un trocito de corcho o una hoja en un cuenco de agua en reposo y girará despacio hasta señalar más o menos el norte y el sur. Cuidado con la punta, y usa solo imanes pequeños.
La Tierra como imán y una brújula con números
La propia Tierra es un imán, y los científicos creen que su campo lo crea el hierro líquido en movimiento del núcleo externo. Una aguja imantada sobre un pivote gira hasta señalar más o menos el norte. Autores chinos describen agujas imantadas en el siglo XI, y el Mengxi bitan (Ensayos del estanque de los sueños) de Shen Kuo, hacia 1088, señala que esa aguja no apunta exactamente al norte y al sur. Una brújula encuentra el norte magnético, que no es el norte geográfico del eje de giro. La diferencia se llama declinación: con 10°, una marcha de 5 km siguiendo el rumbo de la brújula acaba a 5 × tan 10° ≈ 0,9 km de la línea verdadera.
El campo terrestre se extiende muy lejos en el espacio y forma la magnetosfera. Desvía las partículas cargadas del viento solar alrededor del planeta, y algunas bajan en espiral por las líneas de campo cerca de los polos hasta el aire tenue de la alta atmósfera, donde forman las cortinas luminosas de la aurora. Las rocas también recuerdan el campo: la lava que se enfría en el fondo marino fija su dirección. Las franjas de dirección alterna a ambos lados de las dorsales oceánicas muestran que el campo se ha invertido muchas veces, la última hace unos 780 000 años.
Mira el campo de un imán en el VJOURNAL SMART BOOK
El capítulo «Imanes y el campo de la Tierra» del libro de física VJOURNAL SMART BOOK (volumen II) en VITON13 SCHOOL pone junto a cada párrafo una escena 3D viva: una magnetita con limaduras de hierro que se asientan en líneas de campo, dos imanes que se empujan o se atraen, una aguja de brújula que gira hacia el norte, un zoom al hierro donde los dominios se alinean o se dispersan con el calor, y el campo terrestre envolviendo el globo con un flujo de partículas solares que pasa rozando. Bajo la imagen, un laboratorio con brújula muestra la aguja siguiendo el campo.
Úsalo como comprobación de esta guía: busca el bloque que compara un imán de nevera con el planeta y divide tú mismo los dos números. Todo en el capítulo ocurre en la página. Los capítulos siguientes muestran cómo una corriente crea un imán y cómo un imán en movimiento crea una corriente, que es como funcionan los motores y los generadores.
En palabras sencillas
Imagina el hierro como una multitud de agujas de brújula diminutas. En un clavo corriente apuntan en todas direcciones y no se suma nada. En un imán la mayoría apunta en la misma dirección, y sus atracciones se suman en un solo campo fuerte con un extremo norte y otro sur.
Pruébalo
En el capítulo de imanes, busca el bloque que compara un imán de nevera con el campo terrestre. Divide los dos números, 5 mT entre 50 µT, y luego observa cómo las limaduras y la aguja de la brújula siguen el campo.
Resultado esperado
5 × 10⁻³ / 50 × 10⁻⁶ = 100: en su superficie, el imán de nevera es unas cien veces más fuerte que el campo terrestre.
Comprueba tu respuesta: Una brújula tiene una declinación de 8°. Caminas 10 km siguiendo su rumbo. ¿A qué distancia lateral de la línea verdadera acabas?
10 × tan 8° ≈ 10 × 0,141 ≈ 1,4 km.
Preguntas y respuestas
¿Cómo funciona un imán con palabras sencillas?
Un imán tiene un campo magnético a su alrededor. En el hierro, los diminutos campos magnéticos de los átomos apuntan en la misma dirección dentro de regiones llamadas dominios, y por eso se suman. El campo atrae al hierro y a otros imanes: los polos distintos se atraen y los iguales se repelen.
¿Por qué se atraen y se repelen los imanes?
Cada imán tiene un polo norte y uno sur, y sus líneas de campo van del norte al sur. Los polos opuestos unen las líneas de los dos imanes en un solo lazo y tiran uno hacia otro; los polos iguales empujan las líneas y se repelen.
¿Por qué los imanes se pegan al hierro pero no a la madera ni al aluminio?
En el hierro, el níquel y el cobalto los dominios se alinean en un campo exterior, así que se convierten en imanes temporales y son atraídos. La madera, el plástico, el vidrio, el cobre y el aluminio no tienen esos dominios y apenas muestran atracción.
¿Por qué el calor destruye un imán?
El calor desordena los dominios. Por encima del punto de Curie, unos 770 °C para el hierro, el orden se pierde del todo y el hierro deja de ser un imán. Incluso los golpes o las sacudidas fuertes pueden debilitarlo.
¿Cómo funciona una brújula?
Una aguja imantada sobre un pivote se alinea con el campo magnético terrestre y señala el norte magnético. Se diferencia del norte geográfico en la declinación, que depende del lugar y puede ser de varios grados.
¿Son peligrosos los imanes fuertes?
Los imanes pequeños y fuertes son un peligro si se tragan: dos o más pueden atraerse a través de las paredes del intestino y causar lesiones graves, así que mantenlos lejos de los niños pequeños. Los organismos de salud aconsejan también mantener los imanes fuertes a unos 15 cm (6 pulgadas) de marcapasos y otros implantes.
Resume la idea en una frase: un imán es hierro cuyos imanes diminutos apuntan en la misma dirección. Después abre el capítulo de imanes, mira cómo las limaduras trazan el campo y divide tú mismo 5 mT entre 50 µT.
Fuentes y lecturas
- HyperPhysics: Magnetic field ↗Fuentes revisadas:
- HyperPhysics: Ferromagnetism ↗Fuentes revisadas:
- NOAA National Ocean Service: Magnetic poles ↗Fuentes revisadas:
- OpenStax University Physics Volume 2: Magnetism and its historical discoveries ↗Fuentes revisadas: